汽水分離

汽水分離是指汽水在0度以下時會凍結，並膨脹，出現分離。汽水分離再熱器（Moisture SeparatorReheater，MSR）作為核電機組常規島的重要輔助設備，其性能將直接影響機組的效率和安全運行。汽水分離再熱器位於汽輪機高、低壓缸中間，用來去除高壓缸排汽中的水份，並加熱排汽使之過熱後進入低壓缸。在大多數情況下，汽水分離再熱器由汽水分離裝置和再熱器組成。

基本介紹

• 中文名：汽水分離
• 外文名：Steam and water separation
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 範圍：電力系統
• 釋義：汽水在0度以下凍結、膨脹、分離

簡介

汽水分離再熱器（Moisture　SeparatorReheater，MSR）作為核電機組常規島的重要輔助設備，其性能將直接影響機組的效率和安全運行。汽水分離再熱器位於汽輪機高、低壓缸中間，用來去除高壓缸排汽中的水份，並加熱排汽使之過熱後進入低壓缸。在大多數情況下，汽水分離再熱器由汽水分離裝置和再熱器組成。再熱器可以採用一級或兩級再熱，兩級再熱的再熱器使用主蒸汽作為第一二級加熱蒸汽，使用高壓缸抽汽作為第二一級加熱蒸汽。

汽水分離再熱器的功能和性能指標

1.汽水分離再熱器的功能

在核電機組中，作為主蒸汽的飽和蒸汽在蒸發器中產生後，先後進入汽輪機高、低壓缸內進行膨脹作功。通常從低壓缸排出的乏汽濕度在20%以上。若在高、低壓缸之間設定汽水分離裝置，將高壓缸排汽達到飽和狀態或接近飽和狀態後再送入低壓缸做功，這樣就可以降低低壓缸的排汽濕度，從而減少濕蒸汽對低壓葉片的侵蝕。

若將經汽水分離裝置除濕後的排汽進一步加熱到過熱狀態後再進入低壓缸，則又可以降低低壓缸的排汽濕度。通用的做法為兩級加熱法，即分別利用主蒸汽和高壓缸抽汽來加熱高壓缸排汽。根據以往電站的運行經驗來看，單級加熱法可提高約2%的機組運行效率，而兩級加熱法則可以比單級加熱法多提高0.5%的機組運行效率。

2.汽水分離再熱器的性能指標

評判一個汽水分離再熱器設計性能的好壞，主要從以下三個方面進行考核：

1）分離器出口蒸汽的殘餘濕度；

2）殼側循環蒸汽的壓降；

3）端差（TTD）指管側加熱蒸汽進口飽和溫度與殼側循環蒸汽出口溫度的差值。

汽水分離再熱器的結構

汽水分離再熱器是一種具備汽水分離功能的管殼式換熱器，主要包括殼體、再熱管束（含一級管束和二級管束）和汽水分離裝置等組件。主蒸汽和加熱蒸汽分別進入汽水分離再熱器的殼側和管側。

殼側蒸汽流程：高壓缸排汽直接進入汽水分離再熱器的殼側，經過汽水分離裝置除濕後分成疏水和蒸汽兩部分，疏水經殼體疏水箱進入除氧器，蒸汽則依次流經一級再熱管束和二級再熱管束，被加熱至過熱蒸汽後流出汽水分離再熱器殼體。

管側蒸汽流程：一級再熱管束管側的加熱蒸汽為高壓缸抽汽，冷凝後經低壓疏水箱進入6號高加；二級再熱管束管側的加熱蒸汽為主蒸汽，冷凝後經高壓疏水箱進入7號高加。

汽水分離裝置的設計

汽水分離裝置是一種由多個汽水分離元件連線固定在一起的裝置，位於殼體內部的下方，其作用是將汽水分離器分離出來的水和蒸汽分別排放出去，具有分離效率高、蒸汽壓降小、結構緊湊的特點。該裝置包含上、下部的安裝槽、多孔板和汽水分離器等部件。

汽水分離裝置的核心元件是汽水分離器，評判其設計性能的好壞，主要由以下三項指標決定：汽水分離的效率、允許蒸汽流過分離器的“臨界速度”和蒸汽流過分離器的壓降。汽水分離器具有很多種結構形式，當前大多數均採用波紋板式。波紋板式分離器的工作原理是利用濕蒸汽中水滴具有較大質量和慣性的特性來實現汽水分離。當濕蒸汽遇到波紋板後，乾蒸汽繞過波紋板繼續向前，水滴則由於慣性撞擊在波紋板上並聚集下來，落到分離器底部並排出。這樣，濕蒸汽在分離器內多次改變流動方向後，可使得大部分水滴凝聚下來，有效降低蒸汽濕度。汽水分離器的蒸汽流量分布設計應使蒸汽均勻地進入分離器，並應使繞過分離組件的旁流量最小。

關於汽水分離器的性能，可通過實驗的方法進行驗證。實驗方法為採用一定乾度的空氣—水混合物或模擬實際工況的濕蒸汽以不同的流速通過若干片分離板型組成的一個分離模型，通過測算分離模型進出口乾度，確定分離效率；通過測定進出口壓差，確定其壓降。分離器的性能需滿足下列要求：對應分離器實際正常運行負荷範圍，分離模型進口蒸汽乾度不大於86%時，出口蒸汽乾度不小於99%且分離模型壓降不大於14kPa。

從分離器排出的蒸汽一般仍存在一定的濕度，稱之為殘餘濕度。殘餘濕度將導致所需的加熱蒸汽量增加，或引起再熱器出口溫度降低，這是分離器設計存在的一個很大問題。因此如何設計一個高效的汽水分離器，是主要研究方向。

再熱管束的設計

再熱管束位於汽水分離再熱器上方，是汽水分離再熱器的另一個重要部件。為獲得更高的出口蒸汽溫度，當前多採用兩級再熱管束的結構形式—一級再熱管束（低壓管束）和二級再熱管束（高壓管束）。再熱管束的設計需考慮以下幾個方面的問題。

首先，管束的設計要解決換熱管傳熱係數的問題。由於管內兩相流換熱問題的複雜性，對於其換熱性能的研究，最主要的手段還是採用性能實驗的方法。對再熱器換熱管內的換熱性能進行實驗，實驗方法是在不同的蒸汽流速下，將濕蒸汽流過再熱器傳熱管管內，與傳熱管管外的介質進行熱交換，通過測量管內外的參數，確定不同流速條件下管內的換熱係數。

其次，再熱管束設計時，須儘可能地避免管內出現過冷現象，因為過冷會造成換熱效率的下降。所謂過冷，是指換熱管內的蒸汽凝結成水柱後繼續向管外放熱，水柱進一步被冷卻成為過冷水。當產生過冷水柱後，將造成管內阻塞並在管內形成水柱段，水柱段之間夾雜著加熱蒸汽。過冷水柱的存在對汽水再熱分離器的安全運行是一個極大的隱患，會導致換熱管與管板的焊縫處產生裂紋。因此在設計再熱管束時，應儘量避免過冷水柱的產生。常用的做法是採用管內不完全凝結法，即蒸汽不完全凝結，未凝結蒸汽（也稱為掃排汽）將凝結水帶出。但是，過高的掃排汽比例會增加機組熱耗，設計時應儘量避免這種情況發生。

再熱管束通常被設計成四流程的形式，以防止蒸汽在管內全部凝結。再熱蒸汽首先進入第一、二流程進行凝結，剩餘未凝結蒸汽進入第三、四流程繼續凝結。該形式的掃排汽比例僅占總再熱蒸汽量的2%左右，這個比例既可有效避免管內過冷現象的發生，又能夠保證機組的運行效率，是一個非常合適的掃排汽比例。

最後，由於管束在加熱過程中，存在被加熱蒸汽的溫度差，從而造成膨脹的不均勻，需要注意的是管束膨脹的不均勻對管束壽命影響很大。在以下情況下，管束膨脹的不均勻將會導致MSR的內部故障：

1）在包殼、支撐板和換熱管之間不平均的熱膨脹是引起初始的兩流程再熱器故障最常見的原因。這個問題在啟動和變載荷時更加嚴重，並且引起換熱管和管板焊縫因膨脹而損壞。管束膨脹會在最外層扭曲的換熱管和包殼之間產生明顯的流動通道，並造成“冷”蒸汽的旁流，這將增加管側的阻力和降低管子抗振動的能力。

2）過度冷凝和熱力的不穩定性能夠造成管束下半部分的熱負荷較高。這種現象是顯熱熱交換設備的特徵之一，與管子U形彎曲的方向無關。管束下半部分不斷增加的熱負荷將導致可用的加熱蒸汽完全被冷凝，並且因此造成最終疏水管全部被水浸沒。如果嚴重過冷的話，將會引起熱力系統不穩定和性能退化，而最嚴重的情況是由於管子上下兩支間存在巨大溫差，造成管子扭曲變形。

3）設計允許公差較大時，會造成內部部件的裝配間隙偏大，不僅會引起部分蒸汽繞過管束區，降低蒸汽的過熱度，而且還會產生熱應力和溫度分布的不連續性。

總結

綜上所述，在核電機組中，汽水分離再熱器能夠大幅度提高機組的熱效率，其出口蒸汽的殘餘濕度、殼側循環蒸汽的壓降和端差等性能指標更是直接影響機組的出力及運行壽命。汽水分離再熱器設計需要考慮的因素很多，特別是分離器和管束的設計，其合理的設計可以使汽水分離再熱器正常運行，也保證了汽輪機能夠長期安全、高效、穩定地運行。