汽水分离器性能和结构设计特点

张福君，国金莲

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046）

1 概 述

某核电厂的启、停堆的系统中，汽水分离器是该系统的主要设备。汽水分离器的工作介质将经历过冷水、饱和水、汽水两相、饱和蒸汽、过热蒸汽五个阶段，汽水分离器的工作压力从5MPa逐渐升压到13.9MPa，同时，工质有相变的过程存在，由最初的105℃升温到设备的工作温度570℃。要求核岛启、停堆时，投运的设备必须安全可靠。在核电厂正常运行时，启、停堆的设备必须随时处在备用状态，确保核岛停堆时能够及时地投入运行。因此，汽水分离器设备必须具备储水、汽水分离、系统稳压、蒸汽通道四项基本功能。综上所述，设计汽水分离器时，必须保证设备的性能稳定、功能可靠、运行安全，并且应充分考虑汽水分离器的分离功效，要求在高温高压及各种变工况条件下稳定运行。

综合这些因素，汽水分离器设备的设计难度较大。首先，在强度设计方面没有相关标准可循可依，更没有可以参考和借鉴的相关方案，虽然有类似的设备为例，但可供参考的数据有限；其次，在材料疲劳和蠕变的双重影响下，目前仍无相关标准和资料可借鉴。在个别标准中，对材料的蠕变有相关论述，包括材料的蠕变时间和蠕变温度的界定，但均从单一载荷作用和特定使用条件下进行的分析和论证，没有给出深层次和广泛意义的论证和描述，所以，确定该设备参数是非常困难的，设计时，必须全面分析各种介质工况条件，结合设备的功效，重新进行全方位的论证。

2 汽水分离器的工作原理

核电启、停堆系统中的汽水分离器，不同于以往核电厂中的汽水分离器。现设计中的汽、水分离功效仅是其中主要性能之一，还要有储水、系统稳压、防止蒸汽发生器过度膨胀等性能，而且对汽、水分离的干度要求较高。汽水分离的原理有离心式分离、沉降分离、吸附捕获扰动分离这3种基本方法。

（1）旋转离心式分离

图1 汽水分离器简图

介质通过切向斜管进入汽水分离器内，具体结构形式，见图1所示。当汽、水两相介质沿设备内壁旋转流动，因汽、水2种介质密度不同，致使蒸汽向心汇聚进而向上流动，水沿设备内壁向下流动。汽、水混合物进入设备时，即要有足够的能量保证离心流动，又要防止汽水混合物对设备内壁的冲蚀。根据以往的设计经验，介质入口为水时，流速设计为0.9m／s，全部为饱和蒸汽时，设计流速为27m／s；此流速可以保证汽、水两相流体在设备内离心旋转三圈，对设备内壁不会引起冲蚀损伤。

（2）沉降分离

根据力的平衡原理，控制蒸汽向上流动速度，使蒸汽流动产生对液滴的上浮力小于液滴的重力。通过控制设备内蒸汽向上的流动速度，保证大液滴自由顺畅地向下运动，同时，向上流动的蒸汽也使较小液滴快速向上运动，因液滴在设备内分布的不均匀和液滴大小的不同，促使小液滴在运动过程中发生互相碰撞溶合，在水的张力作用下形成大液滴，当液滴的重力大于上浮力，液滴自动地向下流动，保证汽、水的进一步分离，该汽水分离器内分离液滴的最大直径为1mm，稍大的液滴将被自动地分离，并向下流动。

（3）吸附捕获分离

当蒸汽携带的较小液滴，碰撞到吸附面而自动聚集下落实现分离。这是采用了立式百叶窗分离器和波形板分离器等二次元件，使蒸汽的运行方向发生改变，而液滴在改变流动方向时，将在板面上聚集成大液滴，并通过导流管流入下层的水空间。通过这3种分离原理，保证分离器蒸汽出口处蒸汽干度的品质要求。

3 选取汽水分离器内径和容积的依据

根据核岛启、停堆时工况的特殊要求，汽水分离器既要在高温高压的工况下工作，有时还工作在低温高压下，工况的变化较大。在低压高温的过热蒸汽条件下，汽水分离器内向上流动的蒸汽截面速度必须小于1.5m／s，根据以往的设计经验和相关的试验结果，通过计算和实验验证，可知当截面流速超过此数值时，蒸汽将携带大量直径较大的液滴，快速流过分离器的沉降区域，将严重影响汽、水的沉降分离功能，极大地降低了汽水分离器出口处蒸汽的干度品质。应使百叶窗或波纹板免受冲蚀损坏，如果二次分离元件被损伤，汽、水将无法被充分分离，也会影响整套设备运行的安全性。根据汽水分离器的截面流速的要求，将流速控制在1.5m／s安全范围内，故设备内径选取为1150mm。

根据等焓扩容的原理计算汽水分离器的容积，进入汽水分离器的介质是过冷水－饱和水－汽、水两相－饱和蒸汽－过热蒸汽，分离功能区段内是饱和水与饱和蒸汽之间的介质，根据各工况条件下的介质干度，分别计算汽水分离器的容积，设备容积必须满足气体空间和液体空间两者的容积之和。根据最大介质流量38kg／s，计算各种工况下的气体容积和水容积，汽水分离器的最小容积应满足上述各工况条件所计算的容积之和，其次考虑蒸汽在设备内的行程，以保证蒸汽的上升高度，满足沉降分离所需的高度要求，要考虑当蒸汽发生器发生膨胀时，汽水分离器能接收蒸汽发生器发生膨胀时压出的大量水量，此时，汽水分离器内的饱和水量迅速增多。最终选定汽水分离器的空间容积为8.0m3。

4 汽水分离器材料的选取原则

因汽水分离器的工作压力为13.9MPa，在570℃的高温高压工况下，汽水分离器的筒体需采用耐高温、耐高压的材料，同时要具有耐冲刷和耐冲蚀性能，重点考虑材料发生高温蠕变时，对材料机械性能的影响。综合各种因素，汽水分离器筒体、封头和各接管的材料选用了ASME标准体系的SA－336F91整体锻件，此种材料广泛应用于高温、高压的工况条件下，特别在超临界锅炉和超超临界锅炉的联箱上，大量采用了该种材料，验证了材料性能的稳定性和安全性。SA－336F91材料的化学成份和机械性能，见表1、表2所示。

表1 材料的主要化学成分 %

表2 材料的主要机械性能指标

5 汽水分离器壁厚的计算和选取原则

汽水分离器处在过冷水—饱和水—饱和蒸汽—过热蒸汽4种介质状态下工作，对设备的承载能力是非常苛刻的考验，设计时必须对各种工况进行全面分析，包括材料使用状态、材料机械性能的变化等等。当分离器内介质为过热蒸汽阶段时，工作温度为570℃，此时筒壁材料处于高温和内压载荷的双重作用下，金属的变形将随时间而不断增加，此时，材料有发生蠕变的可能，因此，汽水分离器的壁厚强度计算，分别采用了常规设计方法和应力分析方法。

（1）常规计算

使用SW6－1999软件，依据ASME核电规范与标准BPVC－Ⅲ核设施部件建造规范第1册NH分卷中的NH－2160，选取许用应力，根据GB150－1998《钢制压力容器》相关强度公式进行计算，同时，按等效原理进行切向斜接管的补强计算；应力分析计算参照JB4732－1995《钢制压力容器－应力分析标准》，采用ANSYS10.0进行建模计算，施加内压力载荷、考虑高温蠕变对设备的影响、施加接管外载荷作用后，接管根部薄膜加弯曲应力的评定、考虑温度载荷产生的局部温差应力；参考BS EN 13445－3：2009Clause 19蠕变设计的许用应力调整，按ASME核电规范与标准BPVC－Ⅲ核设施部件建造规范NC分卷，计算出汽水分离器壁厚，并且考虑汽水分离器承受疲劳、循环交变的承载过程和蠕变的影响。

单从预防蠕变损伤角度考虑，可以通过增加设备壁厚，采用补偿方法降低蠕变损伤程度，即用增加壁厚方法，将蠕变损伤的时间尽量延长，以保证设备的使用寿命；从疲劳损伤角度考虑，设备的壁厚越薄越好，因为在满足内压强度要求的情况下，壁厚较薄时，内、外壁温差所产生的径向温差应力较小，设备的疲劳损伤程度越小，可增强设备抗疲劳能力。这两者是相互牵连和相互制约的，需兼顾考虑后进行设计。

综合上述各种方法计算的结果，考虑到材料的稳定性、汽水分离器设备的特殊性，以及材料受高温蠕变的影响和设备的设计寿命，最终选定汽水分离器的壁厚为175mm。

6 汽水分离器的结构设计

汽水分离器应采用整体锻件进行制造，即筒体采用3节筒型锻件，设备两端采用球型封头锻件，主要接管均与相应筒体或封头采用一体锻制，整体设备只有环向焊接接头，且采用双面焊或单面焊双面成形的全焊透结构。在筒体中、下部接管入口处，采用局部加厚的方法，满足接管和切向接管在局部的承载要求。在介质入口处的筒体部位，堆焊了镍基合金材料，加强该处的抗冲刷能力。

汽水分离器的介质入口为切向接管，并与水平成10°夹角，在设备内，介质进入后形成离心旋转而加速，初步进行汽、水分离；用沉降分离的方法，再次实现了汽、水的进一步分离，使汽水分离器的初始分离干度在70%左右，采用二次分离元件波纹板或百叶窗，将汽水分离器的分离干度提高至85%～90%，并且在蒸汽出口部位装焊了稳流扰动装置，进而使蒸汽平稳进入管道，在疏水出口处设计了防涡流装置，确保疏水能平稳、连续地排出设备。

汽水分离器不仅设有介质入口接管、蒸汽出口接管和疏水出口接管，还设有仪表接管，以实现自动化操作和整体系统的监控，所有接管均采用SA－336材质，以保证设备材料的一致。

7 汽水分离器的设计重点及需考虑的问题

汽水分离器的性能关系到核岛的启、停能否正常进行，故在汽水分离器的设计中，必须充分考虑控制的方法和实现手段。汽水分离器的控制难点是汽、水在相变过程中，如何准确检测设备的压力、温度、蒸汽干度，以及这些测点的安置位置，要考虑汽水分离器进、出接管内介质流动的控制，汽、水两相分离状态时，设备内的液位控制，要考虑汽水分离器内液体全部蒸干与疏水调节阀关闭时间的关系，特别要考虑汽水分离器的控制元件在启、停堆时的适应性，保证相关设备的运行控制协调一致。

8 结 语

在确保汽水分离器的性能和功效情况下，分析了汽水分离器的使用工况，按功能指标要求，查阅了相关文献，经过多次论证，确定了汽水分离器的分离方式；对比多种材料特性和使用条件，考虑了材料蠕变和材料疲劳双重影响，确立了汽水分离器的强度计算的理论依据。通过精细化设计，不仅提高了设计能力，还积累了类似产品的设计和制造经验。

［1］GB150－1998，钢制压力容器［S］.

［2］JB4732－1995.钢制压力容器－应力分析标准［S］.

［3］ASMEⅧ－Ⅰ，压力容器建造规则［M］.北京：中国石化出版社，2007.

［4］宋贵良.锅炉计算手册［M］.辽宁：辽宁科学技术出版社，1999.