结合核电站运行进行汽水分离再热器分析.pdf

结合核电站运行进行汽水分离再热器分析 凌星 浙江海盐秦山核电公司3 1 4 3 0 0 摘要 本文首先介绍了汽水分离再热器工作原理 特别是扫汽部分 和两种典型的结构 然 后针对核电站运行中常见的如管道震动 管束侵蚀 系统运行异常等异常问题 结合国内外的电 站经验从工作原理 结构等方面进行了原因分析 根据分析的结果从设计 制造 运行管理等方 面给出了具体的改进措施 以期对国内核电站的运行管理提供参考 关键词 汽水分离再热器工作原理及结构 扫汽异常处理分析改进措施 0 前言 汽水分离再热器 m s r 是核电站常规岛部分重要设备之一 它设计布置在汽轮机的高 低压 缸之间 其主要作用是用来除去高压缸排汽中的水分 同时通过再热装置对分离后的高压缸排汽 进行再热 使之成为过热蒸汽 进入低压缸进一步做功 当今世界上所有核电站中由于m s r 出现 故障而造成停机的几乎占所有非计划停机的3 0 左右 所以对汽水分离再热器进行介绍和分析是 非常必要的 也是核电站应该关心的问题 1 汽水分离再热器工作原理 汽水分离再热器是利用二回路回热系统中的抽汽和 部分新蒸汽对高压缸的排汽进行汽水 分离和再热 一 二级再热器作为换热器其加热蒸汽走管侧而被加热的高压缸排汽走壳侧 在一 级再热器中主要是通过一级再热汽水分离装置对高压缸排汽进行汽水分离 而二级再热主要是通 过二级再热控制系统对二级再热器的加热蒸汽进行调节 蒸汽流量或蒸汽压力 来控制再热器 出口的过热蒸汽温度 从而保证低压缸进汽品质 提高汽轮机的相对内效率 防止和减少湿蒸汽 对汽轮机零部件的腐蚀 侵蚀作用 如果不安装汽水分离再热器则由于核电9 9 5 左右干度的新 饱和蒸汽在经过高压缸做功后其高压缸排汽湿度将近1 0 这样如果不进行汽水分离再热 进入 低压缸做功后还会进一步增加到2 0 2 4 这样必然对圆周速度高的低压缸叶片造成较大破坏 并且影响热效率1 5 2 同时这也将大大降低汽轮机的效率和可靠性 从汽水分离再热器的作 用我们不难知道 它在完成汽水分离的同时也完成了汽体的再热 加热蒸汽系统分低压再热器加热系统 一级 和高压再热器加热蒸汽系统 二级 两部分 前者的加热蒸汽一般来自二回路回热系统的抽汽 而后者一般以新蒸汽作为加热蒸汽 它受再热 温度控制系统的控制 通过对二级再热器的加热蒸汽进行调节 蒸汽流量或蒸汽压力 来控制 再热器出口的过热蒸汽温度 从而保证低压缸进汽的蒸汽品质 这样对再热器特性提出了基本要 求 有良好的热交换性能 有良好的抗冲蚀及热机械性能 有良好的疏水性能 有较小 的压降 扫汽排汽系统是为了防止再热器管束内的加热蒸汽因凝结引起 阻塞 同时也可以排去其 中的不凝性气体 这是由于在管束设计时如果管内加热蒸汽全部凝结 会形成一段水柱 水柱会 继续冷却 产生过冷现象 这样不仅产生过冷造成热效率下降 而且水柱产生后 将造成 水阻 现象 流动减慢 水柱后面的静压头便增大 将水柱加速似子弹一样射出 随即大量温度稍高的 蒸汽涌出 这种现象易引起振动 而温度波动对管口焊接会产生一定的影响 同时这样也会导致 接收容器水位和加热蒸汽流量的波动 不利于系统稳定运行 因此设计扫排汽系统 而扫排汽一 般不低于2 的加热蒸汽流量 疏排水系统一般包含一级再热器疏水 二级再热疏水 壳体疏水三部分 每部分一般都包括 1 5 l 疏水管道 疏水水箱 对应的接受容器 应急排放管道 有时根据具体情况配备分离器疏水泵 以及相应的阀门及调节控制回路等 如在秦山核电i 期和i i 期分离器疏水采用自流方式 而大亚 湾核电站的分离器疏水却配有专门的疏水泵 通过水位信号联锁控制 m s r 作为常规岛部分一个重要的加热设备 它的运行性能的好坏 直接影响着机组的稳定运 行 对于机组的安全经济运行都有着巨大的意义 所以对于汽水分离再热器的结构设计和运行等 方面都提出了严格要求 2 汽水分离再热器的结构及主要部件 汽水分离再热器的壳体一般为圆筒形 按照压力容器规范设计制造 在壳体上视汽水分离再 热器的结构不同对应有一些蒸汽管道 疏水管道 扫排汽管道的接口 测量仪表及如安全阀或爆 破膜等保护装置的接口 对于整体式汽水分离再热器在壳体内包含汽水分离装置 分配装置 一 二级再热器及壳体疏水等元件 结构一体化 现场安装占地面积小 相对分体式而言结构简洁 管道布置简单 分体式结构汽水分离再热器其最大特点是完成汽水分离 一二级再热功能的装置 不象整体式那样是一体化结构 而是采取外置式管道把经过汽水分离 一二级再热的高压缸排汽 经过处理后达到低压缸进汽要求的蒸汽通过再热阀门组件进入低压缸 图1 一l 图l 一2 分别列 举了有代表性的整体式结构和分体式结构汽水分离再热器 波纹板组件5 集管开口槽 9 分离器顶部挡板1 3 中央疏水收集槽 i 波纹板支撑件6 导向叶片1 0 蒸汽分配网板1 4 疏水道盖板 2 钟形套管7 波纹板底部支撑 1 1 u 形封头1 5 密封缘 4 蒸汽分配集管8 密封盘1 2 管支撑板1 6 主疏水出口 圈1 一l 整体式结构汽水分离再燕鬻的示意圈 槛岛锥龇自盼 图l 2 分体式结构汽水分离再热器的示意图 1 5 2 黼 啉 n 媳 l l i i ii ilii m n i jl铲l 110i l l 从前面分析可知 扫排汽系统设计的作用和功能 而2 的扫汽量为最低值 由于管束底部首 先接触温度较低的蒸汽 温差较大 传热速度较快 凝结量较大 如不采取措施 对管束底部 外 层 管子来说扫汽比例将不足2 然而热负荷较小的内层管子将高于2 这种设计不可避免地 使底部管子产生过冷 降低了再热效率 孔板的设计大大改变了这种情况 孔板设计原理是 在 第一流程的蒸汽进口处管板上覆一孔板 从上到下的开孔直径按比例缩小以控制内层管子的进入 蒸汽量 增加最外层管子的流量 以确保每一排管子都有相同的2 的扫排汽 由于较内层管子经 孔板节流后进口压力降低 饱和温度也相应降低 这在低负荷下尤其突出 热效率也必然降低 所以该设计是以牺牲蒸汽参数为代价的 但西屋大量m s r 运行结果表明 局部的牺牲得到总体热 效率的上升 且管子损坏情况减少 但带有孔板设计的传热管 长期运行会对原设计的节流作用 产生影响 因此使用该种设计的电站 随着电站运行时间的增长 应在换料检修期间加强检查和 判断 然而更好的设计方案是采用四流程 而根据第三 四流程的流向分为向上流 向下流 在 秦山核电i 期汽水分离再热器设计中采用的是 向上流 而援巴基斯坦恰希玛核电站中的m s r 管束设计采用向下流 如图1 3 所示 在四流程设计中 第一 二流程凝结7 5 的蒸汽 剩下的 2 5 进入第三 四流程 其中的5 8 以扫排汽形式排入对应的接受加热器 采用四流程后 第一 二流程采用较高的扫排汽比例 而在中间热负荷较小的管层采用5 8 的扫排汽比例 占总蒸汽 量仍为1 2 2 这项技术采用后 不再有过冷及由于过冷而引发的管子损伤 西屋公司大量的 m s r 运行经验证明了这一点 且管内饱和温度上升 管曰处温度波动下降 而且总的扫排汽比例 有所下降 对于采用四流程设计后是否还使用孔板的看法不一 在秦山核电工期3 0 0 m w 机组汽水 分离再热器是有孔板四流程设计 而在秦山核电i i 期6 0 0 m w 机组中的是无孔板四流程设计 由 于孔板总要造成热损失 所以讲取消孔板的设计是有利的 而较先进的控制方法是在第四流程管 口放置热电偶测量温度 根据温度变化来控制扫排汽量 扫摊汽 汽水比5 一8 焉蠹 精环蒸汽 扫捧汽 2 5 汽水比5 一8 琉水 7 5 图l 一3 四流程管柬示意图 a 向上流 b 向下流 m s r 管束基本外形由封头 扫排汽封头 分隔板 管板 换热管 包板及支撑板等组成 封 头一般采用球形封头 以增强空间 便于维修 从热效率角度看 管束换热面积对于加热器来说 是越大越好 而汽水分离再热器的换热管束也不例外 面积越大 端差越小 热效率也就越高 我们知道换热面积不可能无限增加下去 所以必须确定一个合理的端差值作为设计准则 汽水分离部件的结构形式较多 金属丝网式 波纹板式 离心式百叶窗型等 不同结构形式 的分离器 其汽水分离原理不同 对予汽水分离装置特性的基本要求是 首先必须有较高的汽 水分离效率 设计运行中有较小压降 具有良好疏水性能 具有良好的抗冲蚀性能 管板作为m s r 一 二级蒸汽加热器的关键部件 其制造工艺和材质的选取直接关系到m s r 能 否安全运行 管板的结构特点是厚度大 深孔多 孔的位置 孔径 孔节距及垂直度等都有严格 要求 所以管板加工工艺复杂 管予与管板的接头方式和连接工艺直接关系到运行中是否出现泄 1 5 3 漏等问题 隔板的作用 一是将传热管汇拢成束 二是用来调节传热管的固有频率 以避免运行时由于 振动而引起传热管损坏 还有利于避免启动时u 形管上下不均匀热胀而引起的管子损坏 3 汽水分离再热器运行与维护 3 1 汽水分离再热器运行总体情况 国内外运行和退役的电站中 根据报道和现场运行经验中反映出汽水分离再热器运行主要问 题有 传热管束的腐蚀 汽水分离再热器运行中的热膨胀及变形故障 再热蒸汽压力的波动 所 属系统管道振动 两相流问题及传热过程中发生的异常流量或疏水水位波动引起的系统不稳定性 等问题 在此结合在电站运行过程中常见的故障对m s r 从设备结构 设计及运行等方面进行分析 3 2 汽水分离再热器运行 从前面文中的阐述我们知道汽水分离再热器安装在高压缸与低压缸之间其主要作用是对高 压缸排汽进行汽水分离再热 以提高机组的循环热效率 降低最终的排汽湿度 以减少对汽轮机 零部件的腐蚀 得到满足运行工况下低压缸进汽品质的要求 提高机组运行的可靠性 汽水分离 再热器运行时是通过一套控制系统来完成对汽水分离再热器的控制 以保证其与汽轮机组的匹配 运行 不同机组所选控制系统有所不同 但其最终目的均是通过该监控系统来控制汽水分离再热器 和汽轮机低压缸进口蒸汽温度 主要作用有 保护m s r 控制m s r 运行 监测m s r 运行参数等 监测参数主要包括 m s r 出口蒸汽温度 二级再热管束入口蒸汽流量 二级再热管束入口蒸汽压 力等 m s r 的运行方式是由作为m s r 运行监控系统运行方式来决定的 一般根据汽轮机低压缸入口 处金属温度的高 低 自动确定m s r 的冷态 热态启动方式 该监控系统运行方式一般有 冷态 启动 热态启动 线性运行 滑温运行 基本负荷 低负荷 m s r 出系及汽机解列等方式 其控 制方式有 自动方式 手动方式 手 自动互相跟踪 手 自动无扰切换等方式 不同控制方式下 对应的运行模式一般是不同的 3 3 汽水分离再熟器运行系统常见故障 汽水分离再热器系统运行除结构本体上一些故障外 在系统运行以及系统投运和切除时常遇 到的主要问题有 1 m s r 监控系统无法投入对应的运行模式 主要原因有监控系统本身故障和该控制系统的投 入条件未能满足 后种情况在实际运行中经常遇到 而且每次导致的直接原因也有所不同 这要 求运行及专业技术人员进行分析找出原因作出处理意见 2 系统管道的振动 特别在系统投入时 其主要原因有管道疏排水进行不彻底出现汽水两 相流 扫排汽系统功能失调 管道上阀门动作或控制失灵 管道及阀门布置设计的不合理 如果 是设计方面的原因一般从一开始就会出现振动现象且在每次启动时都会有不同程度的发生 3 系统加热蒸汽流量波动或疏水水箱水位波动 主要原因有控制系统本身故障 扫排汽系 统功能不能正常工作 管道上阀门动作或控制失灵 管道及阀门设计和布置等方面造成 可以根 据具体情况进行分析论证或做专项试验 找出原因 进行处理 3 4 汽水分离再热器再热管束的侵蚀 电站运行经验表明 当汽 水分离的效果较差 循环蒸汽的剩余湿度大于1 时 或分离器 出口水分不均匀分布时 容易使其后的再热器管束造成部分侵蚀 因蒸汽速度过高引起的振动也 会对再热器管束造成损伤 这些都将引起泄漏和效率下降 针对这些运行中出现的问题 般从以 下几方面作相应的改进工作 加固再热器构件 增加分离器 提高水分离效果 改进汽水 分离器的设计 更换再热管束的材料 如选用不锈钢为材料 实践表明以上改进后的效果比较 明显 在汽水分离器和再热器的运行过程中 由于蒸汽中存在磁性材料微粒成分和分离器出口蒸汽 带水 造成再热器管束表面腐蚀 在改进措施中 除了提高汽水分离器的设计和制造精度 选择 适当的再热管束及其支撑的材料外 还可考虑增设磁性过滤器等措施 如p a r s o n s 公司还将给水 化学处理方法中的氨p h 值改为吗啉p h 值控制 这样能够在汽水循环系统中各部件的表面广泛地 形成一层稳定的氧化膜 从而使磁性材料成分污染的问题得到很好的解决 4 总结 本文首先对汽水分离再热器设置的原因和工作原理进行了分析介绍 特别对扫排汽系统的工 作好坏与汽水分离再热器的关系进行了阐述 并列举了整体式和分体式两个具有代表性的的汽水 分离再热器进行介绍 同时结合电站运行中常见的问题进行原因分析 给出方案 并对加热蒸汽 系统 扫排汽系统及再热管束侵蚀等问题从工