徐旭輝

1.中核武漢核電運行技術股份有限公司 湖北武漢 430223

2.核動力運行研究所 湖北武漢 430074

1 概述

飽和蒸汽是一種重要的工業(yè)介質(zhì)，控制蒸汽品質(zhì)是一項重要工藝，汽水分離裝置是控制蒸汽品質(zhì)的重要設備。汽水分離裝置的種類眾多，通常的分離方式及設備存在結構過于簡單、空間利用率較低、適用負荷范圍窄、對水位的控制要求高等問題。由于汽水分離過程分析涉及湍流及兩相傳質(zhì)等復雜理論，先進汽水分離設備的開發(fā)需要經(jīng)過大量的試驗研究及經(jīng)驗積累，開發(fā)難度大，成本很高,一般工業(yè)部門難以支付高昂的研發(fā)及試驗費用。而核電領域由于蒸汽輪機對蒸汽發(fā)生器出口的品質(zhì)要求高（出口濕度低于0.1%），對汽水分離裝置進行了大量的試驗研究，開發(fā)出了高性能的汽水分離裝置。將這些高性能設備應用在其他工業(yè)領域，可以提高蒸汽品質(zhì)，降低設備的腐蝕，提高工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量，創(chuàng)造良好的社會經(jīng)濟效益。本文對核電領域開發(fā)的一種R型汽水分離器的技術特征進行介紹，從結構及性能角度對它在其他工業(yè)領域應用的前景進行探析。

2 R型汽水分離器的技術特征

2.1 結構緊湊

核電目前在用的初級汽水分離器根據(jù)工作原理分為內(nèi)置式葉片和外置空心葉片式兩大類。應用較為廣泛的是內(nèi)置葉片式。內(nèi)置葉片有多種結構型式，如螺旋型、斜平面型等，根據(jù)對阻力和分離效率的特定要求，可以選擇不同的葉片型式。還有一類是外置空心葉片型，這種結構無內(nèi)葉片，對含雜質(zhì)液體的適應性較強，缺點是分離效率稍低于內(nèi)置葉片式結構。

R型汽水分離器屬于內(nèi)置葉片式汽水分離器，采取軸向進汽，不改變主汽流的主運動方向，進口作為內(nèi)構件入口可以不占用設備空間，作為內(nèi)置式汽水分離設備可以在有限空間內(nèi)實現(xiàn)緊湊布置，也可以作為管道式分離裝置布置在蒸汽管路中。

圖1 R型汽水分離器結構示意圖

常見的初級分離器有多孔板和旋風分離器（通常指切向進汽的分離器），部分具有較高空間的設備可采用重力分離方式而不設置其它初級分離元件。多孔板作為初級分離元件一般置于水位以下100-150mm位置，蒸汽從孔板下方穿過小孔，形成氣墊?？装迨椒蛛x的結構簡單，但單位面積負荷較低，常用作臥式蒸汽發(fā)生器等分離面積較大的設備的初級分離元件。旋風分離器比較常見，它一般采用切向進汽的方式，進汽口會占據(jù)一定的空間，作為內(nèi)構件時進汽口會影響設備的總體結構尺寸。旋風分離器的直徑對分離效率的影響較大，一般它的直徑不宜太大，負荷較高時常需要用到多個旋風分離器，對空間的利用率較低。

常用水下孔板、旋風分離器及R型汽水分離器的蒸汽負荷對比如表1。

從表1可以看出R型汽水分離器的單筒負荷是水下孔板及旋風分離器的數(shù)倍以上。

2.2 負荷適應性好、運行穩(wěn)定

R型汽水分離器內(nèi)汽水混合物經(jīng)過內(nèi)置葉片或外置空心葉片后，汽水混合物發(fā)生旋轉，由于存在重度差，大部分的水則被拋向外筒壁。經(jīng)過合理設計的疏水筒后被平穩(wěn)引入到水空間，汽流在中心側經(jīng)由中心筒等構件被導出，而從而實現(xiàn)氣液分離。R型汽水分離器對介質(zhì)壓力、入口速度和入口含水量變化的適應性好，能夠在負荷進行快速大范圍變化時，仍然能夠保持良好的分離效果。在蒸汽壓力為7MPa，循環(huán)倍率為5時，R型汽水分離器的出口濕度隨蒸汽負荷的變化如圖2。由圖2可以看出R型汽水分離器的可承受負荷范圍廣，這對于保障蒸汽系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要意義。

圖2 R型汽水分離器出口濕度隨蒸汽負荷變化情況

而重力式及孔板式在高負荷下分離性能較差，只適用于蒸汽負荷較低的領域。旋風分離器因單個負荷相對較低，入口速度范圍相對較窄：入口速度過低時，氣流旋流動能低，導致分離效果較差；而入口速度高，氣流容易攜帶液膜，大大提高出口濕度。因此在負荷變化較大的情況下，采用R型汽水分離器作為初級分離器可以較好的保障蒸汽品質(zhì)。

2.3 水位適應性好

R型汽水分離器對入口分離筒長度敏感性小，水位大范圍波動對分離效率和阻力的影響很小，水位適應性好。而孔板作為初級分離需要形成穩(wěn)定的氣墊，對水位有較為嚴格的要求。旋風分離器為保證分離效率，分離筒的高度不宜過長。在對水位波動幅度大或水位控制較困難的蒸汽系統(tǒng)中，采用R型汽水分離器是一種較好的選擇。

表1 不同類型分離器的負荷對比

2.4 可附加二級分離裝置

R型汽水分離器可以在出口附加二級分離裝置，二級分離裝置的結構型式有擋流罩、波形板、帶鉤折板式等。這些結構能夠對中心筒汽流中攜帶的水滴進一步分離，降低出口濕度。二級分離裝置結構對分離器總體阻力影響較小，可以顯著提升總體分離效果，可作為蒸汽品質(zhì)相對要求較高的蒸汽系統(tǒng)的一種選擇。

3 R型汽水分離器的應用前景分析

飽和蒸汽是一項重要的工業(yè)介質(zhì)，在燃煤電廠、工業(yè)鍋爐、石油注汽、化工、冶煉、海水淡化、醫(yī)用滅菌等諸多工業(yè)領域會存在飽和蒸汽利用的問題。這些飽和蒸汽通常由加熱水產(chǎn)生，飽和蒸汽中一般攜帶大量的水分，需要由汽水分離裝置進行分離。飽和蒸汽中未分離的水分會溶解鹽分等雜質(zhì)，對下游設備造成腐蝕，應用于工藝生產(chǎn)時容易降低產(chǎn)品質(zhì)量。因此控制蒸汽品質(zhì)是一項重要工藝，而采用R型汽水分離器作為初級分離裝置可以有效控制蒸汽濕度。

燃煤鍋爐的汽包通常會使用旋風分離器作為初級分離器，旋風分離器的單筒允許負荷相對較小，結構尺寸對分離效果的影響較大，單個汽包一般需要布置數(shù)十個的分離筒，影響壓力容器的總體尺寸，均勻性較差，并且經(jīng)常出現(xiàn)分離器脫落而影響蒸汽品質(zhì)的問題[2]。而R型汽水分離器由于單筒允許負荷高，能夠較好的平衡氣流，可以對旋風分離器形成較好的替代作用。

工業(yè)鍋爐由于蒸汽空間較少，較難布置旋風分離器，一般采用重力式分離或水下孔板結構作為初期分離裝置。很多鍋爐的工況變動較大，鍋爐壓力、負荷、水位波動劇烈，蒸汽空間高度小，導致蒸汽攜帶水嚴重。這些蒸汽攜帶水導致過熱器管常因積鹽垢的堵塞發(fā)生爆管事故。采用R型汽水分離器可以穩(wěn)定水位，降低蒸汽的選擇性攜帶，同時可以減少因排污導致的熱量損失。

在其它工業(yè)領域，通常采用比較簡單的分離設備會導致蒸汽品質(zhì)較低，使用R型汽水分離器可以提高分離效率，可以提高整個汽力系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可靠性等。由于R型汽水分離器可以模塊化組裝，采用批量化生產(chǎn)可以降低其制造成本，它的制造費用與旋風分離器相當。

核電汽水分離裝置一般包括汽水分離器與干燥器。如果對工業(yè)蒸汽的品質(zhì)要求高，如蒸汽濕度需要長期保持在0.1%以下，則可以將R型汽水分離器與干燥器元件搭配使用。

4 結語

R型汽水分離器的結構經(jīng)過了優(yōu)化設計和試驗驗證，分離性能好，相比于水下孔板及旋風分離器等其它型式的初級分離裝置，具有結構緊湊、運行穩(wěn)定、水位適應性好等較為明顯的優(yōu)點。這些技術特征使它可以應用于其他飽和蒸汽利用的工業(yè)領域。使用R型汽水分離器作為初級分離裝置有利于保障蒸汽品質(zhì)，能夠提高蒸汽設備的可靠性和蒸汽系統(tǒng)的穩(wěn)定性。