[科普中国]-汽水分离

汽水分离是指汽水在0度以下时会冻结，并膨胀，出现分离。汽水分离再热器（Moisture SeparatorReheater，MSR）作为核电机组常规岛的重要辅助设备，其性能将直接影响机组的效率和安全运行。汽水分离再热器位于汽轮机高、低压缸中间，用来去除高压缸排汽中的水份，并加热排汽使之过热后进入低压缸。在大多数情况下，汽水分离再热器由汽水分离装置和再热器组成。

简介汽水分离再热器（Moisture SeparatorReheater，MSR）作为核电机组常规岛的重要辅助设备，其性能将直接影响机组的效率和安全运行。汽水分离再热器位于汽轮机高、低压缸中间，用来去除高压缸排汽中的水份，并加热排汽使之过热后进入低压缸。在大多数情况下，汽水分离再热器由汽水分离装置和再热器组成。再热器可以采用一级或两级再热，两级再热的再热器使用主蒸汽作为第一二级加热蒸汽，使用高压缸抽汽作为第二一级加热蒸汽1。

汽水分离再热器的功能和性能指标1.汽水分离再热器的功能

在核电机组中，作为主蒸汽的饱和蒸汽在蒸发器中产生后，先后进入汽轮机高、低压缸内进行膨胀作功。通常从低压缸排出的乏汽湿度在20%以上。若在高、低压缸之间设置汽水分离装置，将高压缸排汽达到饱和状态或接近饱和状态后再送入低压缸做功，这样就可以降低低压缸的排汽湿度，从而减少湿蒸汽对低压叶片的侵蚀。

若将经汽水分离装置除湿后的排汽进一步加热到过热状态后再进入低压缸，则又可以降低低压缸的排汽湿度。通用的做法为两级加热法，即分别利用主蒸汽和高压缸抽汽来加热高压缸排汽。根据以往电站的运行经验来看，单级加热法可提高约2%的机组运行效率，而两级加热法则可以比单级加热法多提高0.5%的机组运行效率。

2.汽水分离再热器的性能指标

评判一个汽水分离再热器设计性能的好坏，主要从以下三个方面进行考核：

1）分离器出口蒸汽的残余湿度；

2）壳侧循环蒸汽的压降；

3）端差（TTD）指管侧加热蒸汽进口饱和温度与壳侧循环蒸汽出口温度的差值。

汽水分离再热器的结构汽水分离再热器是一种具备汽水分离功能的管壳式换热器，主要包括壳体、再热管束（含一级管束和二级管束）和汽水分离装置等组件。主蒸汽和加热蒸汽分别进入汽水分离再热器的壳侧和管侧。

壳侧蒸汽流程：高压缸排汽直接进入汽水分离再热器的壳侧，经过汽水分离装置除湿后分成疏水和蒸汽两部分，疏水经壳体疏水箱进入除氧器，蒸汽则依次流经一级再热管束和二级再热管束，被加热至过热蒸汽后流出汽水分离再热器壳体。

管侧蒸汽流程：一级再热管束管侧的加热蒸汽为高压缸抽汽，冷凝后经低压疏水箱进入6号高加；二级再热管束管侧的加热蒸汽为主蒸汽，冷凝后经高压疏水箱进入7号高加。

汽水分离装置的设计汽水分离装置是一种由多个汽水分离元件连接固定在一起的装置，位于壳体内部的下方，其作用是将汽水分离器分离出来的水和蒸汽分别排放出去，具有分离效率高、蒸汽压降小、结构紧凑的特点。该装置包含上、下部的安装槽、多孔板和汽水分离器等部件。

汽水分离装置的核心元件是汽水分离器，评判其设计性能的好坏，主要由以下三项指标决定：汽水分离的效率、允许蒸汽流过分离器的“临界速度”和蒸汽流过分离器的压降。汽水分离器具有很多种结构形式，当前大多数均采用波纹板式。波纹板式分离器的工作原理是利用湿蒸汽中水滴具有较大质量和惯性的特性来实现汽水分离。当湿蒸汽遇到波纹板后，干蒸汽绕过波纹板继续向前，水滴则由于惯性撞击在波纹板上并聚集下来，落到分离器底部并排出。这样，湿蒸汽在分离器内多次改变流动方向后，可使得大部分水滴凝聚下来，有效降低蒸汽湿度。汽水分离器的蒸汽流量分布设计应使蒸汽均匀地进入分离器，并应使绕过分离组件的旁流量最小。

关于汽水分离器的性能，可通过实验的方法进行验证。实验方法为采用一定干度的空气—水混合物或模拟实际工况的湿蒸汽以不同的流速通过若干片分离板型组成的一个分离模型，通过测算分离模型进出口干度，确定分离效率；通过测定进出口压差，确定其压降。分离器的性能需满足下列要求：对应分离器实际正常运行负荷范围，分离模型进口蒸汽干度不大于86%时，出口蒸汽干度不小于99%且分离模型压降不大于14kPa。

从分离器排出的蒸汽一般仍存在一定的湿度，称之为残余湿度。残余湿度将导致所需的加热蒸汽量增加，或引起再热器出口温度降低，这是分离器设计存在的一个很大问题。因此如何设计一个高效的汽水分离器，是主要研究方向1。

再热管束的设计再热管束位于汽水分离再热器上方，是汽水分离再热器的另一个重要部件。为获得更高的出口蒸汽温度，当前多采用两级再热管束的结构形式—一级再热管束（低压管束）和二级再热管束（高压管束）。再热管束的设计需考虑以下几个方面的问题。

首先，管束的设计要解决换热管传热系数的问题。由于管内两相流换热问题的复杂性，对于其换热性能的研究，最主要的手段还是采用性能实验的方法。对再热器换热管内的换热性能进行实验，实验方法是在不同的蒸汽流速下，将湿蒸汽流过再热器传热管管内，与传热管管外的介质进行热交换，通过测量管内外的参数，确定不同流速条件下管内的换热系数。

其次，再热管束设计时，须尽可能地避免管内出现过冷现象，因为过冷会造成换热效率的下降。所谓过冷，是指换热管内的蒸汽凝结成水柱后继续向管外放热，水柱进一步被冷却成为过冷水。当产生过冷水柱后，将造成管内阻塞并在管内形成水柱段，水柱段之间夹杂着加热蒸汽。过冷水柱的存在对汽水再热分离器的安全运行是一个极大的隐患，会导致换热管与管板的焊缝处产生裂纹。因此在设计再热管束时，应尽量避免过冷水柱的产生。常用的做法是采用管内不完全凝结法，即蒸汽不完全凝结，未凝结蒸汽（也称为扫排汽）将凝结水带出。但是，过高的扫排汽比例会增加机组热耗，设计时应尽量避免这种情况发生。

再热管束通常被设计成四流程的形式，以防止蒸汽在管内全部凝结。再热蒸汽首先进入第一、二流程进行凝结，剩余未凝结蒸汽进入第三、四流程继续凝结。该形式的扫排汽比例仅占总再热蒸汽量的2%左右，这个比例既可有效避免管内过冷现象的发生，又能够保证机组的运行效率，是一个非常合适的扫排汽比例。

最后，由于管束在加热过程中，存在被加热蒸汽的温度差，从而造成膨胀的不均匀，需要注意的是管束膨胀的不均匀对管束寿命影响很大。在以下情况下，管束膨胀的不均匀将会导致MSR的内部故障：

1）在包壳、支撑板和换热管之间不平均的热膨胀是引起初始的两流程再热器故障最常见的原因。这个问题在启动和变载荷时更加严重，并且引起换热管和管板焊缝因膨胀而损坏。管束膨胀会在最外层扭曲的换热管和包壳之间产生明显的流动通道，并造成“冷”蒸汽的旁流，这将增加管侧的阻力和降低管子抗振动的能力。

2）过度冷凝和热力的不稳定性能够造成管束下半部分的热负荷较高。这种现象是显热热交换设备的特征之一，与管子U形弯曲的方向无关。管束下半部分不断增加的热负荷将导致可用的加热蒸汽完全被冷凝，并且因此造成最终疏水管全部被水浸没。如果严重过冷的话，将会引起热力系统不稳定和性能退化，而最严重的情况是由于管子上下两支间存在巨大温差，造成管子扭曲变形。

3）设计允许公差较大时，会造成内部部件的装配间隙偏大，不仅会引起部分蒸汽绕过管束区，降低蒸汽的过热度，而且还会产生热应力和温度分布的不连续性2。

总结综上所述，在核电机组中，汽水分离再热器能够大幅度提高机组的热效率，其出口蒸汽的残余湿度、壳侧循环蒸汽的压降和端差等性能指标更是直接影响机组的出力及运行寿命。汽水分离再热器设计需要考虑的因素很多，特别是分离器和管束的设计，其合理的设计可以使汽水分离再热器正常运行，也保证了汽轮机能够长期安全、高效、稳定地运行1。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学