淺談R型汽水分離器的技術(shù)特征及應(yīng)用前景

徐旭輝

1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司 湖北武漢 430223

2.核動(dòng)力運(yùn)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(xiàng)重要工藝，汽水分離裝置是控制蒸汽品質(zhì)的重要設(shè)備。汽水分離裝置的種類眾多，通常的分離方式及設(shè)備存在結(jié)構(gòu)過于簡單、空間利用率較低、適用負(fù)荷范圍窄、對(duì)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(fù)雜理論，先進(jìn)汽水分離設(shè)備的開發(fā)需要經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究及經(jīng)驗(yàn)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(yàn)費(fèi)用。而核電領(lǐng)域由于蒸汽輪機(jī)對(duì)蒸汽發(fā)生器出口的品質(zhì)要求高（出口濕度低于0.1%），對(duì)汽水分離裝置進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，開發(fā)出了高性能的汽水分離裝置。將這些高性能設(shè)備應(yīng)用在其他工業(yè)領(lǐng)域，可以提高蒸汽品質(zhì)，降低設(shè)備的腐蝕，提高工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量，創(chuàng)造良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)核電領(lǐng)域開發(fā)的一種R型汽水分離器的技術(shù)特征進(jìn)行介紹，從結(jié)構(gòu)及性能角度對(duì)它在其他工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的前景進(jìn)行探析。

2 R型汽水分離器的技術(shù)特征

2.1 結(jié)構(gòu)緊湊

核電目前在用的初級(jí)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(yīng)用較為廣泛的是內(nèi)置葉片式。內(nèi)置葉片有多種結(jié)構(gòu)型式，如螺旋型、斜平面型等，根據(jù)對(duì)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(jié)構(gòu)無內(nèi)葉片，對(duì)含雜質(zhì)液體的適應(yīng)性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是分離效率稍低于內(nèi)置葉片式結(jié)構(gòu)。

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(jìn)汽，不改變主汽流的主運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)口作為內(nèi)構(gòu)件入口可以不占用設(shè)備空間，作為內(nèi)置式汽水分離設(shè)備可以在有限空間內(nèi)實(shí)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(jié)構(gòu)示意圖

常見的初級(jí)分離器有多孔板和旋風(fēng)分離器（通常指切向進(jìn)汽的分離器），部分具有較高空間的設(shè)備可采用重力分離方式而不設(shè)置其它初級(jí)分離元件。多孔板作為初級(jí)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(jié)構(gòu)簡單，但單位面積負(fù)荷較低，常用作臥式蒸汽發(fā)生器等分離面積較大的設(shè)備的初級(jí)分離元件。旋風(fēng)分離器比較常見，它一般采用切向進(jìn)汽的方式，進(jìn)汽口會(huì)占據(jù)一定的空間，作為內(nèi)構(gòu)件時(shí)進(jìn)汽口會(huì)影響設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)尺寸。旋風(fēng)分離器的直徑對(duì)分離效率的影響較大，一般它的直徑不宜太大，負(fù)荷較高時(shí)常需要用到多個(gè)旋風(fēng)分離器，對(duì)空間的利用率較低。

常用水下孔板、旋風(fēng)分離器及R型汽水分離器的蒸汽負(fù)荷對(duì)比如表1。

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

2.2 負(fù)荷適應(yīng)性好、運(yùn)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(zhuǎn)，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(shè)計(jì)的疏水筒后被平穩(wěn)引入到水空間，汽流在中心側(cè)經(jīng)由中心筒等構(gòu)件被導(dǎo)出，而從而實(shí)現(xiàn)氣液分離。R型汽水分離器對(duì)介質(zhì)壓力、入口速度和入口含水量變化的適應(yīng)性好，能夠在負(fù)荷進(jìn)行快速大范圍變化時(shí)，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(shí)，R型汽水分離器的出口濕度隨蒸汽負(fù)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(fù)荷范圍廣，這對(duì)于保障蒸汽系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

圖2 R型汽水分離器出口濕度隨蒸汽負(fù)荷變化情況

而重力式及孔板式在高負(fù)荷下分離性能較差，只適用于蒸汽負(fù)荷較低的領(lǐng)域。旋風(fēng)分離器因單個(gè)負(fù)荷相對(duì)較低，入口速度范圍相對(duì)較窄：入口速度過低時(shí)，氣流旋流動(dòng)能低，導(dǎo)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(fù)荷變化較大的情況下，采用R型汽水分離器作為初級(jí)分離器可以較好的保障蒸汽品質(zhì)。

2.3 水位適應(yīng)性好

R型汽水分離器對(duì)入口分離筒長度敏感性小，水位大范圍波動(dòng)對(duì)分離效率和阻力的影響很小，水位適應(yīng)性好。而孔板作為初級(jí)分離需要形成穩(wěn)定的氣墊，對(duì)水位有較為嚴(yán)格的要求。旋風(fēng)分離器為保證分離效率，分離筒的高度不宜過長。在對(duì)水位波動(dòng)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(fù)荷對(duì)比

2.4 可附加二級(jí)分離裝置

R型汽水分離器可以在出口附加二級(jí)分離裝置，二級(jí)分離裝置的結(jié)構(gòu)型式有擋流罩、波形板、帶鉤折板式等。這些結(jié)構(gòu)能夠?qū)χ行耐财髦袛y帶的水滴進(jìn)一步分離，降低出口濕度。二級(jí)分離裝置結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)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(yīng)用前景分析

飽和蒸汽是一項(xiàng)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(lǐng)域會(huì)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(jìn)行分離。飽和蒸汽中未分離的水分會(huì)溶解鹽分等雜質(zhì)，對(duì)下游設(shè)備造成腐蝕，應(yīng)用于工藝生產(chǎn)時(shí)容易降低產(chǎn)品質(zhì)量。因此控制蒸汽品質(zhì)是一項(xiàng)重要工藝，而采用R型汽水分離器作為初級(jí)分離裝置可以有效控制蒸汽濕度。

燃煤鍋爐的汽包通常會(huì)使用旋風(fēng)分離器作為初級(jí)分離器，旋風(fēng)分離器的單筒允許負(fù)荷相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)分離效果的影響較大，單個(gè)汽包一般需要布置數(shù)十個(gè)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(fù)荷高，能夠較好的平衡氣流，可以對(duì)旋風(fēng)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(fēng)分離器，一般采用重力式分離或水下孔板結(jié)構(gòu)作為初期分離裝置。很多鍋爐的工況變動(dòng)較大，鍋爐壓力、負(fù)荷、水位波動(dòng)劇烈，蒸汽空間高度小，導(dǎo)致蒸汽攜帶水嚴(yán)重。這些蒸汽攜帶水導(dǎo)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(shí)可以減少因排污導(dǎo)致的熱量損失。

在其它工業(yè)領(lǐng)域，通常采用比較簡單的分離設(shè)備會(huì)導(dǎo)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(gè)汽力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(fèi)用與旋風(fēng)分離器相當(dāng)。

核電汽水分離裝置一般包括汽水分離器與干燥器。如果對(duì)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(jié)語

R型汽水分離器的結(jié)構(gòu)經(jīng)過了優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，分離性能好，相比于水下孔板及旋風(fēng)分離器等其它型式的初級(jí)分離裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定、水位適應(yīng)性好等較為明顯的優(yōu)點(diǎn)。這些技術(shù)特征使它可以應(yīng)用于其他飽和蒸汽利用的工業(yè)領(lǐng)域。使用R型汽水分離器作為初級(jí)分離裝置有利于保障蒸汽品質(zhì)，能夠提高蒸汽設(shè)備的可靠性和蒸汽系統(tǒng)的穩(wěn)定性。