擴容蒸發

擴容蒸發也稱為閃急蒸餾，是將加熱後的水溶液引至一個壓力較低的設備中，溶液中的水由於壓力的降低而快速汽化，蒸汽便迅速離開溶液的過程。利用這一原理，可以進行海水淡化、污水處理和地熱能發電。隨著人口的增加和經濟的發展，淡水資源的供應日益引起世界各國的關注。隨著海水淡化技術的不斷發展，擴容蒸發器在海水淡化上的套用技術也逐漸成熟起來。為了提高產量，節省汽耗，一般採用多級擴容蒸發器。

基本介紹

• 中文名：擴容蒸發
• 外文名：Flash evaporation
• 學科：電力工程
• 領域：工程技術
• 範圍：能源
• 別稱：閃急蒸餾

簡介

5MW低溫供熱堆是我國自行研究、自行設計和建造的世界上第一座投入運行的一體化殼式核供熱堆，通過11年的運行實踐表明，該堆具有良好的固有安全性，實現了一體化布置和全流量自然循環。因此，核供熱堆非常適合於用作核動力裝置。

自從世界上第一艘核動力潛艇於1954年下水以來，核動力裝置已經在艦船上得到了廣泛的套用。由於核動力裝置中核燃料的裂變不需要空氣，而且裂變釋放出的熱量比柴油燃燒釋放的熱量大，其燃料的消耗量和儲存量比常規動力裝置要少，續航能力和航速也比常規動力艦船大，對於採用核動力的潛艇，由於能在水下長期潛航，因而其隱蔽性也得到增強。

根據海洋和陸地條件的不同，提出了將核供熱堆套用到艦船上，以及所需要的改進，即採用擴容蒸發器代替傳統的蒸汽發生器。這樣不但能夠使供熱堆的整個系統得到極大的簡化，而且系統的安全性和可靠性也得到了很大的提高。

艦船核動力的要求

(1) 安全性

由於安全可靠性直接關係到整個艦船的安全和艦載人員的生命安全，所以用在艦船上的核動力裝置必須首先滿足這一要求。

(2) 尺寸要求

體積和重量直接影響了艦船的性能和戰鬥力，在設計過程中必須考慮減小反應堆的體積，提高禁止性能，簡化迴路系統，改進設備性能和堆艙，以縮小核動力裝置的體積，減輕重量。

(3) 對海洋條件的適應性

整個裝置應抗搖擺、耐震動、耐衝擊。要求艇在橫傾、縱傾達40°～50°的條件下能夠正常工作。

(4) 機動靈活性

反應堆應能夠隨時啟動、停止和在短時間內大幅度的改變功率。因此核動力裝置的控制系統應儘可能簡單、靈活和自動化，各項設備必須適應頻繁的功率變化，燃料元件、壓力殼和迴路管道也必須能經受由於溫度變化引起的熱衝擊和熱疲勞等。

(5) 噪聲要求

艦船上工作人員長期工作在面積狹小的艦船上，因此要求對噪聲污染有所控制，若用於軍事艦艇，則噪聲的降低會提高艦艇的隱蔽性能。由於供熱堆採用全流量自然循環，艦船航行時可以不用主泵，因此就減少了一個主要的噪聲源，使整個艦船的噪聲有了大幅度降低。

由以上要求可見，反應堆採用一體化布置是解決反應堆套用到艦船上的一條重要途徑。一體化不但能夠使反應堆系統結構緊湊、系統簡單，而且也使流程的流動阻力減小，裝置的自然循環能力加強。

供熱堆技術特點

供熱堆具有良好的內在安全性，同時，也通過試驗驗證了該堆所具有的一系列先進的技術特點。

(1) 反應堆實現了一體化布置

5MW供熱堆一迴路的主要設備，如堆芯、堆內構件、主熱交換器和控制棒水力驅動機構等均布置在壓力容器內。堆內構件採用吊掛式，堆芯安裝在吊籃的底部。自然循環的採用和一體化的結構布置取消了一迴路大管道，排除了由於主管道斷裂可能導致的大破口失水事故，提高了核供熱堆的安全性。

(2) 反應堆實現了全功率自然循環冷卻

5MW供熱堆由於取消了主循環泵，即使在完全喪失電源的工況下，也能夠保證堆芯的循環冷卻，提高了堆芯冷卻的安全性。

(3) 反應堆具有自穩壓的特點

利用蒸汽分壓原理，在反應堆壓力容器內滲入定量的非凝結氣體，可以維持該反應堆運行壓力，省去了複雜的外加穩壓器系統。多年的運行經驗表明，反應堆壓力的穩定性很好，而且具有自穩壓的運行特性。

(4) 採用了先進的水力驅動步進式控制棒傳動系統

5MW供熱堆取代了一般壓水堆上使用的電磁、機械式傳動系統，採用水力驅動的脈衝缸以及專門的脈衝電源式的控制棒傳動有以下良好的性能：

a系統傳動鏈短、可靠性高；

b控制棒提升時每4秒只能單棒提升一步，防止了大的反應性引入的可能性；

c失事安全，從根本上排除了失壓、失電和系統失水情況下的彈棒可能性；

d系統結構簡化了壓力殼頂部的傳動結構，降低了堆體高度。

核供熱堆本身的技術特點，使它有可能被用作艦船核動力裝置。一體化的布置方案，不但使動力裝置的體積減小，安全可靠性能提高，而且由於取消了主泵，使得系統的噪聲大大減小。先進的水力驅動控制棒系統，使動力系統的安全性大大提高。

為了進一步節省艦船空間，簡化整個系統，提高艦船的機動性能，考慮用擴容蒸發器取代一般的蒸汽發生器。

擴容蒸發器及其在工業上的套用現狀

擴容蒸發，也稱為閃急蒸餾，是將加熱後的水溶液引至一個壓力較低的設備中，溶液中的水由於壓力的降低而快速汽化，蒸汽便迅速離開溶液的過程。利用這一原理，可以進行海水淡化、污水處理和地熱能發電。

隨著人口的增加和經濟的發展，淡水資源的供應日益引起世界各國的關注。隨著海水淡化技術的不斷發展，擴容蒸發器在海水淡化上的套用技術也逐漸成熟起來。為了提高產量，節省汽耗，我們一般採用多級擴容蒸發器。

利用擴容蒸發器，不但可以得到淡水，還能從廢水中提取有用物質，變廢為寶。早在20世紀70年代，鎮江市染織廠和上海市針織漂染廠就曾採用擴容蒸發的原理，從廢水中回收廢鹼液，不但減輕了污染，還為國家回收了大量的寶貴資源。

擴容蒸發器在地熱發電上的套用技術已相當成熟。採用單級擴容系統的地熱發電站流程：來自地熱井的高溫高壓液態水溶液，在擴容器中減壓，水由於壓力的降低而汽化，產生的蒸汽可用來推動汽輪機發電，剩餘的液流排入回灌井中，用於推動汽輪機的蒸汽在流經凝汽器和冷卻塔後，變為凝結水排入回灌井中。

採用兩級擴容系統的地熱發電站流程：它採用從地熱井中引出的汽水兩相流體來運行。滷水通常以液態被發現存在於地熱井內，但是由於在地熱井中，液態的滷水在相對較高的壓力下閃蒸成為汽水兩相混合流體。此混合流體在汽水分離器中經擴容分離出蒸汽，剩餘的高壓流體在擴容器中再次減壓擴容產生蒸汽。這樣，就會有兩種不同壓力的乾蒸汽進入汽輪機中，因此，汽輪機組必須設計成雙缸或者單缸且具有兩個不同壓力進汽口的機組。

從熱力學角度出發，增加擴容級數是有利的，因為增加擴容級數可以改進地熱能的利用係數，但級數的增加同時也使設備的複雜性相應增加，因此擴容級數是有限的。

擴容蒸發器在供熱堆上的套用研究

反應堆系統二迴路上所用的一般的蒸汽發生器，不但非常龐大、笨重，而且非常昂貴。在反應堆運行過程中，蒸汽發生器是最容易出問題的部件。如果把供熱堆用作艦船核動力裝置，為了簡化系統，減小體積，提高系統的安全性和可靠性，考慮在供熱堆迴路上用擴容蒸發器取代一般的蒸汽發生器。

在通過汽水分離器之後，蒸汽中的水被分離出來，從擴容蒸發器出來的蒸汽成為飽和蒸汽，部分飽和蒸汽進入高壓汽輪機組，驅動汽輪機發電，另一部分被用作中間再熱器的加熱介質。在通過反應堆主熱交換器的冷卻劑中，一部分進入了擴容蒸發器，其餘部分經循環泵加壓後重新進入了反應堆主熱交換器。

跟採用蒸汽發生器的反應堆迴路相比，系統的輸出功率有所下降，其主要原因是消除了蒸汽發生器內冷卻劑的壓降以及冷卻劑在蒸汽發生器內流動過程和換熱過程的損失。

採用擴容蒸發器的供熱堆系統和採用蒸汽發生器的供熱堆系統相比，其所占的體積大大減小，初步分析計算表明，採用擴容蒸發器的供熱堆系統所占的體積僅為採用蒸汽發生器的供熱堆系統的60 % ，擴容蒸發器的總重量僅為蒸汽發生器總重量的65 %。同時由於擴容蒸發器建造簡單、運行安全可靠，使得整個裝置的總成本大大減小，尤其是將核供熱堆用作艦船動力裝置時，其優越性將得到充分體現。由於擴容蒸發器的重量和體積都比蒸汽發生器小，並且擴容蒸發器對材料的要求沒有蒸汽發生器對材料的要求高，尤其是取消了昂貴的蒸汽發生器換熱管束，因此擴容蒸發器的製造費用比蒸汽發生器要小得多。

但是，擴容蒸發器在運行過程中，結垢問題非常突出，同時，在海洋條件下，擴容蒸發器的運行特性會發生變化，這些問題還需要進一步的研究。

總結

在反應堆二迴路中，高溫高壓的水在經過節流過程後，變為濕度很高的蒸汽。通過汽水分離器之後，蒸汽中的水分被分離出來，得到的飽和蒸汽用來推動汽輪機發電。

由於採用了擴容蒸發器，取消了龐大複雜的蒸汽發生器，系統的體積和重量大大減小，因此總的建造費用也會大大降低。不但如此，由於擴容蒸發器設計製造簡單，運行安全可靠，這對供熱堆在船舶上的套用起到了至關重要的作用。