張福君,國(guó)金蓮
(哈爾濱鍋爐廠(chǎng)有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150046)
某核電廠(chǎng)的啟、停堆的系統(tǒng)中,汽水分離器是該系統(tǒng)的主要設(shè)備。汽水分離器的工作介質(zhì)將經(jīng)歷過(guò)冷水、飽和水、汽水兩相、飽和蒸汽、過(guò)熱蒸汽五個(gè)階段,汽水分離器的工作壓力從5MPa逐漸升壓到13.9MPa,同時(shí),工質(zhì)有相變的過(guò)程存在,由最初的105℃升溫到設(shè)備的工作溫度570℃。要求核島啟、停堆時(shí),投運(yùn)的設(shè)備必須安全可靠。在核電廠(chǎng)正常運(yùn)行時(shí),啟、停堆的設(shè)備必須隨時(shí)處在備用狀態(tài),確保核島停堆時(shí)能夠及時(shí)地投入運(yùn)行。因此,汽水分離器設(shè)備必須具備儲(chǔ)水、汽水分離、系統(tǒng)穩(wěn)壓、蒸汽通道四項(xiàng)基本功能。綜上所述,設(shè)計(jì)汽水分離器時(shí),必須保證設(shè)備的性能穩(wěn)定、功能可靠、運(yùn)行安全,并且應(yīng)充分考慮汽水分離器的分離功效,要求在高溫高壓及各種變工況條件下穩(wěn)定運(yùn)行。
綜合這些因素,汽水分離器設(shè)備的設(shè)計(jì)難度較大。首先,在強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可循可依,更沒(méi)有可以參考和借鑒的相關(guān)方案,雖然有類(lèi)似的設(shè)備為例,但可供參考的數(shù)據(jù)有限;其次,在材料疲勞和蠕變的雙重影響下,目前仍無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和資料可借鑒。在個(gè)別標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)材料的蠕變有相關(guān)論述,包括材料的蠕變時(shí)間和蠕變溫度的界定,但均從單一載荷作用和特定使用條件下進(jìn)行的分析和論證,沒(méi)有給出深層次和廣泛意義的論證和描述,所以,確定該設(shè)備參數(shù)是非常困難的,設(shè)計(jì)時(shí),必須全面分析各種介質(zhì)工況條件,結(jié)合設(shè)備的功效,重新進(jìn)行全方位的論證。
核電啟、停堆系統(tǒng)中的汽水分離器,不同于以往核電廠(chǎng)中的汽水分離器?,F(xiàn)設(shè)計(jì)中的汽、水分離功效僅是其中主要性能之一,還要有儲(chǔ)水、系統(tǒng)穩(wěn)壓、防止蒸汽發(fā)生器過(guò)度膨脹等性能,而且對(duì)汽、水分離的干度要求較高。汽水分離的原理有離心式分離、沉降分離、吸附捕獲擾動(dòng)分離這3種基本方法。
(1)旋轉(zhuǎn)離心式分離
圖1 汽水分離器簡(jiǎn)圖
介質(zhì)通過(guò)切向斜管進(jìn)入汽水分離器內(nèi),具體結(jié)構(gòu)形式,見(jiàn)圖1所示。當(dāng)汽、水兩相介質(zhì)沿設(shè)備內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)流動(dòng),因汽、水2種介質(zhì)密度不同,致使蒸汽向心匯聚進(jìn)而向上流動(dòng),水沿設(shè)備內(nèi)壁向下流動(dòng)。汽、水混合物進(jìn)入設(shè)備時(shí),即要有足夠的能量保證離心流動(dòng),又要防止汽水混合物對(duì)設(shè)備內(nèi)壁的沖蝕。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),介質(zhì)入口為水時(shí),流速設(shè)計(jì)為0.9m/s,全部為飽和蒸汽時(shí),設(shè)計(jì)流速為27m/s;此流速可以保證汽、水兩相流體在設(shè)備內(nèi)離心旋轉(zhuǎn)三圈,對(duì)設(shè)備內(nèi)壁不會(huì)引起沖蝕損傷。
(2)沉降分離
根據(jù)力的平衡原理,控制蒸汽向上流動(dòng)速度,使蒸汽流動(dòng)產(chǎn)生對(duì)液滴的上浮力小于液滴的重力。通過(guò)控制設(shè)備內(nèi)蒸汽向上的流動(dòng)速度,保證大液滴自由順暢地向下運(yùn)動(dòng),同時(shí),向上流動(dòng)的蒸汽也使較小液滴快速向上運(yùn)動(dòng),因液滴在設(shè)備內(nèi)分布的不均勻和液滴大小的不同,促使小液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生互相碰撞溶合,在水的張力作用下形成大液滴,當(dāng)液滴的重力大于上浮力,液滴自動(dòng)地向下流動(dòng),保證汽、水的進(jìn)一步分離,該汽水分離器內(nèi)分離液滴的最大直徑為1mm,稍大的液滴將被自動(dòng)地分離,并向下流動(dòng)。
(3)吸附捕獲分離
當(dāng)蒸汽攜帶的較小液滴,碰撞到吸附面而自動(dòng)聚集下落實(shí)現(xiàn)分離。這是采用了立式百葉窗分離器和波形板分離器等二次元件,使蒸汽的運(yùn)行方向發(fā)生改變,而液滴在改變流動(dòng)方向時(shí),將在板面上聚集成大液滴,并通過(guò)導(dǎo)流管流入下層的水空間。通過(guò)這3種分離原理,保證分離器蒸汽出口處蒸汽干度的品質(zhì)要求。
根據(jù)核島啟、停堆時(shí)工況的特殊要求,汽水分離器既要在高溫高壓的工況下工作,有時(shí)還工作在低溫高壓下,工況的變化較大。在低壓高溫的過(guò)熱蒸汽條件下,汽水分離器內(nèi)向上流動(dòng)的蒸汽截面速度必須小于1.5m/s,根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,可知當(dāng)截面流速超過(guò)此數(shù)值時(shí),蒸汽將攜帶大量直徑較大的液滴,快速流過(guò)分離器的沉降區(qū)域,將嚴(yán)重影響汽、水的沉降分離功能,極大地降低了汽水分離器出口處蒸汽的干度品質(zhì)。應(yīng)使百葉窗或波紋板免受沖蝕損壞,如果二次分離元件被損傷,汽、水將無(wú)法被充分分離,也會(huì)影響整套設(shè)備運(yùn)行的安全性。根據(jù)汽水分離器的截面流速的要求,將流速控制在1.5m/s安全范圍內(nèi),故設(shè)備內(nèi)徑選取為1150mm。
根據(jù)等焓擴(kuò)容的原理計(jì)算汽水分離器的容積,進(jìn)入汽水分離器的介質(zhì)是過(guò)冷水-飽和水-汽、水兩相-飽和蒸汽-過(guò)熱蒸汽,分離功能區(qū)段內(nèi)是飽和水與飽和蒸汽之間的介質(zhì),根據(jù)各工況條件下的介質(zhì)干度,分別計(jì)算汽水分離器的容積,設(shè)備容積必須滿(mǎn)足氣體空間和液體空間兩者的容積之和。根據(jù)最大介質(zhì)流量38kg/s,計(jì)算各種工況下的氣體容積和水容積,汽水分離器的最小容積應(yīng)滿(mǎn)足上述各工況條件所計(jì)算的容積之和,其次考慮蒸汽在設(shè)備內(nèi)的行程,以保證蒸汽的上升高度,滿(mǎn)足沉降分離所需的高度要求,要考慮當(dāng)蒸汽發(fā)生器發(fā)生膨脹時(shí),汽水分離器能接收蒸汽發(fā)生器發(fā)生膨脹時(shí)壓出的大量水量,此時(shí),汽水分離器內(nèi)的飽和水量迅速增多。最終選定汽水分離器的空間容積為8.0m3。
因汽水分離器的工作壓力為13.9MPa,在570℃的高溫高壓工況下,汽水分離器的筒體需采用耐高溫、耐高壓的材料,同時(shí)要具有耐沖刷和耐沖蝕性能,重點(diǎn)考慮材料發(fā)生高溫蠕變時(shí),對(duì)材料機(jī)械性能的影響。綜合各種因素,汽水分離器筒體、封頭和各接管的材料選用了ASME標(biāo)準(zhǔn)體系的SA-336F91整體鍛件,此種材料廣泛應(yīng)用于高溫、高壓的工況條件下,特別在超臨界鍋爐和超超臨界鍋爐的聯(lián)箱上,大量采用了該種材料,驗(yàn)證了材料性能的穩(wěn)定性和安全性。SA-336F91材料的化學(xué)成份和機(jī)械性能,見(jiàn)表1、表2所示。
表1 材料的主要化學(xué)成分 %
表2 材料的主要機(jī)械性能指標(biāo)
汽水分離器處在過(guò)冷水—飽和水—飽和蒸汽—過(guò)熱蒸汽4種介質(zhì)狀態(tài)下工作,對(duì)設(shè)備的承載能力是非常苛刻的考驗(yàn),設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)各種工況進(jìn)行全面分析,包括材料使用狀態(tài)、材料機(jī)械性能的變化等等。當(dāng)分離器內(nèi)介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽階段時(shí),工作溫度為570℃,此時(shí)筒壁材料處于高溫和內(nèi)壓載荷的雙重作用下,金屬的變形將隨時(shí)間而不斷增加,此時(shí),材料有發(fā)生蠕變的可能,因此,汽水分離器的壁厚強(qiáng)度計(jì)算,分別采用了常規(guī)設(shè)計(jì)方法和應(yīng)力分析方法。
(1)常規(guī)計(jì)算
使用SW6-1999軟件,依據(jù)ASME核電規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)BPVC-Ⅲ核設(shè)施部件建造規(guī)范第1冊(cè)NH分卷中的NH-2160,選取許用應(yīng)力,根據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》相關(guān)強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算,同時(shí),按等效原理進(jìn)行切向斜接管的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算;應(yīng)力分析計(jì)算參照J(rèn)B4732-1995《鋼制壓力容器-應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)》,采用ANSYS10.0進(jìn)行建模計(jì)算,施加內(nèi)壓力載荷、考慮高溫蠕變對(duì)設(shè)備的影響、施加接管外載荷作用后,接管根部薄膜加彎曲應(yīng)力的評(píng)定、考慮溫度載荷產(chǎn)生的局部溫差應(yīng)力;參考BS EN 13445-3:2009Clause 19蠕變?cè)O(shè)計(jì)的許用應(yīng)力調(diào)整,按ASME核電規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)BPVC-Ⅲ核設(shè)施部件建造規(guī)范NC分卷,計(jì)算出汽水分離器壁厚,并且考慮汽水分離器承受疲勞、循環(huán)交變的承載過(guò)程和蠕變的影響。
單從預(yù)防蠕變損傷角度考慮,可以通過(guò)增加設(shè)備壁厚,采用補(bǔ)償方法降低蠕變損傷程度,即用增加壁厚方法,將蠕變損傷的時(shí)間盡量延長(zhǎng),以保證設(shè)備的使用壽命;從疲勞損傷角度考慮,設(shè)備的壁厚越薄越好,因?yàn)樵跐M(mǎn)足內(nèi)壓強(qiáng)度要求的情況下,壁厚較薄時(shí),內(nèi)、外壁溫差所產(chǎn)生的徑向溫差應(yīng)力較小,設(shè)備的疲勞損傷程度越小,可增強(qiáng)設(shè)備抗疲勞能力。這兩者是相互牽連和相互制約的,需兼顧考慮后進(jìn)行設(shè)計(jì)。
綜合上述各種方法計(jì)算的結(jié)果,考慮到材料的穩(wěn)定性、汽水分離器設(shè)備的特殊性,以及材料受高溫蠕變的影響和設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命,最終選定汽水分離器的壁厚為175mm。
汽水分離器應(yīng)采用整體鍛件進(jìn)行制造,即筒體采用3節(jié)筒型鍛件,設(shè)備兩端采用球型封頭鍛件,主要接管均與相應(yīng)筒體或封頭采用一體鍛制,整體設(shè)備只有環(huán)向焊接接頭,且采用雙面焊或單面焊雙面成形的全焊透結(jié)構(gòu)。在筒體中、下部接管入口處,采用局部加厚的方法,滿(mǎn)足接管和切向接管在局部的承載要求。在介質(zhì)入口處的筒體部位,堆焊了鎳基合金材料,加強(qiáng)該處的抗沖刷能力。
汽水分離器的介質(zhì)入口為切向接管,并與水平成10°夾角,在設(shè)備內(nèi),介質(zhì)進(jìn)入后形成離心旋轉(zhuǎn)而加速,初步進(jìn)行汽、水分離;用沉降分離的方法,再次實(shí)現(xiàn)了汽、水的進(jìn)一步分離,使汽水分離器的初始分離干度在70%左右,采用二次分離元件波紋板或百葉窗,將汽水分離器的分離干度提高至85%~90%,并且在蒸汽出口部位裝焊了穩(wěn)流擾動(dòng)裝置,進(jìn)而使蒸汽平穩(wěn)進(jìn)入管道,在疏水出口處設(shè)計(jì)了防渦流裝置,確保疏水能平穩(wěn)、連續(xù)地排出設(shè)備。
汽水分離器不僅設(shè)有介質(zhì)入口接管、蒸汽出口接管和疏水出口接管,還設(shè)有儀表接管,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作和整體系統(tǒng)的監(jiān)控,所有接管均采用SA-336材質(zhì),以保證設(shè)備材料的一致。
汽水分離器的性能關(guān)系到核島的啟、停能否正常進(jìn)行,故在汽水分離器的設(shè)計(jì)中,必須充分考慮控制的方法和實(shí)現(xiàn)手段。汽水分離器的控制難點(diǎn)是汽、水在相變過(guò)程中,如何準(zhǔn)確檢測(cè)設(shè)備的壓力、溫度、蒸汽干度,以及這些測(cè)點(diǎn)的安置位置,要考慮汽水分離器進(jìn)、出接管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)的控制,汽、水兩相分離狀態(tài)時(shí),設(shè)備內(nèi)的液位控制,要考慮汽水分離器內(nèi)液體全部蒸干與疏水調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)間的關(guān)系,特別要考慮汽水分離器的控制元件在啟、停堆時(shí)的適應(yīng)性,保證相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行控制協(xié)調(diào)一致。
在確保汽水分離器的性能和功效情況下,分析了汽水分離器的使用工況,按功能指標(biāo)要求,查閱了相關(guān)文獻(xiàn),經(jīng)過(guò)多次論證,確定了汽水分離器的分離方式;對(duì)比多種材料特性和使用條件,考慮了材料蠕變和材料疲勞雙重影響,確立了汽水分離器的強(qiáng)度計(jì)算的理論依據(jù)。通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì),不僅提高了設(shè)計(jì)能力,還積累了類(lèi)似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)。
[1]GB150-1998,鋼制壓力容器[S].
[2]JB4732-1995.鋼制壓力容器-應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)[S].
[3]ASMEⅧ-Ⅰ,壓力容器建造規(guī)則[M].北京:中國(guó)石化出版社,2007.
[4]宋貴良.鍋爐計(jì)算手冊(cè)[M].遼寧:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1999.