CN108730953B - 一种船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***及其除氧方法 - Google Patents

Abstract

一种船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***及其除氧方法，***包括冷凝器鼓泡除氧装置、低压加热器、除氧器、除氧膜装置和加药装置；鼓泡除氧装置集成于冷凝器内，鼓泡除氧装置连接乏汽，同时冷凝器还通过凝水泵连接低压加热器；低压加热器连接乏汽，同时低压加热器与除氧器的注入口连接；除氧器连接汽轮机抽汽或新蒸汽，同时除氧器连接给水***；加药装置与给水***连接；除氧膜装置集成于均衡水箱，均衡水箱与冷凝器连接。方法通过热力除氧、联氨除氧、除氧膜相结合，构成多层次的除氧体系。本发明满足船用直流蒸发器在各工况下给水深度除氧要求；部分功能设备集成在已有设备上，舱室空间利用率高；减少消耗品使用，经济性好。

Description

一种船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***及其除氧方法

技术领域

本发明属于二回路凝给水除氧技术，具体涉及一种船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***及其除氧方法。

背景技术

在反应堆及一回路***中，蒸汽发生器传热管作为一、二回路能量传递的界面以及一回路压力边界的一部分，是核动力***中的重要部位，其二次侧水质对其腐蚀有较大影响，需要重视，而含氧量是水质中极为重要的一个指标。

对于直流蒸发器给水要求有别于传统的船用锅炉给水和U型管蒸发器给水。直流蒸发器给水含氧量要求与蒸发器材料关系密切，不同的材料，对给水含氧量要求差异较大。本项目中，根据选用材料，要求直流蒸发器给水含氧量为5ppb。这个指标与陆上核电站给水含氧量指标相近，远低于船用锅炉给水含氧量指标，略低于船用U型管蒸发器给水指标。此外，由于直流蒸发器不设置排污口，因此船上应用较多的盐类除氧剂无法应用。

现有的船用给水除氧技术主要包括：热力除氧器除氧、亚硫酸钠加药除氧、除氧树脂除氧、冷凝器鼓泡除氧，此外，陆用核电领域还有应用联氨进行除氧，化工领域有应用除氧膜进行除氧：

(1)热力除氧器除氧：在常规蒸汽动力***中应用广泛，一般采用大气式、一体化除氧器，由于船用条件、热力除氧器工作参数及设备体积要求等原因，给水含氧量一般只能达到50ppb，除氧效能达不到要求，而陆用核电站一般采用高压热力除氧器，由于使用环境条件较好，热力***工况稳定，除氧效能较好，能达到5ppb至7ppb。

(2)亚硫酸钠加药除氧：可以实现给水深度除氧，但由于存在盐类沉积问题，一般用于自然循环蒸发器给水除氧，不适用直流蒸发器。

(3)除氧树脂除氧：除氧树脂能够实现常温下除氧，但除氧效果受设备体积限制，若要实现深度除氧要求尺寸较大，且树脂消耗较大；考虑树脂更换成本及设备尺寸，直流蒸发器中不采用树脂除氧。

(4)冷凝器鼓泡除氧：是一种低温热力除氧技术，相关设备一般集成在冷凝器中，占用空间少，但在实际应用中存在除氧效果不稳定、噪声较大等问题。

(5)联氨加药除氧：在核电领域应用广泛技术成熟，可以实现深度除氧，且适用于直流蒸发器，但由于联氨易燃易爆，在船上相对密闭空间大量应用存在风险。

(6)除氧膜除氧：是近年来在化工领域兴起的除氧技术，是一种物理除氧方式，能在常温条件下完成除氧功能，在核电、船舶领域尚未应用，在二回路主给水上应用，缺乏使用经验，风险较大，因此考虑用于***补水除氧。

综上所述，目前没有成熟的船用除氧技术能够满足直流蒸发器给水深度除氧要求，需要借鉴陆用相关技术。船用核动力***一般采用大气式热力除氧器与亚硫酸钠相结合方式，由于船用核动力直流蒸发器含氧量要求提高且直流蒸发器无排污，因此考虑采用中压热力除氧器与联氨除氧相结合。为了利用***废热，同时加强热力除氧器效能，热力除氧器前设置低压加热器。此外，由于二回路***中氧的主要来源为冷凝器泄漏及***补水，因此考虑在冷凝器和均衡水箱集成相关除氧设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有船用除氧技术存在的上述不足，提供一种船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***及其除氧方法，通过热力除氧、联氨除氧、除氧膜等多种方式相结合，构成多层次的除氧体系，满足船用直流蒸发器在各工况下给水深度除氧要求；部分功能设备集成在已有设备上，舱室空间利用率高；充分利用***废汽能量，同时减少消耗品使用，***经济性好。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***，主要包括：冷凝器、鼓泡除氧装置、低压加热器、热力除氧器、除氧膜装置和加药装置；

鼓泡除氧装置集成于冷凝器内，鼓泡除氧装置连接乏汽，同时冷凝器还通过凝水泵连接低压加热器；低压加热器连接乏汽，同时低压加热器与热力除氧器的注入口连接；热力除氧器连接汽轮机抽汽或新蒸汽，同时热力除氧器连接给水***；加药装置与给水***连接；除氧膜装置集成于均衡水箱(用于二回路补水)，均衡水箱与冷凝器连接，均衡水箱采用氮封与大气隔绝。

按上述方案，所述低压加热器采用表面式加热器。

按上述方案，所述热力除氧器采用喷雾填料式的中压热力除氧器。

按上述方案，所述加药装置及联氨药品布置于加药间。

本发明还提供了一种上述船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***的除氧方法，结合热力除氧、联氨除氧、鼓泡除氧、除氧膜除氧，构成多层次的除氧体系，包括如下步骤：

S1、除氧膜装置集成于均衡水箱，从源头上降低进入二回路***的氧；

S2、鼓泡除氧装置使用乏汽将冷凝器内凝水的过冷度控制在0.6℃以内，进行鼓泡除氧；

S3、鼓泡除氧后的凝水，通过凝水泵，经低压加热器注入热力除氧器，低压加热器采用乏汽加热凝水，通过乏汽流量控制调节凝水温度；

S4、凝水进入热力除氧器后，采用汽轮机抽汽或新蒸汽对凝水进行加热、除氧；

S5、最后通过加药装置进行联氨加药，深度除氧。

按上述方案，根据热平衡，所述低压加热器所需的加热蒸汽质量流量计算式为

式中，

G_L,S——低压加热器所需的加热蒸汽质量流量，单位kg/s；

G_L,L——通过低压加热器的凝水质量流量，单位kg/s；

h₁——加热后出口凝水焓值，单位kJ/kg；

h₂——加热前入口凝水焓值，单位kJ/kg；

h₃——加热蒸汽焓值，单位kJ/kg；

h₄——蒸汽凝水焓值，单位kJ/kg；

η_L——考虑低压加热器内热损失的系数。

按上述方案，所述热力除氧器所需的加热蒸汽流量计算式为

式中，

G_h,S——热力除氧器所需蒸汽的质量流量，kg/s；

G_h,L——进入热力除氧器凝水的质量流量，kg/s；

h_d——热力除氧器内饱和水的焓值，kJ/kg；

h_i——进入热力除氧器凝水的焓值，kJ/kg；

h_h,S——加热蒸汽焓值，kJ/kg；

η_d——考虑热力除氧器内热损失的系数。

按上述方案，所述加药装置注入联氨的联氨加入量按照下式计算，

G＝C+β (3)

式中，G——联氨加入量，单位mg/L；

C——水中溶解氧含量，单位mg/L；

β——联氨过剩量，单位mg/L；β取0.02～0.05mg/L。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、蒸发器给水水质是保障蒸发器长期安全、稳定运行的重要参数，本发明通过热力除氧、联氨除氧、鼓泡除氧、除氧膜等多种方式相结合，构成多层次的除氧体系，满足直流蒸发器给水含氧量5ppb指标，实现稳态、动态工况下给水深度除氧，在各工况下除氧效果良好；

2、在满足除氧指标要求的前提下，由于海上平台舱室空间相对有限，考虑将除氧膜相关设备与均衡水箱集成，鼓泡除氧装置与冷凝器集成，节约舱室空间；

3、先采用中压热力除氧器进行除氧，再采用联氨深度除氧，减少联氨使用，联氨作为一种易燃有毒的化学消耗品，尽量节约药品使用，既能降低运行成本，也有利于平台安全防护。

4、控制联氨扩散，加强联氨防护，设置独立的联氨存储、加药区域，与其它舱室隔离，加强该区域管控，要求保持负压，抽气器、热力除氧器排气至该负压区域，避免联氨在汽轮机舱内扩散，有利于集中控制，该区域相关***设计考虑联氨易燃易爆特性。

5、在热力除氧器前设置低压加热器，一方面有利于热力除氧器除氧效能提高，另一方面有利于***废热的回收，有利于提高***经济性；

6、在船舶凝给水除氧领域，首次引入联氨除氧技术与除氧膜除氧技术，与热力除氧配合，保证蒸发器内无盐类的浓缩与沉积，适用于直流蒸发器。

7、二回路***补水一般来自均衡水箱，由于补水是二回路内氧的主要来源，因此将除氧膜装置集成于均衡水箱，从源头上降低进入二回路***的氧，避免***参数振荡情况下，氧含量突增。

附图说明

图1为本发明船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***的结构示意图；

图中，1-冷凝器，2-鼓泡除氧装置，3-凝水泵，4-低压加热器，5-热力除氧器，6-加药装置，7-除氧膜装置，8-均衡水箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***，主要包括：冷凝器1、鼓泡除氧装置2、低压加热器4、热力除氧器5、除氧膜装置7和加药装置6(还包括传感器及配套管路)。

鼓泡除氧装置2集成于冷凝器1内，鼓泡除氧装置2连接乏汽，同时冷凝器1还通过凝水泵3连接低压加热器4；低压加热器4连接乏汽，同时低压加热器4与热力除氧器5的注入口连接；热力除氧器5连接汽轮机抽汽或新蒸汽，同时热力除氧器5连接给水***；加药装置6与给水***连接；除氧膜装置7集成于均衡水箱8(用于二回路补水)，均衡水箱8与冷凝器1连接，均衡水箱8采用氮封与大气隔绝。

本发明提出的船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***主要技术参数如表1所示。

表1除氧***主要技术参数

序号	技术参数	数值
			1	冷凝器压力(kPa(a))	7.5
2	冷凝器凝水过冷度(℃)	0.6
			3	凝水经低压加热器后温度(℃)	90
4	乏汽压力(MPa(a))	0.2
			5	热力除氧器内的工作压力(MPa(a))	0.362
6	热力除氧后给水出口温度(℃)	140
			7	热力除氧器加热蒸汽压力(MPa(a))	3.4
8	热力除氧器加热蒸汽温度(℃)	275
			9	冷凝器补水含氧量(ppb)	50
10	热力除氧器出口给水含氧量(ppb)	7至15
			11	给水含氧量(ppb)	5

船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***主要设备说明：

1)冷凝器鼓泡除氧装置

采用乏汽进行加热，鼓泡除氧装置2控制冷凝器1内凝水过冷度在0.6℃以内，凝水含氧量小于50ppb，由于鼓泡除氧装置2噪声较大，如果后期试验发现其它设备除氧性能良好，可以考虑停用鼓泡除氧装置2。

2)低压加热器4

低压加热器4采用表面式加热器，使用乏汽加热凝水至90±5℃，回收***废热，乏汽凝水返回冷凝器1，根据热平衡得到低压加热器4所需加热蒸汽流量G_L,S计算式。

3)热力除氧器5

热力除氧器5采用喷雾填料式的中压热力除氧器，由于船用核动力装置负荷变化大，因此采用弹簧喷嘴，保证不同负荷下除氧效果。热力除氧器5加热蒸汽为抽汽或新蒸汽，维持热力除氧器5内压力为0.362MPa。在海况平稳情况下，出水含氧量小于7ppb，在倾斜、摇摆条件下(相关数值参考《钢制海船入级规范》)，出水含氧量小于15ppb。

根据Herry定律得到中压热力除氧器所需的加热蒸汽流量G_h,S计算式，任何气体在水中的溶解度b与该种气体在气水界面上的分压Pb成正比，与水的温度成反比，即

b——气体在水中的溶解度，mg/L；

P_b——气体在气水界面上的分压Pb，MPa；

ψ——Herry系数，与气体的种类和温度有关；

因此中压热力除氧器的除氧性能优于大气式除氧器。

此外，为了满足负荷急剧变化以及事故工况下蒸发器对给水的需求，热力除氧器5的正常工作水容积需要保证以额定工况流量向蒸发器供水时间不低于3min。

4)除氧膜装置7，除氧膜装置7集成于均衡水箱8，监控均衡水箱8的水质，保证水箱内含氧量低于50ppb，同时要求均衡水箱8采用氮封与大气隔绝，通过氮气补气阀及排气阀控制均衡水箱8压力稳定。

5)加药装置，当给水含氧量低于要求值或热力除氧器5工作压力出现大于预定的范围时注入联氨，保证给水含氧量满足5ppb要求。其中，联氨与给水内剩余氧气发生反应的化学方程式为

N₂H₄+O₂→N₂+2H₂O

联氨加入量按照式(3)计算。

由于联氨易燃有毒，加药装置及联氨药品应布置于加药间。该区域应维持负压，风机等相关设备需要考虑联氨易爆特性，进入该区域需要有相应的防护措施。同时将抽气器、热力除氧器5的排汽排往该区域避免联氨在汽轮机舱内扩散，有利于集中控制。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***，其特征在于，主要包括：冷凝器、鼓泡除氧装置、低压加热器、热力除氧器、除氧膜装置和加药装置；

鼓泡除氧装置集成于冷凝器内，鼓泡除氧装置连接乏汽，同时冷凝器还通过凝水泵连接低压加热器；低压加热器连接乏汽，同时低压加热器与热力除氧器的注入口连接；热力除氧器连接汽轮机抽汽或新蒸汽，同时热力除氧器连接给水***；加药装置与给水***连接；除氧膜装置集成于均衡水箱，均衡水箱与冷凝器连接，均衡水箱采用氮封与大气隔绝。

2.如权利要求1所述的船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***，其特征在于，所述低压加热器采用表面式加热器。

3.如权利要求1所述的船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***，其特征在于，所述热力除氧器采用喷雾填料式的中压热力除氧器。

4.如权利要求1所述的船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***，其特征在于，所述加药装置及联氨药品布置于加药间。

5.一种上述权利要求1～4任一项所述的船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***的除氧方法，结合热力除氧、联氨除氧、鼓泡除氧、除氧膜除氧，构成多层次的除氧体系，其特征在于，包括如下步骤：

S1、除氧膜装置集成于均衡水箱，从源头上降低进入二回路***的氧；

S2、鼓泡除氧装置使用乏汽将冷凝器内凝水的过冷度控制在0.6℃以内，进行鼓泡除氧；

S3、鼓泡除氧后的凝水，通过凝水泵，经低压加热器注入热力除氧器，低压加热器采用乏汽加热凝水，通过乏汽流量控制调节凝水温度；

S4、凝水进入热力除氧器后，采用汽轮机抽汽或新蒸汽对凝水进行加热、除氧；

S5、最后通过加药装置进行联氨加药，深度除氧。

6.如权利要求5所述的船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***的除氧方法，其特征在于，根据热平衡，所述低压加热器所需的加热蒸汽质量流量计算式为

式中，

G_L,S——低压加热器所需的加热蒸汽质量流量，单位kg/s；

G_L,L——通过低压加热器的凝水质量流量，单位kg/s；

h₁——加热后出口凝水焓值，单位kJ/kg；

h₂——加热前入口凝水焓值，单位kJ/kg；

h₃——加热蒸汽焓值，单位kJ/kg；

h₄——蒸汽凝水焓值，单位kJ/kg；

η_L——考虑低压加热器内热损失的系数。

7.如权利要求5所述的船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***的除氧方法，其特征在于，所述热力除氧器所需的加热蒸汽流量计算式为

式中，

G_h,S——热力除氧器所需蒸汽的质量流量，kg/s；

G_h,L——进入热力除氧器凝水的质量流量，kg/s；

h_d——热力除氧器内饱和水的焓值，kJ/kg；

h_i——进入热力除氧器凝水的焓值，kJ/kg；

h_h,S——加热蒸汽焓值，kJ/kg；

η_d——考虑热力除氧器内热损失的系数。

8.如权利要求5所述的船用核动力直流蒸发器给水深度除氧***的除氧方法，其特征在于，所述加药装置注入联氨的联氨加入量按照下式计算，

G＝C+β (3)

式中，G——联氨加入量，单位mg/L；

C——水中溶解氧含量，单位mg/L；

β——联氨过剩量，单位mg/L；β取0.02～0.05mg/L。