核電廠輔助給水系統(tǒng)除氧器設(shè)計(jì)

董建國(guó)，周　霞，雷勇俠

（西安核設(shè)備有限公司，陜西　西安　710021）

核電廠輔助給水系統(tǒng)除氧器設(shè)計(jì)

董建國(guó)，周霞，雷勇俠

（西安核設(shè)備有限公司，陜西西安710021）

文章介紹了核電廠輔助給水系統(tǒng)除氧器的工作原理和熱力計(jì)算校核要求，并從設(shè)備功能、設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)備制造過(guò)程關(guān)鍵因素控制等方面進(jìn)行了闡述。

輔助給水系統(tǒng)除氧器；工作原理；設(shè)備功能；設(shè)備結(jié)構(gòu)；熱力校核；設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵因素控制

除氧器是核電廠的一項(xiàng)重要輔助設(shè)備，目的是除去給水中的氧等氣體，防止設(shè)備腐蝕，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，對(duì)電廠的安全運(yùn)行起到重要作用。

造成設(shè)備腐蝕最主要的原因是水中含有氧等可溶解的氣體，這些氣體呈游離狀態(tài)，在溫度較高的條件下，可以直接和鋼鐵金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使熱力設(shè)備和管道遭受腐蝕。因此水中溶解有任何氣體，對(duì)于熱力設(shè)備的安全可靠運(yùn)行都是十分不利的，可見(jiàn)防止氧等氣體對(duì)鋼鐵金屬腐蝕是一項(xiàng)重要的措施。由于溶解在水里的氣體主要是氧氣，為了防止給水中含有溶解的氧等氣體使鍋爐內(nèi)發(fā)生化學(xué)腐蝕，就需要對(duì)給水進(jìn)行除氧。

通常除氧方法是熱力除氧法，其主要原理是將水進(jìn)入除氧器后播散成微細(xì)的水柱液滴或微薄的水膜，同時(shí)加熱蒸汽進(jìn)入除氧器后與水直接接觸，將給水加熱到相應(yīng)壓力下的飽和溫度，使氧析出，從而達(dá)到除氧的目的，但此除氧法的過(guò)程較簡(jiǎn)單，除氧后的給水中氧量還是較高的。

1　工作原理

核電廠用輔助給水系統(tǒng)除氧器，利用加熱蒸汽進(jìn)行間接加熱，用熱力除氧法進(jìn)行除氧操作，即加熱蒸汽與給水不混合，其冷凝放出的熱量通過(guò)壁面?zhèn)鹘o給水，使給水加熱到對(duì)應(yīng)的飽和溫度，達(dá)到除去系統(tǒng)中溶解氧氣和其他氣體的目的，以防止熱力設(shè)備的腐蝕和管道遭受腐蝕。除氧器工作工藝如圖1所示。

圖1　除氧器工作工藝簡(jiǎn)圖Fig.1　Deaerator working process

主要思想是：在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的啟動(dòng)和升溫、熱停堆、反應(yīng)堆冷卻到余熱排出系統(tǒng)能投入運(yùn)行的工況下，向輔助給水除氧器的儲(chǔ)水箱提供充足的除氧除鹽水，以供給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)。該除氧器為間壁式熱力除氧器，即加熱蒸汽與給水不混合，其冷凝放出的熱量通過(guò)壁面?zhèn)鹘o給水，使給水加熱到對(duì)應(yīng)壓力的飽和溫度，達(dá)到除氧除氣的目的。除氧器分解為間壁式蒸汽發(fā)生器和混合式熱力除氧器，這樣間壁式蒸汽發(fā)生器用加熱蒸汽作為一次汽，熱量通過(guò)壁面加熱給水，使給水蒸發(fā)，產(chǎn)生二次汽；再用該二次汽作為混合式熱力除氧器的熱源。

2　設(shè)備簡(jiǎn)介

除氧器主要由殼體、噴嘴、加熱管、填料層、排氣管、主進(jìn)水管、主出水管等組成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

輔助給水系統(tǒng)除氧器含有3個(gè)噴嘴，每個(gè)噴嘴的設(shè)計(jì)流量為20 t/h；正常運(yùn)行工況條件下，除氧器出口給水含氧量為0.01 p p m（1 ppm=10-6），除氧因子為800。

在長(zhǎng)期停運(yùn)期間，管束的蒸汽側(cè)，用氮?dú)獯祾?，處于氮?dú)饷芊庵?，以保證有最佳的保養(yǎng)條件。

2.1設(shè)備功能描述

（1）系統(tǒng)功能

核電廠輔助給水系統(tǒng)除氧器系統(tǒng)的主要功能是在下列情況下，向輔助給水系統(tǒng)的貯水箱提供充足的除氧除鹽水，以供給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)。

1）反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的啟動(dòng)和升溫時(shí)。

2）熱停堆時(shí)。

3）把反應(yīng)堆冷卻到余熱排出系統(tǒng)能投入運(yùn)行的工況。

另外，在核電廠啟動(dòng)前，除氧器系統(tǒng)還能對(duì)反應(yīng)堆硼水補(bǔ)給系統(tǒng)的貯水箱進(jìn)行初次充水，以及在電廠運(yùn)行中當(dāng)硼回收系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，向反應(yīng)堆硼水補(bǔ)給系統(tǒng)的貯水箱補(bǔ)充除氧除鹽水。

（2）安全功能

當(dāng)反應(yīng)堆熱停堆超過(guò)2 h后，輔助給水箱的正常貯水量不能滿足要求時(shí)，必須由除氧器系統(tǒng)向輔助給水箱補(bǔ)水。

（3）設(shè)備功能

核電廠輔助給水系統(tǒng)除氧器用于處理pH為9的SER系統(tǒng)除鹽水，供ASG水箱補(bǔ)水。需要時(shí)也可處理輔助給水箱本身的水，以及用于加熱輔助給水箱的水。另外，除氧器還可用于處理pH為7的SED水，以供REA系統(tǒng)之用。主要采用熱力除氧法，除去系統(tǒng)中溶解的氧氣和其他氣體，以防止熱力設(shè)備的腐蝕和對(duì)傳熱的影響。

2.2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1）除氧器本體由上下橢圓封頭、圓形筒體、錐形段、管箱、支撐件、人孔等焊接件組成，外部設(shè)有真空計(jì)算所需的外加強(qiáng)環(huán)、支腿和保溫支撐。

2）凝結(jié)水進(jìn)水室是由鋼板與筒身內(nèi)壁焊接形成，水室上方引出三根接管分別連接3個(gè)20 t/h的彈簧噴嘴。

圖2　輔助給水系統(tǒng)除氧器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2　Structure of the auxiliary feedwater deaerator system

3）除氧器頂部設(shè)有啟動(dòng)排氣管和運(yùn)行排氣管以排出氧氣和不凝結(jié)氣體。

4）噴嘴將凝結(jié)水噴入噴霧除氧空間，與加熱產(chǎn)生的蒸汽充分接觸換熱，進(jìn)行第一階段的除氧。噴霧除氧空間設(shè)有人孔門以便檢修人員出入除氧器進(jìn)行維護(hù)檢修。

5）經(jīng)過(guò)噴霧除氧空間的凝結(jié)水噴淋到淋水盤和柵盤，淋水盤由圓形開(kāi)孔不銹鋼鋼板制成，柵盤由15層條形不銹鋼鋼板交錯(cuò)組成。水在此被均勻分布，增加滯留時(shí)間和加熱面積，將凝結(jié)水加熱到工作壓力下的飽和溫度，此階段為深度除氧段，凝結(jié)水與加熱蒸汽親密接觸，不斷再沸騰，將水中殘余氧和不凝結(jié)氣體釋放出來(lái)。最終將達(dá)到含氧量為0.01 ppm的要求。

6）除氧器下部布置有U形管束，管束固定在支撐架上，并有隔板支撐。正常運(yùn)行時(shí)管束浸沒(méi)在凝結(jié)水中，加熱蒸汽通過(guò)管束對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行間接式加熱，以產(chǎn)生除氧用的加熱蒸汽。

7）管束通過(guò)管箱組件與除氧器殼體焊接，通過(guò)方形法蘭結(jié)構(gòu)與方形管板、球形汽室相連。加熱蒸汽從管束上部進(jìn)入，從下部凝結(jié)成水排出，汽室中有隔板，并設(shè)有上下腔排氣管。

8）除氧器底部設(shè)有出水管與系統(tǒng)管道相連，用以排出處理好的給水，出水口處裝有防渦流裝置。

9）除氧器上部筒體設(shè)有4個(gè)起吊用的吊耳，下部筒體設(shè)有4個(gè)鋼支架用于支撐整個(gè)除氧器，鋼支架支撐在廠房?jī)?nèi)的基礎(chǔ)上。

3　熱力計(jì)算校核

根據(jù)除氧器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件，將除氧器的熱力計(jì)算分成預(yù)熱、噴霧加熱、深度除氧、再熱蒸發(fā)4個(gè)階段。

預(yù)熱階段：進(jìn)行熱力交換過(guò)程，對(duì)進(jìn)來(lái)的水進(jìn)行加熱，使之達(dá)到80 ℃；

噴霧加熱階段：將80 ℃的水加熱到105 ℃的飽和狀態(tài)；

深度除氧階段：將105 ℃的飽和水與蒸汽充分接觸，依靠傳質(zhì)除氧；

再熱蒸發(fā)階段：依靠換熱器將水加熱成蒸汽。

計(jì)算中的物性數(shù)據(jù)采用自行編寫的水物性計(jì)算程序，符合國(guó)際水和水蒸氣學(xué)會(huì)工業(yè)計(jì)算公式（IAPWS-97 公式）。除氧器熱力計(jì)算主要通過(guò)噴霧加熱、深度除氧、再熱蒸發(fā)、液位、排氣、閥前0.45 MPa蒸汽、保溫層7個(gè)方面進(jìn)行了校核。

通過(guò)對(duì)除氧器熱力計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，表明該除氧器的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)滿足運(yùn)行條件，并能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成給水除氧功能。

4　除氧器的設(shè)計(jì)

4.1除氧器零部件設(shè)計(jì)

（1）彈簧噴嘴

彈簧噴嘴安裝在設(shè)備內(nèi)靠近上封頭的位置。其主要由閥體、閥桿、彈簧及端蓋組成。

彈簧噴嘴工作過(guò)程是：從進(jìn)水口通入帶壓水，在水壓的作用下，對(duì)與閥桿連接的下部金屬擋環(huán)產(chǎn)生壓力，壓力通過(guò)與之連接的閥桿傳遞到上部與閥桿連接的彈簧上，用彈簧的彈力來(lái)調(diào)節(jié)金屬噴頭擋環(huán)與金屬接頭間在不同水壓時(shí)的開(kāi)啟度，達(dá)到控制彈簧噴嘴的流量目的。彈簧噴嘴工藝要求如下：a.噴嘴在噴嘴內(nèi)外壓差不大于0.1 MPa時(shí)，其為關(guān)閉狀態(tài)，在壓差大于0.1 MPa時(shí)，噴嘴開(kāi)始工作；b.噴嘴正常工作時(shí)，效率為20 t/h；c.在正常工作時(shí)，噴嘴端蓋的行程為10 mm。通過(guò)對(duì)閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、對(duì)彈簧最大和最小彈力限制和端蓋上設(shè)置軟密封等措施，使彈簧噴嘴滿足了上述要求。為驗(yàn)證噴嘴的性能，專門編制了《彈簧噴嘴頭試驗(yàn)大綱》，按大綱要求對(duì)其進(jìn)行通水試驗(yàn)，驗(yàn)證組裝后噴嘴的工藝性能。

（2）管板

因管板為矩形，對(duì)其厚度的計(jì)算方法有好多種。目前國(guó)內(nèi)對(duì)矩形計(jì)算方法通常采用GB150.3—2011附錄A中（非圓形截面容器）所推薦的方法計(jì)算，計(jì)算時(shí)首先假設(shè)管板厚度，然后按規(guī)定進(jìn)行校核，直到滿足要求為止，此種方法不但繁瑣、數(shù)值不精確，而且沒(méi)考慮管板的開(kāi)孔削弱和管子對(duì)管板的加強(qiáng)作用。而采用西德《AD壓力容器規(guī)范》中關(guān)于換熱器的矩形管板的計(jì)算方法相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，該方法考慮了開(kāi)孔對(duì)管板的削弱，未考慮管子對(duì)管板的加強(qiáng)支撐作用，但管板的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于按國(guó)標(biāo)GB150.3—2011附錄A對(duì)矩形管板計(jì)算結(jié)果。因按《AD壓力容器規(guī)范》計(jì)算時(shí)未考慮管子對(duì)管板的加強(qiáng)支撐作用，管板厚度仍有一定的裕量，所以本設(shè)計(jì)中管板的計(jì)算采用按《AD壓力容器規(guī)范》方法計(jì)算的結(jié)果。

（3）矩形錐管法蘭

錐管是由內(nèi)下半管和上半錐管組成，其截面為矩形特殊結(jié)構(gòu)，上面和水平面有一定的夾角。

該錐管的力學(xué)模型與GB150.3—2011附錄A中（非圓形截面容器）中標(biāo)準(zhǔn)模型差別很大，用附錄A中提供的計(jì)算方法是無(wú)法直接對(duì)其計(jì)算的。我們?cè)O(shè)計(jì)將錐管的力學(xué)模型按大端和小端簡(jiǎn)化成兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，分別對(duì)其計(jì)算，確定出各自的厚度，最終按兩者中厚度厚的作為錐管的設(shè)計(jì)厚度。

矩形錐管法蘭部件中錐管與法蘭的焊縫位置、錐管自身組焊的焊縫位置、各零件焊接坡口形式也是本部件設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，決定著矩形錐管法蘭部件的制造工藝和焊接工藝，從而決定了本部件的制造質(zhì)量。

（4）矩形錐管與殼體間的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

常規(guī)設(shè)計(jì)中無(wú)此計(jì)算方法，本設(shè)計(jì)采用等效法，將矩形的錐管按截面的最大對(duì)角線等效成圓管，再采用常規(guī)的圓形接管與筒體的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)法對(duì)其計(jì)算，并給予一定的強(qiáng)度余量使其滿足開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的要求。

通過(guò)已運(yùn)行數(shù)年除氧器證明，采用《AD壓力容器規(guī)范》確定的管板、矩形錐管模型及錐管與殼體間的開(kāi)孔等等效模型的設(shè)計(jì)結(jié)果是安全可靠的，設(shè)計(jì)方法得以驗(yàn)證。所以以上設(shè)計(jì)方法對(duì)同類設(shè)備的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

4.2核電廠輔助給水系統(tǒng)除氧器應(yīng)力分析的意義

除氧器是核電廠的一項(xiàng)重要輔助設(shè)備，對(duì)核電廠的安全運(yùn)行起到重要的作用。如何保證設(shè)備的運(yùn)行安全可靠性，強(qiáng)度計(jì)算是首要的因素。所以建議在以后該項(xiàng)目的研發(fā)中，對(duì)矩形法蘭、矩形管板、矩形開(kāi)孔局部進(jìn)行應(yīng)力分析設(shè)計(jì)，以求更準(zhǔn)確地反映這些部件的應(yīng)力分布及變化情況，使得本設(shè)備的設(shè)計(jì)更準(zhǔn)確、更經(jīng)濟(jì)。

5　除氧器的制造

（1）殼體

除氧器設(shè)備內(nèi)裝有由厚度為2 mm薄板焊制而成的多層且徑向?yàn)槎啻虪畹闹鶢罡駯?，柱狀格柵與殼體的間隙僅為2 mm。因?yàn)橹鶢罡駯排c設(shè)備裝配時(shí)要求需保證前述間隙，這就對(duì)殼體的橢圓度有嚴(yán)格的要求，但殼體壁厚薄，其上焊制有多個(gè)接管，尤其在裝格柵的筒體附件焊有人孔。在焊接時(shí)，若無(wú)可靠的工藝，則會(huì)使人孔附件的筒體塌陷，會(huì)使格柵裝入設(shè)備時(shí)造成格柵刺狀板條的損壞，減少格柵的換熱面積，從而影響到格柵的換熱效果。通過(guò)采用在設(shè)備內(nèi)增加焊接支撐、改進(jìn)人孔與筒體間的坡口形式、控制焊接輸入電流和焊接速度等方法，可減少人孔焊接時(shí)筒體的塌陷量，可保證筒體的圓度及柱狀格柵的裝配要求。

（2）矩形錐管平焊法蘭部件

矩形錐管平焊法蘭部件位于除氧器下部筒體上，管束通過(guò)它與設(shè)備內(nèi)部相連，其上的法蘭與管束的管板間要求是密封的，而且截面為矩形的管束與錐管法蘭內(nèi)表面的間隙很小。這樣就要求矩形錐管法蘭部件的內(nèi)徑和法蘭密封面焊接后需達(dá)到設(shè)計(jì)要求，才能保證管束與矩形錐管法蘭間的裝配要求。錐管法蘭由上半錐管、矩形法蘭、密封襯環(huán)、上部半管、外下部半管、內(nèi)下半管組成。錐管法蘭部件除法蘭和密封襯環(huán)外，其余各件均由較厚的不銹鋼板壓制而成。因本部件由多個(gè)零件拼焊而成，其間的焊縫多，加之法蘭與錐管材料不同，若在制造過(guò)程無(wú)合理制造工藝，將會(huì)使法蘭和錐管均發(fā)生變形，達(dá)不到管束的裝配要求。本次制造根據(jù)該部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用調(diào)整各零件的組焊順序、焊接順序、焊接參數(shù)及制造過(guò)程、增加焊接支撐等方法和措施有效的預(yù)防和控制了矩形法蘭焊接變形。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)公司設(shè)計(jì)并制造成功的一臺(tái)除氧器為例，從該設(shè)備的功能（含系統(tǒng)功能、安全功能及設(shè)備功能）描述出發(fā)，結(jié)合其工作原理、設(shè)備熱力計(jì)算、設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造特點(diǎn)，對(duì)除氧器進(jìn)行了較為詳細(xì)、系統(tǒng)的說(shuō)明。現(xiàn)該設(shè)備已成功運(yùn)行，達(dá)到其預(yù)定功能及目標(biāo)，本設(shè)備的成功經(jīng)驗(yàn)為類似設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造提供了可借鑒的思路和方法。

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Introduction to Deaerator in Auxiliary Water Supply System of Nuclear Power Plant

DONG Jian-guo，ZHOU Xia，LEI Yong-xia
（Xian Neclear Equipment Co.，Ltd.，Xian of Shanxi Prov. 710021，China）

The paper introduces the operation theory and thermal calculation and verification requirements for the deaerator in the auxiliary water supply system of nuclear power plant. In addition， it describes the key factors in terms of function，structure， design and fabrication of equipment.

deaerator in auxiliary water supply system；operation theory； function of equipment；structure of equipment；thermal verification；key controlling factors in design and fabrication

TL37Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）01-0024-05

TL37

A

1674-1617（2015）01-0024-05

2014-11-10

董建國(guó)（1975—），男，陜西洛南人，工程師，從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。