方家山除氧器和其它核电除氧器对比分析及相关改造

方家山除氧器和其它核电除氧器对比分析及相关改造

刘翔

中核核电运行管理有限公司 运行二处 浙江省 嘉兴市

摘要：通过对核电站不同除氧器的介绍、比较与分析，论证了其各自的优缺点，阐述方家山选择此类除氧器的必然性。方家山常规岛除氧器是华东电力设计院通过相关技术论证取消除氧再循环泵后采取再沸腾管式的除氧器，它也是国内核电站首例仅利用沸腾管除氧的除氧器。它的应用，成功简化了系统构成和运行操作，节约了建造成本，提升了经济效益。但由于制造过程中的种种问题导致其不能很好的满足核电站整体启动的要求，故在调试期间又增加了除氧再循环泵。虽然没能将理论设计变为现实，还是为我国自主设计核电级除氧器提供了一个可行性方案。

关键词：核电级；除氧器；对比分析；改造

前言

除氧器是核电站常规岛最重要的设备之一，它对给水的持续性和可靠性供应，直接影响电站的安全稳定运行。在各种电厂中，关于除氧器的论述不胜枚举，但是由于核电除氧器的固有特殊性，在实际选择中，能使用的只有两类：无头除氧器和常规除氧器。无头除氧器又有淋水盘式和耙管式。

本文通过对几类除氧器的对比分析，找出方家山除氧器的优势及后期调试期间发现的缺陷，并最终通过整改方案，对设备进行改造，为以后核电站除氧器选型提供了案例和经验。

1. 方家山除氧器和其它核电除氧器的对比分析
   1. 核电除氧器主要类型的介绍
      1. 有头（除氧头）除氧器

有头除氧器大致有喷雾填料式、淋水盘式和喷雾淋水盘式。核电机组的有头除氧器都为喷雾淋水盘式。

以秦山二期核电除氧器为例。整个除氧设备由除氧头、除氧水箱和除氧泵三部分组成。如下图所示：

图 1 秦山二期除氧器结构示意图

除氧头用双支座坐落在除氧水箱上部，通过几个大口径连通管与下部水箱相连。除氧头主要包括喷雾除氧段和淋水盘式除氧段两部分。

凝结水通过进水分配总管进入除氧器的两个独立的凝结水进水室，在两个水室长度方向均匀布置着244只出力为16t/h的恒速喷嘴，凝结水经喷嘴              喷成水雾，呈现一个圆锥形水膜进入喷雾除氧段空间，在整个空间内，与热蒸汽充分接触，迅速把凝结水加热到除氧器压力下的饱和温度。绝大多数的不凝结气体在喷雾除氧段被出去，穿过喷雾除氧段的凝结水，喷洒在淋水盘箱上的布水槽钢中，布水槽钢均匀地将水分配给淋水盘箱。淋水盘箱由多层一排排小槽钢上下交错布置而成，凝结水在淋水盘有足够的停留时间且与加热蒸汽接触使汽水热交换面达到最大，流经淋水盘箱的凝结水不断再沸腾，凝结水中剩余的非凝结气体在淋水盘箱中被进一步去除，使凝结水的含氧量达到蒸汽发生器的给水要求（含氧量≤5ppb），该段也称为深度除氧段。在喷雾除氧段和深度除氧段中被出去的非凝结气体通过除氧器顶部的排气管线排向凝汽器。溶解氧含量达到要求的除氧水从除氧器进入除氧水箱，再供给蒸汽发生器，满足蒸汽发生器的需求。

除氧器还设计有一套再循环泵系统，在机组启动时，将除氧水箱的水送到除氧头利用辅助蒸汽除氧。

图2喷雾淋水盘式除氧器除氧原理示意图

1.1.2内置（除氧箱）淋水盘式除氧器

同为淋水盘式除氧器，淋水盘式除氧器在我国主要使用在1000MW级核电机组上。

和有头除氧器相比，无头除氧器将除氧头和水箱合为一体。其壳体内上部设有下方敞开的除氧室。除氧室分为上下两部分，上部有若干喷嘴（大约40个），下部有若干淋水盘组件。

加热蒸汽从除氧室下方开口进入淋水盘，穿过淋水盘后进入喷嘴下方的空间，与喷嘴喷出的凝结水充分接触后，将凝结水加热到接近饱和温度，同时大部分的溶解氧自然逸出，完成初步除氧（70%左右）。凝结水向下经过淋水盘与逆流而上的蒸汽换热，被加热到饱和温度后，剩余的溶解氧也全部逸出，从而完成深度除氧。逸出的不凝结气体通过喷嘴旁 的排气孔排除除氧室，经过除氧的凝结水，则汇入下方的储水区供给蒸汽发生器。

淋水盘式除氧器也有一套除氧循环泵系统，其功能是在机组冷态启动，使除氧水箱中的水加热更加均匀，用汽量更加稳定，不会造成除氧器的过度振动，同时也能缩短冷态启动的时间。

图3无头淋水盘式除氧器示意图

1.1.3方家山除氧器

方家山核电站除氧器是内置式喷雾一体化除氧器，它是国内核电站首例仅利用沸腾管除氧的除氧器，设计时无除氧循环泵系统。

与有头除氧器相比，它采用除氧装置和水箱一体化的结构。它整体是一个卧式带圆穹顶风头的压力容器。

图4 方家山除氧器结构简图

除氧水箱在上部沿长度方向均匀布置了四个喷嘴装置，喷嘴采用盘式蝶形喷嘴，四根低压凝结水管道各与一个喷嘴相连，喷嘴出口处设有圆形不锈钢挡板。水箱内沿筒体轴向在上部空间装有3个独立的蒸汽分配装置，其中2个为抽汽分配装置和1个辅助蒸汽分配装置。蒸汽分配装置设计成母管加支管型，母管高于正常水位平行布置，支管上钻有放汽孔，垂直于母管将蒸汽引入除氧器储水段底部。

正常运行时，加热蒸汽通过抽汽管道经母管引至耙管，蒸汽从耙管上的小孔流出，一部分蒸汽与水凝结对给水充分混合加热并进行扰动，将水中的溶解氧和不凝结气体带出水面完成深度除氧。未凝结的蒸汽从液面逸出，与喷嘴雾化后的凝结水充分接触后将凝结水加热到饱和温度进行初步除氧。冷态启动时使用辅助蒸汽分配装置对除氧水进行加热。

1.2几类除氧器的对比分析

1.2.1构造比较

从结构上除氧器分为有头除氧器和无头除氧器两类。有头除氧器因为技术成熟，经验丰富，可靠性高，适合早期小功率核电站在安全生产和经济效益的综合需求。百万机组则多使用无头除氧器。

从以下几个方面分析：

1）布置安装对比：无头除氧器为单容器结构，结构紧凑，安装简单，只需一个安装平台，体积总体较小，具有良好的抗震能力；有头除氧器至少需要两个平台，在除氧头和水箱之间接有疏水管道，管路较长，保温材料使用多。高度较高，且水箱和除氧头之间存在应力，抗震能力较差，体积较大

2）材料使用对比：有除氧头，每台除氧器使用金属耗材较多。

3）可靠性对比：①无头除氧器喷嘴是 Stork喷嘴，其无转动部件，免维护，具有自身过滤功能以防堵塞，高度可靠；②无头除氧器取消了较重的除氧头，避免了除氧头和除氧水箱之间的应力，不会引起应力裂纹；③加热蒸汽从水下送人,使除氧器整体工作温度降低,减少了金属热疲劳而引起的寿命损失。

4）费用对比：首先无头除氧器高度较低，能较少土建投资，其次耗材较少，减少建造成本，最后在后期维修保养期过程中，其结构简单、技术先进，便于日常维护和大修更换，减少维修成本。

从以上分析可以看出，有头除氧器虽然技术成熟，但是由于新技术的逐渐替代，很多弊端已经显露，已经不适用于大型核电机组。

1.2.2除氧方式比较

现在国内1000MW的核电机组基本使用无头除氧器，包括淋水盘式和耙管式。下表可以看出两类除氧器在外形尺寸和重量上相当，在布置上无差异，因此我们从除氧方式上对比两类除氧器:

表2淋水盘式除氧器和耙管式除氧器基本参数比较

1）加热性能对比：由于耙管式除氧器的蒸汽首先导入水箱的底部，正常运行时水箱液位大约2米，蒸汽克服水柱静压逸出水面，使汽空间的压力低于抽汽压力大约0.02MP，在同样除氧效率下，抽汽压损略有增加，但由于实际中，耙管式除氧器是蒸汽直接加热水箱中的水，局部会形成大于饱和温度的现象，可减少抽汽损失。最终两类除氧器在加热性能上旗鼓相当。

2）除氧性能对比：淋水盘式除氧器由于喷嘴多，且分布均匀，单位除氧空间水流和汽流密度较少，有利于换热和除氧。同时由于其不凝结气体出口分布面广，排除不凝结气体更为顺畅。但是              对核电机组来说，对除氧器凝结水含氧量要求较低（≤5ppb），易于实现，且耙管式除氧器喷嘴较少可靠度高，免维修，综合比较后，两者差异不大。

3）运行工况对比：耙管式除氧器可以利用水空间吸收蒸汽压力的扰动，压力稳定性好，在特殊工况下满足除氧器压力设计要求，不发生超压事件，因此耙管式除氧器在稳压性优于淋水盘式除氧器。

4）设备可靠性比较：由于淋水盘式除氧器内装有刚度较小的淋水盘，在受到异常外力作用下会发生变形。当机组内部压力突然下降时，需要导入辅助蒸汽来控制压力，从而增加的运行难度。耙管式除氧器内部构件较为固定，不存在上述隐患，因此对压力下降速率有较高的容忍度，优于淋水盘式除氧器。

5）维修保养对比：耙管式除氧器结构简单，喷嘴少，便于保养，维修成本低

综合以上分析，可以看出耙管式除氧器无论从构造成本还是控制方面，都要优于淋水盘式除氧器，因此方家山选择了该类除氧器。方家山除氧器的特点及其改造

1.3方家山除氧器的特点

虽然方家山选择了性价比最高且使用较多的耙管式除氧器，但是在设计方面我们还是做出了重要尝试。

根据火电大型机组的运行经验，为了满足机组运行需求，耙管式除氧器除了可设置一套除氧再循环系统，还可以在除氧水箱下部储水区设置再沸腾管。

因此耙管式除氧器又分为沸腾管式（无除氧再循环泵）除氧器和除氧再循环泵（无沸腾管）式除氧器。

以照参考电站为例，有再循环泵的除氧器在冷态启动时，辅助蒸汽经过独立的辅助蒸汽分配装置对除氧水箱中的水进行加热。由于辅助蒸汽的供气母管在除氧器内部的长度只有除氧器中部一段，除氧循环泵可以从除氧器底部吸水，经过孔板送至除氧器顶部的喷雾器，增强给水的扰动，达到均匀加热和缩短加热时间的目的。

沸腾管式除氧器，设置有大量沸腾管，一方面加热除氧效果良好，加热速度也更快，除氧器在冷态启动时，不再需要除氧循环泵，也能在3~5小时之间完成，满足机组的启动要求。 另一方面沸腾管无需其他操作，节约了厂房面积，减少了设备采购（循环泵）和维护，节省了人力也更为经济。

出于上述考虑，方家山除氧器设计为国内核电站首例仅利用沸腾管除氧的除氧器，成为我国核电自主化设计的典范。

1.4方家山除氧器的改造

方家山除氧器设计完成后交由上海建造，按照沸腾管式除氧器的需求，与参考电站相比较，辅助蒸汽管道应当加长，使得辅助蒸汽投运时能覆盖整个除氧器。但是由于种种原因最终没有对内部结构进行设计改变。

因此，调试期间，在机组冷态启动时，由于辅助蒸汽管道只有整个除氧器五分之一长，且没有除氧循环泵，除氧水箱中的水很难加热均匀，即使配合启动给水泵小流量循环，由于启动给水泵流量较低，将除氧器内的水循环一遍的时间远远超过启动要求。况且启动给水泵小流量循环运行时，其出口压力达到12Mpa，管道的振动较大，在方家山核电站和福清核电上都出现了将固定支架震脱落的现象，一般情况下是不允许启动给水泵小流量循环长时间运行。

基于以上的情况，为了满足方家山核电机组在冷态启动时除氧器的冷水能够快速、均匀加热不影响以后机组启动时主线时间，方家山调试提出改造要求。经多方协商在权衡利弊后，最后选择了《增加除氧循环泵》的方案，回到了设计变更前的状态。

2. 结论

通过全文的论述，可以看出，方家山核电常规岛除氧器在各方面都有明显优势，证明我们在选择除氧器时，是充分考虑、反复验证过的，设备的安全可靠性经得起考验。虽然取消除氧循环泵的创新设计没能实现，但是给了我们理论上的验证和改造的经验。为以后的核电项目能够使用该技术提供了道路。

参考文献

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