CN104014202B - 压水堆核电站蒸汽发生器中组合汽-液分离方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压水堆核电站蒸汽发生器中组合汽-液分离方法及装置，提供了一种压水堆核电站蒸汽发生器中组合汽-液分离方法，该方法包括以下步骤：(a)流入蒸汽发生器的主给水在换热管壁发生泡核沸腾，由此产生的湿蒸汽进入初级旋流分离器进行旋流分离，以将大颗粒液滴从湿蒸汽中分离出来，得到水相和含微细液滴的湿蒸汽；(b)将步骤(a)中得到的湿蒸汽通过微旋流分离器进行微旋流分离，以进一步脱除其中的微细液滴，得到湿度≤0.05％的干燥蒸汽；以及(c)初级旋流分离器和微旋流分离器底流得到的混合相回到蒸汽发生器二次侧，继续通过换热管壁发生泡核沸腾并进入初级旋流分离器进行旋流分离，从而形成循环除湿。

Description

压水堆核电站蒸汽发生器中组合汽-液分离方法及装置

技术领域

本发明属于核电汽-液分离领域，涉及一种高温高压湿蒸汽快速高效脱液的方法及装置，具体涉及一种核电站蒸汽发生器中通过U管换热后的湿蒸汽降低湿度的方法，以及实施该方法所用的装置。

背景技术

随着近年工业的急剧增长，人类对电力的需求不断加大；2012年，我国年消耗电量已达5万亿千瓦时。根据电力专家统计，全国用电量与GDP之间约为1:1.2的对应关系，可预见我国电力消耗还将在今后很长一段时间内以至少不低于5％的速度持续增长。作为主要的清洁能源，核电必将成为未来我国发展的重点。

核电的发展，不仅要求体现在机组的数量上，也要体现在机组的效率上。通过不断优化设计方案和改善装备性能以提高设备效率，并优选新型高效设备以努力降低建造成本，是核电发展过程中需要重点关注和思索的。而全力降低核电站中蒸汽发生器的出口蒸汽湿度、适当减小蒸汽发生器尺寸并尽量降低除湿能耗，就能达到降本增效的目的；而通过优化蒸汽发生器内上部的汽-液分离组件就是一条相对可行且安全的途径。

目前第二代压水堆核电站中的蒸汽发生器普遍采用旋叶分离器初步除湿，后串联折流式波纹板强化除湿方式以脱除主蒸汽中的液滴，确保蒸汽发生器出口蒸汽湿度满足≤0.25％的设计要求，防止水滴对汽轮机叶片的冲蚀，并通过提高蒸汽品质以改善其做功能力。第三代AP1000核电技术仍沿用了传统的工艺技术，但通过将第二代压水堆核电站蒸汽发生器内的单钩波形板干燥器改为双钩波形板，并将波形板由双层布置改为单层布置，并在干燥器结构参数上做出适当调整，实现了出口蒸汽湿度提高到≤0.1％的设计标准。

随着国产化要求的逐渐提升，在现有基础上提高单机组发电效率的呼声逐渐高涨，在进一步提高设备效率的同时、适当降低设备成本能有效满足核电发展的需求。旋叶分离器属于粗狂型的初级分离，用以脱除泡核沸腾后含有大量液滴的汽水混合物中的大部分大尺寸液滴；它通过在分离桶内装配一组固定的螺旋叶片，将流经的汽水混合物由直线运动变为螺旋线运动，在离心力作用下使汽水分离，在中心形成汽柱而在筒壁形成环状水层；水沿壁面螺旋上升至阻挡器，然后折返流经分离筒与外套筒构成的疏水通道而进入水空间；经过旋叶分离器除湿后的湿蒸汽再次进入折流式波纹板进一步除湿，折流板利用设备外形的变化改变湿蒸汽的流动轨迹，使得湿蒸汽中的液滴逐步在波纹板上聚集，达到汽液分离的目的。通过旋叶分离与折流式波纹板耦合形成的汽-液分离工艺，能基本满足蒸汽除湿的目的，但也存在单位体积设备分离效率偏低、分离效率不稳定等缺陷，在长期连续工况下存在损伤设备隐患，需采取更为高效和稳定的工艺、以及尺寸更小的设备以改善分离效率和降低设备成本。因此，核电站蒸汽发生器内主给水在U型管周边发生泡核沸腾，大量上升湿蒸汽在更小的空间内实现更高效率的除湿是今后的发展方向。

旋流分离工艺以其设备体积小、分离效率高、能耗低且设备运行稳定等优势，目前已被广泛应用至石油化工、生物医药、环保等多领域。作为旋流分离工艺的核心，旋流器的研发和优化设计始终受到各行业的广泛关注。目前美国的SchoolofMechanicalandMaterialsEngineeringofWashingtonStateUniversity(华盛顿州立大学机械和材料工程学院)等单位设计开发了5mm、10mm、15mm、25mm的微型汽-液旋流分离器。采用19mm旋流分离器，3μm生物质的汽溶胶颗粒分离效率可以达到95％，2μm生物质的汽溶胶颗粒分离效率也达到了80％以上。但是研究仍处于实验室阶段，工业应用还需解决诸多难题。

我国在旋流分离工业应用方面也做了很多工作，中国专利CN200995173Y发明了一种气液旋流分离器；中国专利CN200810201686.5公开了一种用于加氢装置中循环氢脱烃的气-液分离用旋流器，该旋流器公称直径为75mm。在旋流分离设备结构上的创新正在不断地拓展旋流分离的应用领域，但对于持续提高分离效率与降低分离能耗的矛盾，旋流分离技术的应用仍受到技术上的限制。

总之，由于现有技术存在的上述问题，故至今为止尚无能适当提高除湿效率和降低设备成本的工艺技术及设备，实属核电技术获得有效改善和提高的可行切入点。因此，本领域迫切需要开发除湿效率高且能有效缩小设备体积的先进工艺及装置。

发明内容

本发明提供了一种新颖的压水堆核电站蒸汽发生器中组合汽-液分离方法及装置，从而解决了现有技术中存在的问题，提供了一种核电站蒸汽发生器中分离效率更高且所占空间更小的汽水分离处理方法及装置。

一方面，本发明提供了一种压水堆核电站蒸汽发生器中组合汽-液分离方法，该方法包括以下步骤：

(a)流入蒸汽发生器的主给水在换热管壁发生泡核沸腾，由此产生的湿蒸汽进入初级旋流分离器进行旋流分离，以将大颗粒液滴从湿蒸汽中分离出来，得到水相和含微细液滴的湿蒸汽；

(b)将步骤(a)中得到的湿蒸汽通过微旋流分离器进行微旋流分离，以进一步脱除其中的微细液滴，得到湿度≤0.05％的干燥蒸汽；以及

(c)初级旋流分离器和微旋流分离器底流得到的混合相回到蒸汽发生器二次侧，继续通过换热管壁发生泡核沸腾并进入初级旋流分离器进行旋流分离，从而形成循环除湿。

在一个优选的实施方式中，所述换热管是U型换热管。

在另一个优选的实施方式中，初级旋流分离的体积分离效率达到99.8％；微旋流分离的体积分离效率达到90％。

在另一个优选的实施方式中，通过步骤(a)和(b)，蒸汽发生器出口液滴的标准粒径为3微米，对5微米或更大液滴的脱除率超过95％。

另一方面，本发明提供了一种压水堆核电站蒸汽发生器中组合汽-液分离装置，该装置包括：

置于蒸汽发生器内的初级旋流分离器，用于对通过流入蒸汽发生器的主给水在换热管壁发生泡核沸腾而产生的湿蒸汽进行旋流分离，以将大颗粒液滴从湿蒸汽中分离出来，得到水相和含微细液滴的湿蒸汽；

与初级旋流分离器的溢流口连接的微旋流分离器，用于对得到的含微细液滴的湿蒸汽进行微旋流分离，以进一步脱除其中的微细液滴，得到湿度≤0.05％的干燥蒸汽。

在一个优选的实施方式中，所述初级旋流分离器和微旋流分离器均立式置于蒸汽发生器内。

在另一个优选的实施方式中，所述初级旋流分离器作为整体，采取管板固定连接形式安装于蒸汽发生器内换热管上端；所述微旋流分离器作为整体，采用管板固定连接形式安装于蒸汽发生器内初级旋流分离器上端。

在另一个优选的实施方式中，所述初级旋流分离器的溢流口的产物通过形成的封闭腔室进入微旋流分离器的进口。

在另一个优选的实施方式中，所述初级旋流分离器的底流口和微旋流分离器的底流口均通入蒸汽发生器的换热腔室，使得两级旋流分离的底流产物均返回循环脱液。

在另一个优选的实施方式中，经两级旋流分离后，蒸汽发生器的出口蒸汽湿度≤0.05％。

附图说明

根据结合附图进行的如下详细说明，本发明的目的和特征将变得更加明显，附图中：

图1是根据本发明的一个实施方式的蒸汽发生器中组合汽-液分离装置的示意图。

具体实施方式

本申请的发明人在经过了广泛而深入的研究之后发现，将初级旋流分离器组件作为整体，采取管板固定连接形式安装于蒸汽发生器内U型管上端，取代了现有压水堆核电站蒸汽发生器惯用的旋叶分离器，形成旋流分离的初级蒸汽脱液工艺；同时将微旋流分离器组件作为整体，采用管板固定连接形式安装于蒸汽发生器内初级旋流分离器上端，取代了现有压水堆核电站惯用的折流式波纹板，形成微旋流强化蒸汽脱液工艺，从而克服了现有压水堆核电站蒸汽发生器的缺陷，开发出了更为高效和稳定的工艺和尺寸更小的设备以改善分离效率并降低设备成本。基于上述发现，本发明得以完成。

在本发明的第一方面，提供了一种高效低耗脱除核电站蒸汽发生器湿蒸汽中水分的方法，它包括以下步骤：

(i)被U型管加热后的二次侧给水迅速气化，汽水混合物在重力作用下迅速上升并在压差作用下进入旋流分离器，以将绝大部分液相从连续相蒸汽中分离出来，得到含液量更低的湿蒸汽；

(ii)通过将旋流分离所得的含液量更低的湿蒸汽再次进入微旋流分离器，进一步脱出其中的水，得到湿度更进一步降低的湿蒸汽；

(iii)旋流分离器和微旋流分离器底流口产物均返回旋流分离器进口循环分离，以实现湿蒸汽中液滴的回收。

在本发明中，在步骤(i)中，初级脱液工艺采用旋流分离技术，其体积分离效率可达99.8％。

在本发明中，在步骤(ii)中，次级脱液工艺采用微旋流分离技术，其体积分离效率可达到90％。

在本发明中，温度为290℃、压力为7MPa、流量达1t/h的湿蒸汽通过两级耦合旋流分离，末级微旋流分离器溢流口的蒸汽湿度≤0.05％。

在本发明中，针对温度为290℃、压力为7MPa、流量达1t/h的湿蒸汽，末级微旋流分离器溢流口的液滴计算分离精度为3微米，5微米及以上液滴脱除率超过95％，压力降小于0.01MPa。

本发明的通过步骤(i)、(ii)和(iii)三步形成的两级串联旋流分离工艺适用于第二代和第三代压水堆核电站中蒸汽发生器内的蒸汽干燥。

在本发明的第二方面，提供了一种高效低耗脱除核电站蒸汽发生器湿蒸汽中水分的装置，它包括：

用于初级脱液的旋流分离器，以及与所述旋流分离器的溢流口连接的、用于进一步除湿的微旋流分离器。

在本发明中，所述初级旋流分离器可根据气体流量适当调整初级旋流分离器组件中旋流芯管的数量，以满足工况波动所引起的分离效率变化。

在本发明中，初级旋流分离器和微旋流分离器底流口的液滴均通入蒸汽发生器的换热腔室，直接通过循环返回，继续进入初级旋流分离器进口进行循环分离，以提高分离效率。

在本发明中，初级旋流分离器和微旋流分离器均立式置于蒸汽发生器内。

在本发明中，将初级旋流分离器组件作为整体，采取管板固定连接形式安装于蒸汽发生器内U型管上端，取代了压水堆核电站蒸汽发生器惯用的旋叶分离器，形成旋流分离的初级蒸汽脱液工艺。

在本发明中，将微旋流分离器组件作为整体，采用管板固定连接形式安装于蒸汽发生器内初级旋流分离器上端，取代了压水堆核电站惯用的折流式波纹板，形成微旋流强化蒸汽脱液工艺。

在本发明中，初级旋流分离溢流口产物通过形成的封闭腔室进入微旋流分离器进口。

在本发明中，采用耦合旋流分离组件除湿工艺，相对传统压水堆核电站蒸汽发生器的旋叶分离和波纹管组合脱液工艺，可将组件体积减小20％，有效降低了蒸汽发生器尺寸。

以下根据附图详细说明本发明的方法。

图1是根据本发明的一个实施方式的蒸汽发生器中组合汽-液分离装置的示意图。如图1所示，蒸汽发生器1包括出口10，其内置初级旋流分离器3，所述初级旋流分离器3包括底流口2、进口4和溢流口5；微旋流分离器7与初级旋流分离器3的溢流口5连接，所述微旋流分离器7包括底流口6、进口8和溢流口9。

本发明的主要优点在于：

本发明方法的工艺紧凑、设备所占空间小，蒸汽除湿效率高、耗损低且工况稳定，能高效解决蒸汽发生器二次侧除湿问题，并适当提高蒸汽品质，有效降低蒸汽液滴对汽轮机叶片的冲蚀。

实施例

下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量计。

实施例1：

采用CPR1000技术路线的百万千瓦级阳江核电站主回路蒸汽发生器汽液分离系统：

(1)蒸汽发生器内旋流器布置

参看图1。

(2)关键设备

该工艺流程中关键设备为蒸汽发生器内的初级旋流分离器和微旋流分离器。其中，初级旋流分离器组件和微旋流分离器组件均满足蒸汽机直径空间要求，且两套组件高度为4500mm，处理量为473000Nm³/h。

(3)工艺控制

满负荷工况下，初级旋流分离器湿蒸汽进气量为473000Nm³/h，操作压力为7.26MPa(表压)，操作温度为291.4℃。

(4)运行效果

稳定工况下，初级旋流分离器的进口两相流为蒸汽发生器U型管周边泡核沸腾后的产物；实验研究表明，汽水混合物在U型管周边的沸腾区域逐步上升，并在旋流分离器进口区域形成较为均匀的汽水混合物区域，此时的水汽体积比约为1:6.40；由于蒸汽发生器内分离区间内温度及压力变化幅度较小，且其变化波动对水汽密度影响甚小，因此可粗略取7MPa、290℃条件下水汽密度数据为标准进行计算，此时的水汽密度比例为742.4:35.74。通过初级旋流分离器分离，其出口蒸汽含液量明显降低，其水汽体积比降至1：3981.47；再经第二级微旋流分离，混合物中水汽体积比进一步降低至1：4.15×10⁴，此时出口蒸汽湿度已降至0.05％标准，完全满足蒸汽发生器出口排放标准，并相对于旋叶分离器耦合波纹板工艺有了明显提升。随机组功率的变化、以及启停和流场紊乱造成的不稳定工况，旋流分离技术分离效率会略有波动，但整体运行良好。

能耗方面，初级旋流分离能耗在220-230mmH₂O之间波动，微旋流分离器压降稳定在160mmH₂O左右，在进口湿蒸汽参数剧烈波动并考虑余量的情况下，两级旋流分离的压降确定稳固在500H₂O以内，相对旋叶分离器耦合波纹板工艺有明显优势。

(5)技术效果

a、降低蒸汽发生器尺寸

通过采用初级旋流分离和微旋流分离耦合脱液工艺，取代传统的旋叶分离器与折流式波纹板组合的脱液流程，通过选用结构外形及尺寸完全不同的装置，实现了明显降低脱液装置尺寸的效果。传统应用至百万KW/h的CPR1000压水堆蒸汽发生器的旋叶分离器与折流式波纹板组合的脱液装置，其外形尺寸在横向满足蒸汽发生器直径要求的基础上，其纵向尺寸约为5500mm；而通过耦合旋流分离工艺搭建的脱液装置，其纵向尺寸可控制在4500mm以内，粗略以蒸汽发生器高度为20m算，即可将蒸汽发生器耗材降低5％，仅此一项获得材料节约成本就极为可观；同时，蒸汽发生器尺寸的缩小还能明显提高设备的安装性能、降低设备安装风险、并减少热量损耗。

b、蒸汽脱液效率

旋流分离器通过其特殊的结构特征大幅提高流体的切相加速度，通过两相间的密度差实现汽液高效分离，其突出的汽液分离效率已经在石油化工中加氢裂化装置上的循环氢脱烃液等多类工业应用上得到体现和验证。蒸汽发生器中的蒸汽脱液装置，不仅关乎到蒸汽的做功效率和汽轮机叶轮的冲蚀程度，更关乎机组的安全。

旋叶分离器与折流式波纹板的组合式脱液工艺虽能基本达到设计要求的出口蒸汽湿度≤0.25％，但随机组功率的波动和蒸汽发生器内流场的变化，其分离效率可能出现剧烈波动，造成区段性的蒸汽湿度波动，大亚湾核电站和秦山核电站均出现过类似的案例，对设备及机组整体造成危害。旋流分离技术作为典型的静态稳定设备，在其分离效率基本不受流体状态影响的前提下，可有效缓解分离过程出现的流场波动，确保出口蒸汽湿度的稳定性。同时旋流分离器与微旋流器的耦合脱液工艺，通过分级分选脱液，能有效实现汽液分离，两级耦合的汽液分离效率可达到99.95％，超额满足蒸汽发生器出口蒸汽的湿度设计要求。

c、节能效果

蒸汽发生器内脱液工艺除了需要满足分离效率要求，出口蒸汽的压降程度也将决定蒸汽的品质和做功效率。相对而言，两级耦合旋流分离器设备结构流畅，设备内的局部变形区域有限，从而有效避免了流体在设备内产生具备阻力，相对旋叶分离器和折流式波纹板组合具有明显优势。

实验数据表明，单级汽-液旋流分离的压降均在数百毫米水柱区间，具体数据依流体压力、温度、粘度等条件变化而不同。以6.5MPa、300℃的湿蒸汽分离数据为例，其单级旋流分离能耗约为200mmH₂O，两级旋流分离压降不超过500mmH₂O，在进口湿蒸汽参数剧烈波动并考虑余量的情况下，两级旋流分离的压降确定稳固在0.01MPa。

通过冷模和热态试验，完整模拟实验研究将旋流分离技术应用至CPR1000技术路线的百万千瓦级阳江核电站主回路蒸汽发生器干燥蒸汽，实验结果表明旋流分离工艺运行平稳，操作方便且易于控制，达到了蒸汽发生器出口蒸汽湿度≤0.25％的设计标准，且能耗不超过0.01MPa，完全满足了工业应用要求。蒸汽发生器旋流脱液技术，不仅明显减小了设备尺寸，确保了蒸汽发生器出口蒸汽湿度达到设计要求、提高了汽轮机效率和可靠性，同时还降低了分离能耗，进一步确保了装置的安全运行周期，具有显著的经济效益和资源效益。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种压水堆核电站蒸汽发生器中组合汽-液分离方法，该方法包括以下步骤：

(a)流入蒸汽发生器的主给水在换热管壁发生泡核沸腾，由此产生的湿蒸汽进入初级旋流分离器进行旋流分离，以将大颗粒液滴从湿蒸汽中分离出来，得到水相和含微细液滴的湿蒸汽；

(b)将步骤(a)中得到的湿蒸汽通过微旋流分离器进行微旋流分离，以进一步脱除其中的微细液滴，得到湿度≤0.05％的干燥蒸汽；以及

(c)初级旋流分离器和微旋流分离器底流得到的混合相回到蒸汽发生器二次侧，继续通过换热管壁发生泡核沸腾并进入初级旋流分离器进行旋流分离，从而形成循环除湿。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述换热管是U型换热管。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，初级旋流分离的体积分离效率达到99.8％；微旋流分离的体积分离效率达到90％。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过步骤(a)和(b)，蒸汽发生器出口液滴的标准粒径为3微米，对5微米或更大液滴的脱除率超过95％。

5.一种压水堆核电站蒸汽发生器中组合汽-液分离装置，该装置包括：

置于蒸汽发生器(1)内的初级旋流分离器(3)，用于对通过流入蒸汽发生器(1)的主给水在换热管壁发生泡核沸腾而产生的湿蒸汽进行旋流分离，以将大颗粒液滴从湿蒸汽中分离出来，得到水相和含微细液滴的湿蒸汽；

与初级旋流分离器(3)的溢流口(5)连接的微旋流分离器(7)，用于对得到的含微细液滴的湿蒸汽进行微旋流分离，以进一步脱除其中的微细液滴，得到湿度≤0.05％的干燥蒸汽。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述初级旋流分离器(3)和微旋流分离器(7)均立式置于蒸汽发生器(1)内。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述初级旋流分离器(3)作为整体，采取管板固定连接形式安装于蒸汽发生器(1)内换热管上端；所述微旋流分离器(7)作为整体，采用管板固定连接形式安装于蒸汽发生器(1)内初级旋流分离器(3)上端。

8.如权利要求5-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述初级旋流分离器(3)的溢流口(5)的产物通过形成的封闭腔室进入微旋流分离器(7)的进口(8)。

9.如权利要求5-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述初级旋流分离器(3)的底流口(2)和微旋流分离器(7)的底流口(6)均通入蒸汽发生器(1)的换热腔室，使得两级旋流分离的底流产物均返回循环脱液。

10.如权利要求5-7中任一项所述的装置，其特征在于，经两级旋流分离后，蒸汽发生器(1)的出口(10)蒸汽湿度≤0.05％。