旋转叶片式可控转速动态汽水分离器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及核电汽轮机的汽水分离领域，特别涉及对核电汽轮机高压缸排出的湿蒸汽进行汽水两相的预分离。
【背景技术】
[0002]对于轻水堆核电站湿蒸汽汽轮机的进口蒸汽即为接近饱和的湿蒸汽，在高压缸内膨胀做功后，高压缸排汽出口的蒸汽湿度高达10%~12%。这种湿度的蒸汽如果不经处理直接进入低压缸膨胀做功，那么低压缸的末级湿蒸汽的湿度将会进一步增加至20%~24%。
[0003]位于高压缸和汽水再热器之间的连通管道，长期处于湿蒸汽条件下运行使得该部分产生了严重的腐蚀/侵蚀问题。实验证明，该管道的腐蚀程度和管道尺寸、管道材料、高压缸排汽工况等因素有关。具体地说，在典型的高压缸排汽条件下(湿度为12%)，设备安装3~5年内，将会产生腐蚀/侵蚀问题，这就要求通过焊接来修复被腐蚀的管壁，此项工作代价很高而且需要很长时间，这就导致了部分机组的非计划停运，造成很大的经济损失。已经发现，核电站大量的壁面腐蚀都是由于金属受到侵蚀的结果，即所谓的“流动协助腐蚀”(FAC)。当高纯度的水膜贴附并在管道表面移动时，FAC类型的腐蚀会发生在管道系统的各个地方。在温度为12(Tl80°C的高压排汽管道中，实验证明，管道内的腐蚀/侵蚀速率与流速成正比，与湿度的0.5次方成正比，即流速越快，水滴越多越大，其腐蚀程度就越高，大量的水滴分解了管道壁面上的保护层，在管道壁面会形成齿痕或是凹槽，这就增加了管道内的沿程阻力损失；被溶解的氧化层跟随气流冲击下游汽轮机叶片，大大增加了叶片的磨损程度，严重影响汽轮机运行的安全性。
[0004]对于高低压缸之间的压力损失，实验证实，管道内的压力损失与蒸汽湿度的平方成正比，与蒸汽流量成正比。对于额定负荷下运行的核电汽轮机，蒸汽流量基本不变，影响管道压降的主要因素即蒸汽湿度，较大的蒸汽湿度所产生的压力损失，在凝汽器压力不变的条件下，进入低压缸的蒸汽压力下降，蒸汽在低压缸内的有效焓降减少，输出功率下降，导致整机出力降低。为了维持稳定出力稳定，就需要增加热耗，计算表明如果压力损失增加1%，那么相应的机组热耗率会提高0.12%。
[0005]较大湿度的蒸汽对于连接管道下游的再热器管束也有很大的影响。由于进入再热器蒸汽的湿蒸汽中所带的液滴大小分布都不均匀，液滴对再热管束进行周期性撞击，使得再热管束产生高周疲劳裂纹。
[0006]对于上述由于蒸汽带水所引起的问题，任意一类问题的产生都需要投入非常多的时间和资金来解决。因此，汽水分离器再热器(MSR)在核电厂安全经济运行中扮演重要角色。作为核电二回路的关键设备，安装位置如图2所示，长期以来，MSR的设计、安装、运行都被广泛关注。到目前为止，MSR的设计已经经过三个发展阶段，其间，两大部件汽水分离器和再热器的设计也在不断优化适应日渐提高的机组功率。这里主要说明分离器的发展阶段。第一代MSR采用不锈钢网筛制成的分离器，由重量轻的格栅作为整体式。循环蒸汽由位于外壳一端的水平直通管道经分流通道由下自上流入网筛，分离后的蒸汽垂直地流过再热器的管束表面。这种设计虽然能够有效地排出水分，但是需要很大的水平布置面积。为了减少占地面积，从而减少厂房布置面积，第二代分离器中，采用了垂直的V型波纹板来代替网筛。如图3所示的波纹板元件，虽然波纹板的分离效率较网筛的低一些，但是临界流速高且分离效率对流速的敏感性降低，故每单位蒸汽分离水分需要的空间相对减少，这个特点使得制造和装运更大功率的核电站所需的MSR成为可能。第三代MSR的也是采用的波纹板式分离，只不过是把两个第二代的共同的进汽部分结合在一起构成。
[0007]但是，目前所采用的波板式分离器也有不足之处。波纹板式分离器作为一种惯性式分离器，水滴由于惯性作用撞在板上而被收集起来，波板式分离器的收集元件是曲折形的波纹板。具体的波纹板分离元件型式如图3所示，来自高压缸下连通管的湿蒸汽进入波纹板的前部通道，由于蒸汽流方向的不断变换和水滴离心力的作用，水滴受离心力的作用移动到至板片表面形成水膜，水膜在重力作用下流入收集槽中，分离后的蒸汽从上部排出进入再热器。GE公司已经对该类型的分离器进行测试，并得出该分离器的分离效率在一定的速度范围内和进口速度的平方成正比。由此可知，该分离器的分离效率随气流速度的增加而增加，这是因为随着进口汽流速度的提高，作用在液滴上的离心力相应地也会增加，产生更强的离心场，有利于液滴偏离主汽流迹线，实现更高效的分离。但是，随着流速的进一步增加，过高的流速很有可能撕破已经在波纹板上形成的水膜形成大小不均的水滴，这些水滴随着高速气流又被再一次带走，即所谓的蒸汽二次携带，二次携带问题的产生会弱化分离效率，导致下游设备的腐蚀/侵蚀，缩短设备的使用寿命。因此，波纹板分离器存在一个临界流速。对于变工况运行的机组，排汽压力、排汽速度的都会变化，而分离效率受临界速度影响，分离效率的提高受到限制。
[0008]为了提高波纹板式分离器的分离效率，许多设计已经在原波纹板中心加装疏水钩以改善水滴二次携带的情况，但是，在疏水钩处的汽流通流截面积会减小，汽流速度增加，进一步增加了该处的摩擦和漩涡损失，增加了整个分离系统的压力损失；通流截面的减小，为维持波纹板分离器的高效分离，波纹板片的数目要求足够多，导致整个分离器具有很大的水平布置面积。
[0009]虽然对波纹板式分离器进行了大量的优化与改造，但是，对于汽轮机变工况的运行特性，高压缸排出的湿蒸汽，其流量、压力、出口速度和干度等参数会随时变化，波纹板分离器是在保证额定参数情况下，分离效率达到最大。对于变工况运行，这种机械式的分离无法满足在变负荷的情况下实现分离效率的最大化。
针对目前所采用的技术方案的不足，本发明所采用的是一种旋转叶片式可控转速动态汽水分离器。如图4所示，安装在高压缸排气管道和再热器之间，对于高压缸排汽中的水分，水滴直径在50 um以上的占20%~30%，这些水滴将会沉积在高压缸的壁面形成水膜。剩余70%~80%水滴其平均直径在10 以内，将会跟随主汽流进入高压缸的下部连通管。如果不对已经积聚在高压缸内壁面的水膜进行收集，这些水膜就会滑落至高压缸喷嘴口与下连通管的结合部，在主汽流的作用下，这些水膜在该处破碎成大小不均的水滴，这些破碎的水滴会再次进入到主汽流中，增强了下游设备的腐蚀程度。简言之，高压排气缸提供了一个分离区，针对上述排汽液滴的分布特点，要进行高效率的汽水分离，就必须对积聚在高压缸排汽管内壁面上的水膜和主汽中所携带的小尺寸水滴都要采取分离措施。
[0010]分离效率和压力损失是旋转叶片式可控转速动态汽水分离器的两个重要的性能参数。分离效率与颗粒大小J、分离筒半径尤、分离筒长度Z以及、叶轮的外径Rt、轮毂半径Rr、叶轮数目&翼型最大厚度J以及叶片安装角Pa等叶
轮参数有关。压力损失的大小与进口蒸汽干度X、容积流量％、叶轮转速〃等因素有关。对于该分离器压力损失主要包括3个部分，包括加速损失、涡流损失和撞击损失。湿蒸汽在分离器的进口，由于流道面积的突然减小，湿蒸汽加速流动，这是一个升速降压的过程。实验表明，升速降压或是减速增压的过程均不可能有100%的转化效率，必然带有一定的能量损失，这种由于流体加速而引起的损失称为加速损失。在湿蒸汽的进口处由于叶轮带动主汽流进行旋转运动，由原来的一维运动转变为三维旋转运动，在分离管道内必然会产生漩涡。蒸汽的旋转作用带动液滴与主流进行着动量交换，液滴的旋转运动是从主流中得到的能量供应，这部分能量用在消耗在涡流和壁面之间以及涡流运动的内部，最终是通过热的形式耗散，即所谓的漩涡损失。进入分离器的湿蒸汽，总有一部分液滴会与叶轮轮毂、叶片、分离筒内壁面发生碰撞。根据动量定理可知，这部分液滴的碰撞，对固体壁面必然产生作用力，由于实际的液滴并非理想的弹性体，碰撞之后发生液滴的破碎和聚合等形式，能量被耗散，这部分损失的能量就是碰撞损失。
[0011 ] 由上述可知，影响分离器的分离效率和压力损失的因素是综合的、交叉的、复杂的。要实现对湿蒸汽的高效分离，在设计分离器时需要对影响分离器效率、压力损失和变负荷条件下分离器的适应性等因素进行综合考虑，能否实现分离效率高、压力损失小以及负荷变化对前两者的影响较小等目标，是衡量分离器性能的重要依据。
【发明内容】
[0012]1.本发明的目的。
[0013]为了解决上述现有技术存在的不足，本发明了提供一种旋转叶片式可控转速动态汽水分离器。
[0014]2.本发明的技术方案。
[0015]本发明的旋转叶片式可控转速动态汽水分离器，包括分离筒部分、旋转分离部分、液滴收集及排水部分和干蒸汽轴流恢复部分: