用于测试汽水分离再热器波形板组件分离性能的试验系统的制作方法

本发明属于试验系统技术领域，尤其涉及用于测试汽水分离再热器波形板组件分离性能的试验系统。

背景技术：

汽水分离再热器(moistureseparatorreheater，简称msr)，是具有汽水分离和再热功能的大型管壳式换热器，是压水堆核电机组常规岛的特有大型设备。msr布置在汽轮机高压缸和低压缸之间，有两个主要功能：一是降低蒸汽湿度，利用下部汽水分离波形板组件使高压缸排出蒸汽去除约98％的水份，避免湿度过高引起汽轮机叶片侵蚀、叶片震动等安全隐患；二是进行蒸汽再热，将除湿之后的循环蒸汽加热至具有70～80℃过热度从而使机组热效率提高2.2％～2.5％。

据统计，在当今世界上所有核电站中，所有非计划停机的原因中几乎30％是因为msr出现故障而造成的。因此，msr的良好运行是核电机组安全性与经济性的重要保障。目前，国内已投入使用的msr均为国外公司制造，国内没有自主设计产品，也缺乏基础性研究。msr国产化的重点之一是开发具有自主知识产权的核心元件——波形板，其主要性能指标是分离效率、分离压降、临界汽速。随着msr国产化进程的推进，相关科研人员对波形板分离元件开展了一定的研究工作，但研究方法多集中于动态仿真、冷态试验和数值模拟。由于在研究过程中对运行条件进行了大量简化处理，得出的试验数据不能很好地反应实际运行时的情况。另外，在进行热态试验中，通常利用蒸汽发生器汽水分离试验系统为波形板提供入口条件，这种试验方式工况响应度差，试验成本高，且无法模拟汽水分离再热器进口液粒径分布，不能灵活覆盖更多的波形板入口工况，试验结果说服性差。

综上所述，目前国内外没有专门用于评价msr波形板组件热态分离性能的试验系统，这严重制约了msr国产化的研发进程。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的是提供用于测试汽水分离再热器波形板组件分离性能的试验系统，可以有效检测出波形板组件的分离性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

用于测试汽水分离再热器波形板组件分离性能的试验系统，包括：

波形板组件；

汽雾混合管，所述汽雾混合管的出口连接所述波形板组件的进口；

蒸汽组件，用于产生蒸汽，所述蒸汽组件连接所述汽雾混合管且用于向其内提供所述蒸汽；

喷雾组件，用于产生雾滴，所述喷雾组件连接所述汽雾混合管且用于向其内提供所述雾滴；

第一流量计，设于所述喷雾组件，用于计量进入所述汽雾混合管的水的流量；

第二流量计，设于所述波形板组件的排水口；

其中，所述蒸汽和所述雾滴在所述汽雾混合管中混合为汽雾两相流，然后经所述波形板组件分离为所述水和所述蒸汽，根据所述第二流量计与所述第一流量计的流量比值得到所述波形板组件的分离效率。

根据本发明一实施例，包括压力容器，所述波形板组件和所述汽雾混合管均设于所述压力容器内，所述蒸汽组件包括：

储水箱；

注水管路，连接所述储水箱和所述压力容器的注水口，且所述注水管路设有注水泵和注水阀；

加热装置，设于所述压力容器内，用于加热水以产生所述蒸汽；

蒸汽循环管路，所述蒸汽循环管路连接所述压力容器的出汽口和所述汽雾混合管的进汽口，所述蒸汽循环管路设有蒸汽压缩机；

第一温度传感器，设于所述压力容器内，用于监测所述压力容器内的水的温度；

第一压力传感器，设于所述压力容器内，用于监测所述蒸汽压力；

其中，通过所述注水管路向所述压力容器内注水，并通过所述加热装置加热所述水使之蒸发成所述蒸汽；

当所述第一温度传感器和所述第一压力传感器的数值达到试验要求时打开所述蒸汽压缩机，所述蒸汽经所述压力容器的出汽口进入所述蒸汽循环管路，然后进入所述汽雾混合管与所述雾滴混合后进入所述波形板组件，所述波形板组件分离出来的所述蒸汽经其出汽口和所述压力容器的出汽口进入所述蒸汽循环管路循环。

根据本发明一实施例，连接所述蒸汽压缩机的出汽口的所述蒸汽循环管路上设有给汽调节阀和给汽流量计，通过所述给汽调节阀调节所述蒸汽的流量至所述波形板组件的分离极限，再通过所述给汽流量计测得所述波形板组件的分离临界汽速。

根据本发明一实施例，所述喷雾组件包括：

循环泵，所述循环泵的进水口连接所述压力容器的注水口；

回水管路，所述回水管路连接所述波形板组件的排水口和所述循环泵的进水口，所述第二流量计设于所述回水管路；

雾化管路，所述雾化管路一端连接所述循环泵的出水口，所述第一流量计设于所述雾化管路；

至少一个雾化喷头，所述雾化喷头设于所述汽雾混合管内且连接所述雾化管路。

其中，工作时首先通过所述循环泵反向抽取所述压力容器内的所述水，所述水雾化后进入所述汽雾混合管，再经所述波形板组件分离后进入所述回水管路循环。

根据本发明一实施例，包括两个设于所述汽雾混合管内且沿其径向设置的环形管路，所述环形管路连接所述雾化管路，所述环形管路上设有若干所述雾化喷头。

根据本发明一实施例，所述雾化喷头朝向所述汽雾混合管的出口设置，且所述雾化喷头向所述汽雾混合管的轴线倾斜且与其轴线向呈30度夹角。

根据本发明一实施例，所述雾化管路设有给水调节阀，通过调节所述给水调节阀和所述给汽调节阀以调节所述汽雾两相流的汽雾比。

根据本发明一实施例，包括连接所述压力容器的出汽口和所述储水箱的卸压管路，且所述卸压管路设有卸压阀和换热器，通过所述换热器将所述蒸汽液化，通过所述卸压管路以降低所述压力容器内的压力。

根据本发明一实施例，包括连接所述注水泵出水口和所述蒸汽压缩机出汽口的防过热管路，且所述防过热管路设有过热调节阀和第三流量计，连接所述蒸汽循环管路出汽口的所述蒸汽循环管路上设有给汽温度传感器，当所述给汽温度传感器检测到所述蒸汽过热时打开所述过热调节阀，通入所述水以降低所述蒸汽的温度。

根据本发明一实施例，包括第二压差传感器，设于所述波形板组件的进口和出汽口之间，用于检测所述波形板组件的分离压降。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明实施例中设置蒸汽组件和喷雾组件以分别产生蒸汽和雾滴，再同时通入汽雾混合管内以实现蒸汽和雾滴混合为汽雾两相流，以模拟汽轮机高压缸出来的湿度大的蒸汽，再把汽雾两相流通入波形板组件进行分离，通过第一流量计计量进入汽雾混合管的水的流量和第二流量计计量经波形板组件分离出来的水的流量，第二流量计与第一流量计的流量比值即为波形板组件的分离效率。

(2)本发明实施例中设置有压力容器和蒸汽组件，蒸汽组件包括储水箱、注水管路、加热装置、蒸汽循环管路、第一温度传感器、第一压力传感器，实现了蒸汽的供应，且通过蒸汽循环管路实现的蒸汽的闭式循环，使蒸汽和水可以循环利用，省去了需要补水的步骤，更加高效。

(3)本发明实施例中通过给汽调节阀和给汽流量计可以测得波形板组件的分离临界汽速。

(4)本发明实施例中雾化管路设有给水调节阀，通过调节给水调节阀和给汽调节阀以调节汽雾两相流的汽雾比，以满足模拟不同高压缸蒸汽的汽雾比，实现了对波形板组件不同试验要求的测试。

(5)本发明实施例中设置卸压管路，当蒸汽循环管路中蒸汽压力过大时，打开卸压阀使压力容器内的蒸汽进入卸压管路，以使蒸汽不再进入蒸汽循环管路，减轻其压力，然后经换热器将蒸汽液化后进入储水箱，使这部分蒸汽也得到循环利用。

(6)本发明实施例中设置防过热管路，当给汽温度传感器检测到蒸汽过热时打开过热调节阀，通入水以降低蒸汽的温度防止其过热，以使其始终满足试验要求。

(7)本发明实施例中蒸汽压缩机的进汽口和出汽口之间设有第二压差传感器，实现了对所述波形板组件分离压降的测试。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本发明的用于测试汽水分离再热器波形板组件分离性能的试验系统整体示意图；

图2为本发明的用于测试汽水分离再热器波形板组件分离性能的试验系统环形管路及雾化喷头局部放大图；

图3为本发明的用于测试汽水分离再热器波形板组件分离性能的试验系统环形管路及雾化喷头径向剖视图；

图4为本发明的用于测试汽水分离再热器波形板组件分离性能的试验系统环形管路及雾化喷头轴向剖视图。

附图标记说明：

1：波形板组件；2：汽雾混合管；3：第一流量计；4：第二流量计；5：压力容器；6：储水箱；7：注水管路；8：注水泵；9：注水阀；10：加热装置；11：蒸汽循环管路；12：蒸汽压缩机；13：第一温度传感器；14：第一压力传感器；15：给汽调节阀；16：给汽流量计；17：循环泵；18：回水管路；19：雾化管路；20：雾化喷头；21：环形管路；22：给水调节阀；23：管道伴热套；24：氮气稳压罐；25：第一调节阀；26：蒸汽缓冲干燥器；27：第一压差传感器；28：液位计；29：第二温度传感器；30：第二压力传感器；31：第二调节阀；32：卸压管路；33：换热器；34：卸压阀；35：防过热管路；36：过热调节阀；37：第三流量计；38：给汽温度传感器；39：第二压差传感器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参看图1至4，本发明的核心是提供一种汽水分离再热器波形板组件1分离性能试验系统，包括波形板组件1、汽雾混合管2、蒸汽组件、喷雾组件、第一流量计3和第二流量计4，通过蒸汽组件和喷雾组件分别产生蒸汽和雾滴，再同时通入汽雾混合管2内将蒸汽和雾滴混合为汽雾两相流，以模拟汽轮机高压缸出来的湿度大的蒸汽，再把汽雾两相流通入波形板组件1进行分离使重新成为蒸汽和水，且蒸汽和水分别从波形板组件1的出汽口和排水口排出，通过第一流量计3计量进入汽雾混合管2的水的流量，第二流量计4计量经波形板组件1分离从其排水口出来的水的流量，第二流量计4与第一流量计3的流量比值即为波形板组件1的分离效率。

波形板组件1为汽水分离再热器的核心部件，其具有进口、排水口和出汽口，波形板组件1的排水口和出汽口分别用于排出分离出来的水和蒸汽。第二流量计4设于波形板组件1的排水口，用于监测经波形板组件1分离出来的水的流量。

汽雾混合管2为一管道，其具有出口和进汽口，汽雾混合管2的出口连接波形板组件1的进口。

还包括一压力容器5，汽雾混合管2和波形板组件1均设于一压力容器5中，且波形板组件1设于压力容器5内顶部位置，压力容器5为能承受一定气压的容器，压力容器5顶部具有一出汽口。

蒸汽组件用于产生蒸汽，蒸汽组件连接汽雾混合管2且用于向其内提供蒸汽。

具体的，蒸汽组件包括储水箱6、注水管路7、加热装置10、蒸汽循环管路11、第一温度传感器13和第一压力传感器14。实现了蒸汽的供应，且通过蒸汽循环管路11实现的蒸汽的循环，使蒸汽和水可以循环利用，省去了需要补水的步骤，更加高效。

储水箱6为一储水容器，注水管路7连接储水箱6的出水口和压力容器5的注水口，注水管路7设有注水泵8和注水阀9。且注水泵8的进水口和出水口之间设有第二调节阀31，用于调节注水管路7注入压力容器5的水的流量。且注水阀9为和第二调节阀31均为电动阀。

加热装置10设于压力容器5内的底部，用于加热水，本实施例中加热装置10为加热棒，设于压力容器5的底部，用于加热蒸发由注水管路7注入压力容器5中的水，使之产生试验用蒸汽。

蒸汽循环管路11连接压力容器5顶部的出汽口和汽雾混合管2底部的进汽口，蒸汽循环管路11从压力容器5的出汽口至汽雾混合管2的进汽口依次设有蒸汽缓冲干燥器26、蒸汽压缩机12、给汽流量计16、给汽调节阀15、给汽温度传感器38，蒸汽压缩机12的进汽口和出汽口之间设有第一压差传感器27。且给汽调节阀15为电动阀。

蒸汽缓冲干燥器26用于缓冲和干燥进入蒸汽压缩机12的蒸汽以对其进行保护，因为带有湿度的蒸汽会对蒸汽压缩机12造成损坏；蒸汽压缩机12用于压缩提高蒸汽的压力，且也用于给蒸汽循环提供动力；给汽流量计16用于计量进入汽雾混合管2的蒸汽的流量；给汽调节阀15用于调节进入汽雾混合管2的蒸汽的流量；给汽温度传感器38用于监测进入汽雾混合管2的蒸汽的温度；第一压差传感器27用于实时监测蒸汽压缩机12蒸汽的压力。

第一温度传感器13设于压力容器5内底部，用于监测压力容器5内的水的温度；第一压力传感器14设于压力容器5内底部，用于监测通过加热装置10加热水产生的蒸汽的压力。

为向汽雾混合管2提供试验用洁净蒸汽，首先通过注水管路7向压力容器5内注水，然通过加热装置10加热水使之蒸发成蒸汽，当第一温度传感器13和第一压力传感器14的数值达到试验要求时打开蒸汽压缩机12，蒸汽经压力容器5的出汽口进入蒸汽循环管路11，然后进入汽雾混合管2与雾滴混合后进入波形板组件1，波形板组件1分离出来的蒸汽经其出汽口进入压力容器5内，再经过压力容器5的出汽口重新进入蒸汽循环管路11循环利用，以此连续向汽雾混合管2内提供试验用蒸汽。

喷雾组件用于产生雾滴，喷雾组件连接汽雾混合管2且用于向其内提供雾滴。

具体的，喷雾组件包括循环泵17、回水管路18、雾化管路19和至少一个雾化喷头20。本实施例中循环泵17为高压柱塞泵。

循环泵17连接压力容器5的注水口，回水管路18连接波形板组件1的排水口和循环泵17的进水口，第二流量计4设于回水管路18上。工作时首先通过循环泵17反向抽取压力容器5内的水，获得一定量的初始工作水，水依次进入雾化管路19、雾化喷头20，雾化后进入汽雾混合管2，再经波形板组件1分离进入回水管路18循环，也就是说通过循环泵17泵取经波形板组件1分离出来的水，使水可以循环利用，无需长期抽取压力容器5内的水，且压力容器5内的水的液面一开始被循环泵17抽取至液面位于压力容器5注水口之下时，循环泵17抽不到水也就不在抽取压力容器5内的水，因此在一开始向压力容器5内注水时，水高于压力容器5注水口部分的水量即为初始雾化水循环需要的量。

雾化管路19的一端连接循环泵17的出水口、另一端连接设于汽雾混合管2内的雾化喷头20，通过雾化喷头20将水变成雾滴，且雾化喷头20设于汽雾混合管2出口偏下位置。雾化管路19从循环泵17至雾化喷头20依次设有氮气稳压罐24、管道伴热套23、给水调节阀22、第一流量计3，且给水调节阀22为电动阀。

氮气稳压罐24用以稳定给水的流量，以使第一流量计3测得的流量更加准确，使得测得的分离效率更加准确；管道伴热套23设于雾化管路19的外壁面，用以补偿雾化给水温度，以满足试验要求。第一流量计3用于计量进入汽雾混合管2的水的流量。

给水调节阀22用于调节进入汽雾混合管2的水的流量，也就是说调节雾滴的量，且通过同时调节给水调节阀22和给汽调节阀15可以调节汽雾混合管2内的汽雾两相流的汽雾比，模拟不同高压缸蒸汽的汽雾比，以满足不同工况的试验要求。

本实施例中，回水管路18和注水管路7有一部分重合，即部分回水管路18和部分注水管路7共用一段管路，向压力容器5内注水时先打开注水阀9和注水泵8，关闭循环泵17和给水调节阀22，使共用的管路成为注水管路7的一部分，注水完成后关闭注水阀9、打开循环泵17和给水调节阀22，使共用的管路成为回水管路18的一部分，此时循环泵17的进水口也就与压力容器5的注水口连通了。这样可以节省管路。

经蒸汽循环管路11进入汽雾混合管2的蒸汽和经雾化管路19进入汽雾混合管2的雾滴在汽雾混合管2中混合为汽雾两相流，该汽雾两相流即为人工模拟出来的高压缸的湿蒸汽。然后该汽雾两相流经波形板组件1分离重新成为水和蒸汽，第一流量计3记录的数值即为该汽雾两相流中水的量，第二流量计4的数值即为波形板组件1对汽雾两相流分离出来的水的量，第二流量计4与第一流量计3的流量比值即为波形板组件1的分离效率。

保持雾化调节阀的通水量不变，即保持第一流量计3示数不变，通过给汽调节阀15缓慢增加进入汽雾混合管2的蒸汽，也就是说缓慢增加进入波形板组件1的蒸汽的量，待蒸汽的流量至波形板组件1的分离极限时，波形板组件1的分离效率会突然下降，此时给汽流量计16的示数即为此工况下的波形板组件1的分离临界汽速。

波形板组件1的分离压降可以由设于波形板组件1的进口和出汽口之间的第二压差传感器39测得，且第二压差传感器39通过引压管连接波形板组件1的进口和出汽口。

进一步的，参看图2至4，包括两个设于汽雾混合管2内且沿其径向设置的环形管路21，两个环形管路21上下设置，且通过安装支架连接于汽雾混合管2的内壁，上下两个环形管路21分别连接于雾化管路19，且环形管路21上设有若干雾化喷头20，雾化喷头20周向均布在上下环形管路21上。

雾化喷头20朝向汽雾混合管2的出口设置，且雾化喷头20向汽雾混合管2的轴线倾斜且与其轴线向呈30度夹角，也就是说雾化喷嘴的喷射锥角为80度。下层雾化喷嘴环管和上层雾化喷嘴环管的雾化喷嘴错位布置。本实施例中两个雾化喷嘴数量均为28个。

进一步的，回水管路18和雾化管路19之间设有第一调节阀25，实现对雾化管路19中水的流量调节。本实施例中第一调节阀25一端连接于回水管路18和注水管路7的共用管路上，且第一调节阀25为电动阀。

进一步的，压力容器5内底部设有液位计28，用于实时监测水的液位，防止水位过低导致加热棒干烧。压力容器5内的顶部设有第二温度传感器29和第二压力传感器30，用以实时监测顶部的蒸汽温度和压力，防止蒸汽温度或压力过高带来危害。

进一步的，包括连接压力容器5的出汽口和储水箱6的卸压管路32，且卸压管路32设有卸压阀34和换热器33，且卸压阀34为电动调节阀，通过换热器33将蒸汽液化，蒸汽液化后进入储水容器的进水口。当压力容器5或蒸汽循环管路11中蒸汽压力过大时，即通过第二温度传感器29和第二压力传感器30检测到温度和压力过高时，打开卸压阀34使压力容器5内的蒸汽进入卸压管路32，以降低压力容器5内的压力，也使蒸汽不再进入蒸汽循环管路11，减轻其压力，然后经换热器33将蒸汽液化后进入储水箱6，使这部分蒸汽也得到循环利用。

进一步的，包括连接注水泵8出水口和蒸汽压缩机12出汽口的防过热管路35，且防过热管路35设有过热调节阀36和第三流量计37，且过热调节阀36为电动阀，连接蒸汽循环管路11出汽口的蒸汽循环管路11上设有给汽温度传感器38，当给汽温度传感器38检测到蒸汽过热时打开过热调节阀36，通入水以降低蒸汽的温度。当给汽温度传感器38检测到蒸汽过热时打开过热调节阀36，通入水以降低蒸汽的温度防止其过热，使进入汽雾混合管2的蒸汽始终为饱和蒸汽，以使其始终满足试验要求。因为若过热蒸汽进入汽雾混合管2，过热蒸汽会吸收一部分雾滴，造成形成的气雾两相流中的雾滴减少，使波形板组件1分离出来的水量减小，造成分离效率实验结果的不准确。

下面对本发明工作过程作进一步说明：

首先向压力容器5内注水，打开注水泵8和注水阀9，关闭循环泵17和给水调节阀22，水通过注水管路7注入压力容器5内，直至使液位淹没加热装置10，并保证液位高于加热装置10上方一米的位置。然后关闭注水阀9和卸压阀34，打开加热装置10运行加热，并同时运行循环泵17和给水调节阀22，循环泵17先抽取压力容器5内经加热的水以获得初始水循环量，也起到预热试验系统的目的。水依次进入雾化管路19、雾化喷头20，经雾化喷头20雾化后进入汽雾混合管2，以此提供雾化水，再经波形板组件1分离进入回水管路18循环。

在加热装置10持续加热水使其蒸发成蒸汽的过程中，通过第一温度传感器13和第二温度传感器29实时监测水温和压力容器5内的压力，当压力达到试验要求时，打开给汽调节阀15，运行蒸汽压缩机12，蒸汽从压力容器5上部的出汽口进入蒸汽循环管路11，经蒸汽压缩机12压缩从汽雾混合管2的进汽口进入汽雾混合管2。

汽雾混合管2中的蒸汽和雾化水混合为汽雾两相流，然后进入波形板组件1进行分离，分离出来的水经回水管路18循环，分离出来的蒸汽经蒸汽循环管路11循环。

在以上的基础上使整个试验系统稳定运行20分钟后，开始记录试验数据：

1.波形板组件1分离效率

分离效率＝第二流量计4示数/第一流量计3示数×100％

2.波形板组件1的分离临界汽速

保持雾化调节阀的通水量不变，即保持第一流量计3示数不变，通过给汽调节阀15缓慢增加进入汽雾混合管2的蒸汽，待蒸汽的流量至波形板组件1的分离极限时，波形板组件1的分离效率会突然下降，记录此时给汽流量计16的示数，则此工况下的波形板组件1的分离临界汽速为：

分离临界汽速＝给汽流量计16示数/波形板组件1流道截面积。

3.波形板组件1的分离压差

第二压差传感器39的数值即为波形板组件1的分离压差。

综上，本发明整个试验过程完全在闭路循环进行，实现蒸汽和水的循环利用，且试验操作简捷安全，是对汽水分离再热器波形板组件1进行研发试验的理想试验系统，有益效果是：

(1)本发明的试验系统通过雾化喷嘴可产生雾化粒径为20～80微米的饱和水雾，具有完全覆盖核电厂汽水分离再热器进口蒸汽中携带水的粒径分布范围的试验能力。

(2)本发明的试验系统采用电加热装置10提供热源实现蒸汽闭式循环，具有能耗小、蒸汽流量大、运行成本低、试验效率高、系统运行参数易调控的优势和特点。

(3)本发明的试验系统功能拓展性强，汽水分离元件更换灵活，可为核电、化工、天然气等领域的汽水分离元件进行汽水分离热态性能试验，并能够提供汽液比例不同的高温高压汽水混合物，满足不同试验参数要求。

(4)本发明的试验系统试验工况响应度高，下游管路参数调节完，下游试验装置可迅速达到试验工况，极大提高试验运行效率。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。