汽水分离器及蒸汽发生器模拟体

摘要

本发明公开了一种汽水分离器，由下锥段（1）、上升筒下段（2）、上锥段（3）和上升筒上段（4）构成，下锥段（1）和上锥段（3）为下宽上窄结构，下锥段（1）的上端与上升筒下段（2）的下端连接，上升筒下段（2）的上端与上锥段（3）的下端连接，上锥段（3）的上端与上升筒上段（4）的下端连接。本发明还公开了一种蒸汽发生器模拟体。本发明的优点在于，在满足试验要求的情况下，取消了旋叶片和干燥器，结构简单，成本低。

权利要求

1.汽水分离器，其特征在于：由下锥段（1）、上升筒下段（2）、上锥段（3）和上升筒上段（4）构成，下锥段（1）和上锥段（3）为下宽上窄结构，下锥段（1）的上端与上升筒下段（2）的下端连接，上升筒下段（2）的上端与上锥段（3）的下端连接，上锥段（3）的上端与上升筒上段（4）的下端连接。

2.根据权利要求1所述的汽水分离器，其特征在于：所述下锥段（1）锥面与底面的夹角A（11）为45°。

3.根据权利要求1或2所述的汽水分离器，其特征在于：所述上锥段（3）锥面与底面的夹角B（12）为45°。

4.蒸汽发生器模拟体，其特征在于：包括权利要求1~3中任意一项所述的汽水分离器，还包括换热器（7）和筒体（9），换热器（7）设置于筒体（9）中，所述汽水分离器设置于筒体（9）中并位于换热器（7）上方，所述下锥段（1）外表面的最底部与筒体（9）的内表面连接，所述上升筒上段（4）的上端与筒体（9）的上端之间存在分离空间（5）。

5.根据权利要求4所述的蒸汽发生器模拟体，其特征在于：还包括下降通道（6），所述下降通道（6）的一端与所述筒体（9）中位于所述下锥段（1）与所述筒体（9）连接位置上方的内部空间连通，下降通道（6）的另一端与所述筒体（9）中位于所述下锥段（1）与所述筒体（9）连接位置下方的内部空间连通。

6.根据权利要求5所述的蒸汽发生器模拟体，其特征在于：还包括设置于所述筒体（9）上的进水口（8）。

7.根据权利要求4~6中任意一项所述的蒸汽发生器模拟体，其特征在于：还包括设置于所述筒体（9）顶部的蒸汽出口（10）。

说明书

汽水分离器及蒸汽发生器模拟体

技术领域

[0001] 本发明专利涉及核工业、火力发电和石油化工领域，具体涉及一种汽水分离器及蒸汽发生器模拟体。

背景技术

[0002] 目前，压水反应堆采用的立式自然循环蒸汽发生器主要包括两级汽水分离器。汽水混合物离开传热管束后经上升段首先进入第一级汽水分离器（旋叶式分离器），除掉大部分水分，然后进入第二级汽水分离器（人字型板式干燥器）进一步除湿。

[0003] 汽水分离器是自然循环蒸汽发生器的重要部件。汽水分离器主要影响蒸汽品质，对汽轮机安全经济的运行有极其重要的作用。汽水分离器的结构和工作特性也直接关系到自然循环蒸汽发生器的尺寸。因此，在蒸汽发生器研发过程和反应堆系统实验研究中，设计一满足要求的汽水分离器就显得尤其必要。

[0004] 目前立式自然循环蒸汽发生器和工业锅炉常用的汽水分离结构多为旋叶式分离器和板式干燥器组合结构，利用旋叶式分离器除掉大部分水分，利用板式干燥器进一步除湿。部分对蒸汽品质要求不高的锅炉采用蜗行分离器结构。俄罗斯卧室蒸汽发生器直接采用干燥器作为汽水分离器。在韩国开发的以先进大型压水堆APR1400为模拟对象的ATLAS实验装置中，其汽水分离器结构为进口处设置旋叶片，并在上升筒壁面上开疏水孔。

[0005] ACP1000为我国研发的第三代核电技术。在其设计和安全评审过程中，涉及ACP1000二次侧非能动余热排出实验，以验证ACP1000反应堆全厂断电、同时辅助给水气动泵失效事故工况下，二次侧非能动余热排出系统的运行能力和特性以及蒸汽发生器内部自然循环能力。与正常运行工况不同，二次侧非能动余热排出系统启动后，蒸汽发生器功率均在3.5%额定功率水平下，在这么低的功率水平下，汽水混合物介质流速较低（小于4m/s），如何设计一汽水分离器，以有效地实现对低流速汽水混合物的有效分离是是当前亟待解决的问题。

[0006] 发明人经过研究发现，旋叶式分离器含有叶片和板式干燥器多采用波纹板结构，二者都有较大的阻力系数，介质流过时造成较大的压降损失。而ACP1000二次侧非能动余热排出实验的要求对蒸汽发生器内部自然循环能力和二次侧非能动余热排出系统的运行能力进行研究，因此，蒸汽发生器模拟体的总阻力系数和二次侧非能动蒸汽水自然循环回路总阻力系数均应小于原型相应系统的总阻力系数，以便留出阻力调节空间。在设计过程中，经过预算，如果采用旋叶式分离器和板式干燥器将不能满足该要求。因此，采用旋叶式分离器和板式干燥器组合结构是不可取的，需要依据ACP1000二次侧非能动余热排出实验的工况参数、实验目的，设计一简单、实用，能够满足要求的汽水分离器。

发明内容

[0007] 本发明的目的即在于，克服现有汽水分离器结构复杂，阻力系数大，造成介质流过时压降损失大，无法满足ACP1000二次侧非能动余热排出实验的要求的不足，提供一种符合ACP1000二次侧非能动余热排出实验的要求、阻力系数小、结构简单的汽水分离器，同时该汽水分离器还能够应用于其它汽水混合物介质流速较低（小于4m/s）的设备或装置中。

[0008] 本发明的目的通过以下技术方案实现：

[0009] 汽水分离器，由下锥段、上升筒下段、上锥段和上升筒上段构成，下锥段和上锥段为下宽上窄结构，下锥段的上端与上升筒下段的下端连接，上升筒下段的上端与上锥段的下端连接，上锥段的上端与上升筒上段的下端连接。

[0010] 发明人经过研究发现，ACP1000二次侧非能动余热排出实验的要求对蒸汽发生器内部自然循环能力和二次侧非能动余热排出系统的运行能力进行研究，因此，蒸汽发生器模拟体的总阻力系数和二次侧非能动蒸汽-水自然循环回路总阻力系数均应小于原型相应系统的总阻力系数，以便留出阻力调节空间。在设计过程中，经过预算，如果采用旋叶式分离器和板式干燥器将不能满足该要求。因此，采用旋叶式分离器和板式干燥器组合结构是不可取的。

[0011] 发明人经研究还发现，由于ACP1000二次侧非能动余热排出系统在运行时蒸汽流量和流速都较低，不设置旋叶片的汽水分离器模拟结构也完全能够实现蒸汽和水的有效分离。同样的，由于蒸汽流量和流速都较低，在汽水混合物上升流出汽水分离器后，在重力的作用下，也能实现蒸汽和水的最后分离，完全没有必要设置干燥器。

[0012] 综上，本发明专利即是在完全满足实验要求的情况下提供了一种不同于背景技术中记载的一种汽水分离器，结构更加简单，阻力系数更小、成本更低。

[0013] 在本发明中，下锥段用于将汽水混合物引入上升筒下段，上锥段用于将汽水混合物引入上升筒上段。汽水混合物在上升过程中即可完成蒸汽和水的分离。在剩余的汽水混合物流出上升筒上段后，在重力的作用下，即可完成蒸汽和水的最后分离。水在重力的作用下回落。

[0014] 作为本发明的第一种优化方案，为了降低下锥段引入汽水混合物时产生的阻力，所述下锥段的锥面与底面的夹角A优选为45°。

[0015] 作为本发明的第一种优化方案，为了降低上锥段引入汽水混合物时产生的阻力，所述上锥段的锥面与底面的夹角B优选为45°。

[0016] 本发明还公开了一种蒸汽发生器模拟体，该蒸汽发生器模拟体利用了上述的汽水分离器，以克服现有的蒸汽发生器模拟体结构复杂，成本高的不足。

[0017] 蒸汽发生器模拟体，包括汽水分离器，还包括换热器和筒体，换热器设置于筒体中，所述汽水分离器设置于筒体中并位于换热器上方，所述下锥段外表面的最底部与筒体的内表面连接，所述上升筒上段的上端与筒体的上端之间存在分离空间。换热器用于将水转化为汽水混合物。汽水混合物从换热器上方溢出，进入汽水分离模拟装置，在汽水分离模拟装置中完成蒸汽与水的分离。在剩余的汽水混合物上升流出汽水分离模拟装置后，进入分离空间，在重力的作用下，水向下回流，干燥的蒸汽继续向上流出筒体，完成蒸汽和水的最后分离。本发明结构简单，成本低。

[0018] 作为本发明的第一种优化方案，还包括下降通道，所述下降通道的一端与所述筒体中位于所述下锥段与所述筒体连接位置上方的内部空间连通，下降通道的另一端与所述筒体中位于所述下锥段与所述筒体连接位置下方的内部空间连通。在分离空间中向下回流的部分水会通过汽水分离器流回筒体底部。在分离空间中向下回流的另一部分水汇集在筒体与汽水分离器之间的空间中，然后通过下降通道流回至筒体的底部空间，通过换热器加热再次形成汽水混合物，从而对水进行充分利用。

[0019] 作为本发明的第二种优化方案，还包括设置于所述筒体上的进水口。进水口用于向本发明内加入水。水需要通过换热器加热以形成汽水混合物，由于下降通道的存在，该进水口即可位于所述下锥段与所述筒体连接位置的上方，也可以位于所述下锥段与所述筒体连接位置的下方。

[0020] 作为本发明的第三种优化方案，还包括设置于所述筒体顶部的蒸汽出口。将蒸汽出口设置于筒体顶部，能够保证汽水混合物在分离空间中的滞留时间最长，从而彻底的完成蒸汽与水的最后分离，得到干燥的蒸汽。

[0021] 综上所述，本发明的优点和有益效果在于：

[0022] 1．在完全满足实验要求的情况下，相对于现有技术取消了旋叶片和干燥器，提供了一种结构简单、成本低的汽水分离器；

[0023] 2．下锥段和上锥段的锥面与底面的夹角设置为45°，降低了汽水混合物流动时的阻力，提高了工作效率；

[0024] 3. 取消了旋叶片，减小了汽水混合物流动时的压降损失，为蒸汽发生器模拟体的总阻力系数调节赢得了可调空间；

[0025] 4. 取消了干燥器，减小了汽水混合物流动时的压降损失，为二次侧非能动蒸汽-水自然循环回路总阻力系数调节赢得了可调空间；

[0026] 5．提供了一种蒸汽发生器模拟体，其在完全满足模拟要求的情况下，结构更简单，成本更低；

[0027] 6．能够保证蒸汽发生器模拟体出口蒸汽的品质满足ACP1000二次侧非能动余热排出系统实验的要求；

[0028] 7．设置下降通道，从而能够对水进行充分利用；

[0029] 8．设置下降通道，能够使进水口得设置位置不受限制，提高了本发明结构的自由度；

[0030] 9．将蒸汽出口设置于筒体顶部，能够保证汽水混合物在分离空间中的滞留时间最长，从而彻底的完成蒸汽与水的最后分离，得到干燥的蒸汽。

附图说明

[0031] 为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对描述本发明实施例中所需要用到的附图作简单的说明。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据下面的附图，得到其它附图。

[0032] 图1为汽水分离器的结构示意图；

[0033] 图2为蒸汽发生器模拟体的结构示意图；

[0034] 其中，附图标记对应的零部件名称如下：

[0035] 1-下锥段，2-上升筒下段，3-上锥段，4-上升筒上段，5-分离空间，6-下降通道，7-换热器，8-进水口，9-筒体，10-蒸汽出口，11-夹角A，12-夹角B。

具体实施方式

[0036] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。

[0037] 实施例1：

[0038] 如图1所示，汽水分离器，由下锥段1、上升筒下段2、上锥段3和上升筒上段4构成，下锥段1和上锥段3为下宽上窄结构，下锥段1的上端与上升筒下段2的下端连接，上升筒下段2的上端与上锥段3的下端连接，上锥段3的上端与上升筒上段4的下端连接。

[0039] 上升筒下段2的直径大于上升筒上段4的直径。

[0040] 下锥段1用于将汽水混合物引入上升筒下段2，上锥段3用于将汽水混合物引入上升筒上段4。汽水混合物在上升过程中，水的速度降低，即可完成蒸汽和水的分离。在剩余的汽水混合物流出上升筒上段4后，在重力的作用下，即可完成蒸汽和水的最后分离。水在重力的作用下回落。下锥段1和上锥段3锥面与底面的夹角A11和夹角B12可以为小于90°的任意角度。

[0041] 本实施例在现有技术的基础上，取消了旋叶片和干燥器，适用于ACP1000二次侧非能动余热排出试验。

[0042] 实施例2：

[0043] 如图1所示，本实施例在实施例1的基础上，将下锥段1锥面与底面的夹角A11优选为45°，以使汽水混合物在通过下锥段1时产生的阻力最小。

[0044] 实施例3：

[0045] 如图1所示，本实施例在实施例1或实施例2的基础上，将上锥段3锥面与底面的夹角B12优选为45°，以使汽水混合物在通过上锥段3时产生的阻力最小。

[0046] 实施例4：

[0047] 如图2所示，蒸汽发生器模拟体，包括实施例1~3中任意一项所述的汽水分离器，还包括换热器7和筒体9，换热器7设置于筒体9中，所述汽水分离器设置于筒体9中并位于换热器7上方，所述下锥段1外表面的最底部与筒体9的内表面连接，所述上升筒上段4的上端与筒体9的上端之间存在分离空间5。

[0048] 水汇集于筒体9的底部，经过换热器7的加热，形成汽水混合物。汽水混合物向上升进入汽水分离器，完成蒸汽和水的分离。剩余的汽水混合物上升流出汽水分离器后，进入分离空间5。汽水混合物于分离空间5中，在重力的作用下，剩余的少了水会向下回流，干燥的蒸汽继续向上流出筒体9，完成蒸汽和水的最后分离。

[0049] 实施例5：

[0050] 如图2所述，本实施例在实施例4的基础上，还包括下降通道6，所述下降通道6的一端与所述筒体9中位于所述下锥段1与所述筒体9连接位置上方的内部空间连通，下降通道6的另一端与所述筒体9中位于所述下锥段1与所述筒体9连接位置下方的内部空间连通。

[0051] 在分离空间5中向下回流的部分水会通过汽水分离器流回筒体9底部。在分离空间5中向下回流的另一部分水汇集在筒体9与汽水分离器之间的空间中，然后通过下降通道6流回至筒体9的底部空间，通过换热器7加热再次形成汽水混合物，从而对水进行充分利用。

[0052] 实施例6：

[0053] 本实施例在实施例4的基础上，增设进水口8，进水口8设置于筒体9上，并位于所述下锥段1与所述筒体9连接位置下方。通过进水口8可以向筒体9加入用于产生汽水混合物的水。

[0054] 实施例7：

[0055] 如图2所示，本实施例在实施例5的基础上，增设进水口8，通过进水口8可以向筒体9加入用于产生汽水混合物的水。由于下降通道6的存在，该进水口8即可位于所述下锥段1与所述筒体9连接位置的上方，也可以位于所述下锥段1与所述筒体9连接位置的下方。

[0056] 实施例8：

[0057] 如图2所示，本实施例在实施例4~实施例7任意一项的基础上，在筒体9的顶部，增设蒸汽出口10。将蒸汽出口10设置于筒体9顶部，能够保证汽水混合物在分离空间5中的滞留时间最长，从而彻底的完成蒸汽与水的最后分离，得到干燥的蒸汽。

[0058] 如上所述，便可较好的实现本发明。