[科普中国]-扩容蒸发

扩容蒸发也称为闪急蒸馏，是将加热后的水溶液引至一个压力较低的设备中，溶液中的水由于压力的降低而快速汽化，蒸汽便迅速离开溶液的过程。利用这一原理，可以进行海水淡化、污水处理和地热能发电。随着人口的增加和经济的发展，淡水资源的供应日益引起世界各国的关注。随着海水淡化技术的不断发展，扩容蒸发器在海水淡化上的应用技术也逐渐成熟起来。为了提高产量，节省汽耗，一般采用多级扩容蒸发器。

简介5MW低温供热堆是我国自行研究、自行设计和建造的世界上第一座投入运行的一体化壳式核供热堆，通过11年的运行实践表明，该堆具有良好的固有安全性，实现了一体化布置和全流量自然循环。因此，核供热堆非常适合于用作核动力装置。

自从世界上第一艘核动力潜艇于1954年下水以来，核动力装置已经在舰船上得到了广泛的应用。由于核动力装置中核燃料的裂变不需要空气，而且裂变释放出的热量比柴油燃烧释放的热量大，其燃料的消耗量和储存量比常规动力装置要少，续航能力和航速也比常规动力舰船大，对于采用核动力的潜艇，由于能在水下长期潜航，因而其隐蔽性也得到增强。

根据海洋和陆地条件的不同，提出了将核供热堆应用到舰船上，以及所需要的改进，即采用扩容蒸发器代替传统的蒸汽发生器。这样不但能够使供热堆的整个系统得到极大的简化，而且系统的安全性和可靠性也得到了很大的提高1。

舰船核动力的要求(1) 安全性

由于安全可靠性直接关系到整个舰船的安全和舰载人员的生命安全，所以用在舰船上的核动力装置必须首先满足这一要求。

(2) 尺寸要求

体积和重量直接影响了舰船的性能和战斗力，在设计过程中必须考虑减小反应堆的体积，提高屏蔽性能，简化回路系统，改进设备性能和堆舱，以缩小核动力装置的体积，减轻重量。

(3) 对海洋条件的适应性

整个装置应抗摇摆、耐震动、耐冲击。要求艇在横倾、纵倾达40°～50°的条件下能够正常工作。

(4) 机动灵活性

反应堆应能够随时启动、停止和在短时间内大幅度的改变功率。因此核动力装置的控制系统应尽可能简单、灵活和自动化，各项设备必须适应频繁的功率变化，燃料元件、压力壳和回路管道也必须能经受由于温度变化引起的热冲击和热疲劳等。

(5) 噪声要求

舰船上工作人员长期工作在面积狭小的舰船上，因此要求对噪声污染有所控制，若用于军事舰艇，则噪声的降低会提高舰艇的隐蔽性能。由于供热堆采用全流量自然循环，舰船航行时可以不用主泵，因此就减少了一个主要的噪声源，使整个舰船的噪声有了大幅度降低。

由以上要求可见，反应堆采用一体化布置是解决反应堆应用到舰船上的一条重要途径。一体化不但能够使反应堆系统结构紧凑、系统简单，而且也使流程的流动阻力减小，装置的自然循环能力加强。

供热堆技术特点供热堆具有良好的内在安全性，同时，也通过试验验证了该堆所具有的一系列先进的技术特点。

(1) 反应堆实现了一体化布置

5MW供热堆一回路的主要设备，如堆芯、堆内构件、主热交换器和控制棒水力驱动机构等均布置在压力容器内。堆内构件采用吊挂式，堆芯安装在吊篮的底部。自然循环的采用和一体化的结构布置取消了一回路大管道，排除了由于主管道断裂可能导致的大破口失水事故，提高了核供热堆的安全性。

(2) 反应堆实现了全功率自然循环冷却

5MW供热堆由于取消了主循环泵，即使在完全丧失电源的工况下，也能够保证堆芯的循环冷却，提高了堆芯冷却的安全性。

(3) 反应堆具有自稳压的特点

利用蒸汽分压原理，在反应堆压力容器内渗入定量的非凝结气体，可以维持该反应堆运行压力，省去了复杂的外加稳压器系统。多年的运行经验表明，反应堆压力的稳定性很好，而且具有自稳压的运行特性。

(4) 采用了先进的水力驱动步进式控制棒传动系统

5MW供热堆取代了一般压水堆上使用的电磁、机械式传动系统，采用水力驱动的脉冲缸以及专门的脉冲电源式的控制棒传动有以下良好的性能：

a系统传动链短、可靠性高；

b控制棒提升时每4秒只能单棒提升一步，防止了大的反应性引入的可能性；

c失事安全，从根本上排除了失压、失电和系统失水情况下的弹棒可能性；

d系统结构简化了压力壳顶部的传动结构，降低了堆体高度。

核供热堆本身的技术特点，使它有可能被用作舰船核动力装置。一体化的布置方案，不但使动力装置的体积减小，安全可靠性能提高，而且由于取消了主泵，使得系统的噪声大大减小。先进的水力驱动控制棒系统，使动力系统的安全性大大提高。

为了进一步节省舰船空间，简化整个系统，提高舰船的机动性能，考虑用扩容蒸发器取代一般的蒸汽发生器。

扩容蒸发器及其在工业上的应用现状扩容蒸发，也称为闪急蒸馏，是将加热后的水溶液引至一个压力较低的设备中，溶液中的水由于压力的降低而快速汽化，蒸汽便迅速离开溶液的过程。利用这一原理，可以进行海水淡化、污水处理和地热能发电。

随着人口的增加和经济的发展，淡水资源的供应日益引起世界各国的关注。随着海水淡化技术的不断发展，扩容蒸发器在海水淡化上的应用技术也逐渐成熟起来。为了提高产量，节省汽耗，我们一般采用多级扩容蒸发器。

利用扩容蒸发器，不但可以得到淡水，还能从废水中提取有用物质，变废为宝。早在20世纪70年代，镇江市染织厂和上海市针织漂染厂就曾采用扩容蒸发的原理，从废水中回收废碱液，不但减轻了污染，还为国家回收了大量的宝贵资源。

扩容蒸发器在地热发电上的应用技术已相当成熟。采用单级扩容系统的地热发电站流程：来自地热井的高温高压液态水溶液，在扩容器中减压，水由于压力的降低而汽化，产生的蒸汽可用来推动汽轮机发电，剩余的液流排入回灌井中，用于推动汽轮机的蒸汽在流经凝汽器和冷却塔后，变为凝结水排入回灌井中。

采用两级扩容系统的地热发电站流程：它采用从地热井中引出的汽水两相流体来运行。卤水通常以液态被发现存在于地热井内，但是由于在地热井中，液态的卤水在相对较高的压力下闪蒸成为汽水两相混合流体。此混合流体在汽水分离器中经扩容分离出蒸汽，剩余的高压流体在扩容器中再次减压扩容产生蒸汽。这样，就会有两种不同压力的干蒸汽进入汽轮机中，因此，汽轮机组必须设计成双缸或者单缸且具有两个不同压力进汽口的机组。

从热力学角度出发，增加扩容级数是有利的，因为增加扩容级数可以改进地热能的利用系数，但级数的增加同时也使设备的复杂性相应增加，因此扩容级数是有限的。

扩容蒸发器在供热堆上的应用研究反应堆系统二回路上所用的一般的蒸汽发生器，不但非常庞大、笨重，而且非常昂贵。在反应堆运行过程中，蒸汽发生器是最容易出问题的部件。如果把供热堆用作舰船核动力装置，为了简化系统，减小体积，提高系统的安全性和可靠性，考虑在供热堆回路上用扩容蒸发器取代一般的蒸汽发生器。

在通过汽水分离器之后，蒸汽中的水被分离出来，从扩容蒸发器出来的蒸汽成为饱和蒸汽，部分饱和蒸汽进入高压汽轮机组，驱动汽轮机发电，另一部分被用作中间再热器的加热介质。在通过反应堆主热交换器的冷却剂中，一部分进入了扩容蒸发器，其余部分经循环泵加压后重新进入了反应堆主热交换器。

跟采用蒸汽发生器的反应堆回路相比，系统的输出功率有所下降，其主要原因是消除了蒸汽发生器内冷却剂的压降以及冷却剂在蒸汽发生器内流动过程和换热过程的损失。

采用扩容蒸发器的供热堆系统和采用蒸汽发生器的供热堆系统相比，其所占的体积大大减小，初步分析计算表明，采用扩容蒸发器的供热堆系统所占的体积仅为采用蒸汽发生器的供热堆系统的60 % ，扩容蒸发器的总重量仅为蒸汽发生器总重量的65 %。同时由于扩容蒸发器建造简单、运行安全可靠，使得整个装置的总成本大大减小，尤其是将核供热堆用作舰船动力装置时，其优越性将得到充分体现。由于扩容蒸发器的重量和体积都比蒸汽发生器小，并且扩容蒸发器对材料的要求没有蒸汽发生器对材料的要求高，尤其是取消了昂贵的蒸汽发生器换热管束，因此扩容蒸发器的制造费用比蒸汽发生器要小得多。

但是，扩容蒸发器在运行过程中，结垢问题非常突出，同时，在海洋条件下，扩容蒸发器的运行特性会发生变化，这些问题还需要进一步的研究。

总结在反应堆二回路中，高温高压的水在经过节流过程后，变为湿度很高的蒸汽。通过汽水分离器之后，蒸汽中的水分被分离出来，得到的饱和蒸汽用来推动汽轮机发电。

由于采用了扩容蒸发器，取消了庞大复杂的蒸汽发生器，系统的体积和重量大大减小，因此总的建造费用也会大大降低。不但如此，由于扩容蒸发器设计制造简单，运行安全可靠，这对供热堆在船舶上的应用起到了至关重要的作用2。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学