一种高效紧凑式蒸汽发生装置的制作方法

本发明属于核电站换热技术领域，具体是涉及一种高效紧凑式蒸汽发生装置。

技术背景

核电具有清洁高效、安全稳定、经济性好等特点，是一种可以承担电网基本负荷的优质清洁能源。核电站利用核反应堆中核裂变所释放的能量进行发电。目前，第三代压水堆核电技术具有堆芯功率大、安全等级高、服役寿命长的特点，是国内主流，也是最具国际竞争力的先进核电技术。蒸汽发生器作为压水堆核电站的关键设备之一，通过换热管把一次侧的反应堆冷却剂携带的堆芯热量传递给二次侧的给水，并产生蒸汽供汽轮机组发电。国内大、中型压水堆核电厂的蒸汽发生器，如大亚湾核电站、岭澳核电站的55/19b型sg、秦山二期核电厂的60f型sg、福清核电站5号机组的zh-65型sg等均采用u型管式换热结构，该结构为常规列管式换热器，冷热侧流体非纯逆流换热，换热效率不高，造成所需设备投资大，所占安装空间大，存在能源、资源浪费问题；且该换热器无法实现多股流体同时对给水进行加热，不能联合利用核电站的不同股热源；另外，u型管式换热器由于自身结构特点，导致其抗振能力不强，尤其是尾部防振结构效果不佳且阻力性能不好。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高效紧凑式蒸汽发生装置。

本发明采用了以下技术方案：

一种高效紧凑式蒸汽发生装置，包括用于进行换热产生蒸汽的换热部和用于蒸汽汽水分离的分离部，换热部和分离部是设置在壳体内的一体结构；

所述换热部包括由换热管束螺旋上升缠绕形成的管式换热芯体和套设在所述换热芯体外侧的夹套结构，所述夹套结构的直径小于所述壳体的内直径且夹套结构的轮廓与所述壳体相适配，所述夹套结构的顶部为封闭状，底部设有开口；所述换热芯体的一端与至少一个管程进口管箱连接并自管程进口管箱通入热流体，另一端与至少一个管程出口管箱连接，热流体流经换热芯体后由管程出口管箱流出。

优选的，所述壳体为非等径壳体，所述夹套结构为适应壳体轮廓的变截面夹套结构，所述非等径壳体自上而下包括大直径段、过渡段和小直径段，所述过渡段连接大直径段和小直径段；所述大直径段内部是由壳体、封头和夹套结构顶部端板形成的分离腔，所述分离部设置在所述分离腔内，所述换热部由所述分离腔向壳体的小直径段延伸，所述封头的顶部开设有供蒸汽流出的壳程出口；

所述分离腔内还设置有通入二次侧给水的壳程给水结构，所述壳程给水结构由进口直管段和环形分布管段组成，所述环形分布管段下部开设有与所述夹套结构和壳体间形成的环形间隙相适配的给水孔，所述给水孔便于二次侧给水进入所述环形间隙，二次侧给水经由该环形间隙自下而上进入所述夹套结构。

优选的，所述换热芯体是由换热管束紧密缠绕在中部支撑杆的周侧而形成的沿径向排布的内外层状换热结构，每束换热管束紧密缠绕构成换热芯体径向排布的一层，且所述换热结构的相邻层的缠绕方向相反；每个管程进口管箱连接至少一束换热管束构成一个换热管束集合，与同一个管程进口管箱相连的换热管束集合在所述换热结构上沿径向相邻排布，每个换热管束集合对应连接一个管程出口管箱。

优选的，每个所述换热管束集合包含的换热管束数量由对应的管程进口管箱所连接热源的热流体流量大小进行配置，每个所述换热管束包含的换热管数量由通过该换热管束的热流体流量和在中部支撑杆上的缠绕半径、缠绕角度共同确定。

优选的，所述热流体中至少一股设置为一次侧冷却剂。

优选的，所述管程进口管箱贯穿壳体设置，且所述管程进口管箱的出口端伸入在所述夹套结构的内部，所述管程进口管箱与壳体构成固定连接，且所述管程进口管箱与壳体之间的接触部分为封闭状；所述壳体与夹套结构之间设置有连接二者且便于所述管程进口管箱穿设于其中的支撑连接管，且所述管程进口管箱与所述夹套结构之间设有间隙。

优选的，每个所述管程进口管箱远离壳体的一端为进口端，所述进口端分别与核电站的一股热源连接用于通入热流体，管程进口管箱内部为容纳热流体的空腔，所述管程进口管箱的出口端在所述夹套结构内部设置为一块开设有至少一组圆孔的管板，，所述管程进口管箱对应的换热管束集合包含的每束换热管束与管板上开设的每组圆孔都一一对应并连通，用于接收管程进口管箱内的热流体。

优选的，所述壳体的底端为一块整体管板，所述整体管板上环绕整体管板的圆心对称开设有贯穿整体管板的孔组，所述孔组数量与所述换热管束集合数量相同，每个所述换热管束集合对应一组所述孔组,每个所述换热管束集合包含的每根换热管与对应孔组中的每个圆孔一一对应；每个所述孔组的外周固定连接有管程出口管箱，所述管程出口管箱的空腔连接孔组便于接收由换热管束流出的热流体，所述热流体由管程出口管箱远离整体管板的一端排出。

优选的，所述分离部包括设置在所述端板上的一次汽水分离结构和设置在所述封头上的二次汽水分离结构；所述一次汽水分离结构通过沉头螺钉结构与所述端板可拆卸连接，所述二次汽水分离结构通过沉头螺钉结构与所述封头可拆卸连接。

优选的，所述二次汽水分离结构由波纹板或丝网叠加构成，所述波纹板或丝网沿所述壳程出口圆周均匀分布，形成环形汽水分离通道；所述环形汽水分离通道的中心设置有漏斗状金属片，所述金属片底边固接于所述环形汽水分离通道远离壳程出口的最外侧边沿，所述金属片的中心最低点开孔并固接一根排水细管，所述排水细管垂直悬设在所述端板正上方，使蒸汽通过所述二次分离汽水结构中时汇集的冷凝水从所述金属片中心排水细管排出至端板上再流入所述夹套结构和壳体间的环形间隙中，循环利用。

优选的，所述中部支撑杆为套管结构，所述中部支撑杆的上端即内管与端板的下表面中心固定连接，下端即外管与整体管板的上表面中心固定连接，所述外管的顶端至少到达所述管程进口管箱下边沿在夹套结构上的高度，所述中部支撑杆的内管与外管重叠处开设有通孔，所述通孔为沿支撑杆轴向开设的竖向孔，所述竖向孔内设置有贯通内管和外管的限位杆，所述限位杆两端设置有防止限位杆坠落的弧形钩或螺母，所述限位杆可在所述竖向孔内上下移动，用于实现所述中部支撑杆热胀时的有限伸缩。

优选的，所述夹套结构的底端设置有导流板，所述导流板垂直于所述夹套结构的内壁并与所述中部支撑杆形成环形孔隙，所述导流板上开设有与所述整体管板上开设的孔组在竖直方向上对应的通孔，所述通孔用于换热管束集合通过；所述环形孔隙使得二次侧给水可以方便进入夹套结构内设置的换热管芯的间隙中，避免因阻力影响二次侧给水仅沿换热管芯外侧流动。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的管程进口管箱为多管板结构，每个管程进口管箱对应一块管板，管程进口管箱可以设置使用多个，上限由管程进口管箱直径与壳体周长决定，每个管程进口管箱连接一股核电站内热源，可实现多股热流体对二次侧给水的加热，改善了常规核电站中仅利用一次侧反应堆冷却剂加热二次侧给水，剩余热源热量浪费的问题。同时本发明联合利用电站多股热源实现了不同热源的联合换热，提高了热源利用率。

(2)本发明所述壳体内部设有螺旋上升的缠绕状换热芯体，与传统u型管式换热芯体相比，一方面单位体积内有效换热面积提高，整体结构尺寸减小，金属材料重量显著下降，极大了节省了设备投资与安装空间；另一方面热流体与给水之间进行旋流强化的纯逆流换热，传热效率显著提高，减少能源浪费，并可进一步节省设备投资；螺旋缠绕的换热管沿中部支撑杆紧密缠绕，并通过限位条和管箍固定，形成螺旋换热管束整体结构，在实现换热管限位与支撑的同时，可有效防止换热管束的振动，保障安全。

(3)管程进口管箱通过壳体和夹套结构上开设的管口进入蒸汽发生装置中，本发明在夹套结构的管口处设置支撑连接管，支撑连接管的设置既便于管程进口管箱的通入，也使得夹套结构在管程进口管箱的部分可以通过支撑连接管与壳体连接固定；由于管程进口管箱不直接与夹套结构焊接，在使用过程中，管程进口管箱不会因两处焊接的共同限制，在其前后端冷热不平衡导致管程进口管箱热胀时使焊接点因受力恶化而破裂。

(4)壳体上部采用法兰连接封头，一次汽水分离结构和二次汽水分离结构均通过沉头螺钉结构与蒸汽发生装置连接，可实现一次汽水分离结构和二次汽水分离结构的更换，使本装置满足不同工况下阻力和汽水分离效率的要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为壳程给水结构的结构示意图；

图3为管程进口管箱与支撑连接管在壳体及夹套结构上的连接示意图；

图4为本发明一次汽水分离结构与夹套结构的连接示意图；

图5为本发明二次汽水分离结构与封头的连接示意图；

图6为本发明夹套结构中中部支撑杆的示意图；

图7为本发明管程进口管箱的管板示意图；

图8为本发明壳体的整体管板结构示意图；

图9为实施例2中3股流高效紧凑式蒸汽发生装置的结构示意图；

图10为实施例2中换热芯体的换热管束缠绕布置示意图。

图中标注符号的含义如下：

10-壳体11-封头12-法兰13-整体管板131-孔组

20-换热芯体21-换热管束211-换热管22-中部支撑杆

221-内管222-外管223-限位杆30-管程进口管箱

31-管箱空腔32-管板40-管程出口管箱50-夹套结构

51-端板52-导流板60-支撑连接管70-壳程给水结构

71-给水进口直管段72-环形分布管段73-给水孔

80-一次汽水分离结构81-汽水分离结构连接板82-端板连接板

83-沉头螺钉84-垫片90-二次汽水分离结构92-封头连接板

95-金属片96-排水细管100-壳程出口

具体实施方式

下面结合实施例和对比例对本发明的技术方案做出更为具体的说明：

实施例1：

本实施例为2股流高效紧凑式蒸汽发生装置。

如图1-8所示，一种高效紧凑式蒸汽发生装置，包括设置在壳体10内用于进行换热产生蒸汽的换热部和用于蒸汽汽水分离的分离部，壳体10自上而下包括大直径段、过渡段和小直径段，过渡段连接大直径段和小直径段；大直径段内部是由壳体10、封头11和夹套结构50顶部端板51形成的分离腔，分离部设置在分离腔内，换热部由分离腔向壳体10的小直径段延伸；壳体为非等径壳体，夹套结构为轮廓适应壳体的变截面夹套结构；壳体10和封头11通过法兰连接，封头11为半椭球性，长轴与壳体10的宽直径段直径相同，封头11的顶部开设有供蒸汽流出的壳程出口100。

换热部包括由换热管束21螺旋上升缠绕形成的管式换热芯体和套设在换热芯体20外侧的夹套结构50，夹套结构50的直径小于壳体10的内直径且夹套结构50的轮廓与壳体10相适配，夹套结构50的顶部为封闭状，底部设有开口；换热芯体20的一端与至少一个管程进口管箱30连接并自管程进口管箱30通入热流体，另一端与至少一个管程出口管箱40连接，热流体流经换热芯体20后由管程出口管箱40流出。

换热芯体20是由换热管束21紧密缠绕在中部支撑杆22的周侧而形成的沿径向排布的内外层状换热结构，每束换热管束21紧密缠绕构成换热芯体径向排布的一层，且换热结构的相邻层的缠绕方向相反；每个管程进口管箱30连接至少一束换热管束21构成一个换热管束集合，与同一个管程进口管箱30相连的换热管束集合在换热结构上沿径向相邻排布，每个换热管束集合对应连接一个管程出口管箱40。每个换热管束集合包含的换热管束21数量由对应的管程进口管箱30所连接热源的热流体流量大小进行配置，每个换热管束21包含的换热管211数量由通过该换热管束21的热流体流量和在中部支撑杆22上的缠绕半径、缠绕角度共同确定。

本实施例中，缠绕状换热芯体20是由两个换热管束集合构成沿径向排布的内外10层换热管束结构，其中第一换热管束集合包含五束换热管束21，构成换热芯体20的由内向外的第1、2、3、4、5层；第二换热管束集合包含五束换热管束21，构成换热芯体20的由内向外的第6、7、8、9、10层。第1层换热管束由8根换热管211同时沿着中部支撑杆22螺旋向右上紧密缠绕正向，第2层换热管束由10根换热管211同时沿着第一层换热管束螺旋向左上紧密缠绕反向，第3层换热管束由8根换热管同时沿着第2层换热管螺旋向右上紧密缠绕正向……依此类推，同一换热管束集合中相邻的两层换热管束21在中部支撑杆22上的缠绕方向相反，两个换热管束集合相邻的两层换热管束21在中部支撑杆22上的缠绕方向也相反。

本实施例中，限位条用于隔开相邻两层换热管束以形成间隙，最内侧限位条与中部支撑杆连接固定，管箍将换热管固定在限位条上，管箍与限位条焊接。

大直径段内部分离腔中还设置有通入二次侧给水的壳程给水结构70，壳程给水结构70由进口直管段71和环形分布管段72组成，环形分布管段72为水平布置的环形水管，环形水管的环直径大小与夹套结构50和壳体10间形成的环形间隙相适应，环形分布管段72下部均匀开设有给水孔73，给水孔73正对环形间隙，便于二次侧给水直接进入环形间隙；

工作状态下，二次侧给水由壳体10和夹套结构50之间形成的环形间隙向下流动，经由夹套结构50的下部入口进入夹套结构50的内部，二次侧给水在夹套结构50的内部自下向上流动，与换热芯体20接触换热并汽化为蒸汽。二次侧给水在夹套结构中的水位采用现有技术中的核电站蒸汽发生装置常用水位控制装置控制。

本实施例中，两个管程进口管箱30分别在壳体10两侧同一高度上贯穿壳体10设置，管程进口管箱30的出口端伸入在夹套结构50的内部，管程进口管箱30与壳体10构成固定连接，且管程进口管箱30外周壁与壳体10间形成封闭；夹套结构50与壳体10之间还设置有连接二者支撑连接管60，支撑连接管60在管程进口管箱外侧形成通道便于管程进口管箱30穿设在夹套结构50与壳体10之间，夹套结构50与管程进口管箱30之间留有间隙，不直接接触。

两个管程进口管箱30远离壳体10的一端为进口端，进口端分别与核电站的一股热源连接用于通入热流体，管程进口管箱30内部为容纳热流体的空腔31，管程进口管箱30的出口端在夹套结构50内部设置为一块开设有至少一组圆孔的管板32，每个管程进口管箱30对应的换热管束集合贯穿设置或使用接头连接在管板32上，换热管束集合包含的每束换热管束21对应一组圆孔，每束换热管束21含有的每根换热管211与管板32上的每个圆孔一一对应，用于接收管程进口管箱30内的热流体。

壳体10的底端为一块整体管板13，整体管板13上环绕整体管板的圆心对称开设有贯穿整体管板13的孔组131，孔组数量与换热管束集合数量相同，每个换热管束集合对应一组孔组131,每个换热管束集合包含的每根换热管211与对应孔组131中的每个圆孔一一对应；每个孔组131的外周固定连接有管程出口管箱40，管程出口管箱40的空腔正对孔组131，便于接收由换热管束21流出的热流体，热流体由管程出口管箱40远离整体管板13的一端排出。

本实施例中，两个换热管束集合分别对应一股热流体，两个换热管束集合均由5组换热管束21组成，其中一个换热管束集合的第1、2、3层换热管束21分别由8、10、8根换热管构成，每组换热管束21至少包含一根换热管211，因此该换热管束集合对应管程进口管箱30的管板32上，开设的圆孔数量至少为28个，对应的整体管板13上设置的孔组131，开设的圆孔数量也至少为28个；另一换热管束集合同理。

用于蒸汽汽水分离的上部包括设置在夹套结构50的端板51上的一次汽水分离结构80和设置在封头11上沿壳程出口100环形布置的二次汽水分离结构90；

一次汽水分离结构80通过沉头螺钉结构与端板51可拆卸连接，二次汽水分离结构90通过沉头螺钉结构与封头11可拆卸连接。沉头螺钉结构包括汽水分离结构连接板81、端板连接板82或封头连接板92、沉头螺钉83和垫片84，其中，端板连接板82固接在夹套结构50的端板51上，封头连接板92固接在封头上11，汽水分离结构连接板81固定设置在一次汽水分离结构80及二次汽水分离结构90上，分别与端板连接板82或封头连接板92相对应；汽水分离结构连接板81上设置有贯穿汽水分离结构连接板81的内螺纹通孔，端板连接板82和封头连接板92均凹设有内螺纹孔，沉头螺钉83穿过内螺纹通孔与内螺纹孔连接并压紧位于端板连接板82或封头连接板92和汽水分离结构连接板81之间的垫片。

一次汽水分离结构80采用市售旋叶式汽水分离器，二次汽水分离结构90由平行于封头11切线紧密排列的波纹板组构成并沿壳程出口100圆周均匀分布，形成环形汽水分离通道；环形汽水分离通道的中心设置有防止蒸汽通过的漏斗状金属片95，金属片95底边固接于环形汽水分离通道远离壳程出口100的最外侧边沿，金属片95的中心最低点开孔并固接一根排水细管96，排水细管96垂直悬设在夹套结构50的端板51正上方，使二次分离汽水结构90中蒸汽通过时汇集的冷凝水从金属片95中心排水细管96排出至端板上再流入夹套结构和壳体间的环形间隙中，循环利用。

工作时，二次侧给水产生的水蒸汽通过夹套结构上部的一次汽水分离结构实现一次汽水分离，再通过二次汽水分离结构-波纹板组进行二次汽水分离，以达到出口蒸汽的水分含量要求，最终从壳程出口流出。

中部支撑杆22为套管结构，中部支撑杆的上端即内管221与端板51的下表面中心固定连接，下端即外管222与整体管板13的上表面中心固定连接，外管222的顶端至少到达管程进口管箱30下边沿在夹套结构50上的高度，中部支撑杆22的内管221与外管222重叠处开设有通孔，通孔为沿支撑杆轴向开设的竖向孔，竖向孔内设置有贯通内管221和外管222的限位杆223，限位杆223两端设置有防止限位杆223坠落的弧形钩和螺母，限位杆223可在竖向孔内上下移动，用于实现中部支撑杆22热胀时的有限伸缩。

夹套结构50的底端设置有导流板52，导流板52垂直于夹套结构50的内壁并与中部支撑杆22形成环形孔隙，环形孔隙使得二次侧给水可以方便进入夹套结构50内设置的换热管芯的20间隙中，避免因阻力影响二次侧给水仅沿换热管芯20外侧流动。

实施例2：

本实施例为3股流高效紧凑式蒸汽发生装置。

如图9所示，一种高效紧凑式蒸汽发生装置，包括设置在壳体10内用于进行换热产生蒸汽的换热部和用于蒸汽汽水分离的分离部，壳体10自上而下包括大直径段、过渡段和小直径段，过渡段连接大直径段和小直径段；大直径段内部是由壳体10、封头11和夹套结构50顶部端板51形成的分离腔，分离部设置在分离腔内，换热部由分离腔向壳体10的小直径段延伸；壳体10和封头11通过法兰连接，封头11为半椭球性，长轴与壳体10的宽直径段直径相同，封头11的顶部开设有供蒸汽流出的壳程出口100。

换热部包括由换热管束21螺旋上升缠绕形成的管式换热芯体20和套设在换热芯体20外侧的夹套结构50，夹套结构50的直径小于壳体10的内直径且轮廓与壳体10相适配，夹套结构50的顶部为封闭状，底部设有开口；换热芯体20的一端与至少一个管程进口管箱30连接并自管程进口管箱30通入热流体，另一端与至少一个管程出口管箱40连接，热流体流经换热芯体20后由管程出口管箱40流出。

换热芯体20是由换热管束21紧密缠绕在中部支撑杆22的周侧而形成的沿径向排布的内外层状换热结构，每束换热管束21紧密缠绕构成换热芯体径向排布的一层，且换热结构的相邻层的缠绕方向相反；每个管程进口管箱30连接至少一束换热管束21构成一个换热管束集合，与同一个管程进口管箱30相连的换热管束集合在换热结构上沿径向相邻排布，每个换热管束集合对应连接一个管程出口管箱40。每个换热管束集合包含的换热管束21数量由对应的管程进口管箱30所连接热源的热流体流量大小进行配置，每个换热管束21包含的换热管211数量由通过该换热管束21的热流体流量和在中部支撑杆22上的缠绕半径、缠绕角度共同确定。

本实施例中，三个管程进口管箱30分别在壳体10的同一高度上均匀分布并贯穿壳体10设置，分别来自三处热源的三股热流体通过管程进口管箱流入换热芯体的换热管束中。第一股热流体下称管程流体a通过管程进口管箱30a流入第一管程，通过第一换热管束集合21a，自上向下呈螺旋状流动，再通过管程出口管箱40a流出；第二股热流体下称管程流体b通过管程进口管箱30b流入第二管程，通过第二换热管束集合21b，自上向下呈螺旋状流动，再通过管程出口管箱40b流出；第三股热流体下称管程流体c通过管程进口管箱30c流入第三管程，通过第三换热管束集合21c，自上向下呈螺旋状流动，再通过管程出口管箱40c流出。

本实施例中，管式换热芯体20中的换热管束21的缠绕方式如图10所示，换热芯体20由自内而外共有9层换热管束21，其中第1、2、3层换热管束构成第一换热管束集合21a，第4、5、6、7层换热管束构成第二换热管束集合21b，第8、9层换热管束构成第三换热管束集合21c。具体的，第1层换热管束由5根换热管211同时沿着中部支撑杆22螺旋向右上紧密缠绕正向；第2层换热管束由6根换热管211同时沿着第1层换热管束螺旋向左上紧密缠绕反向，第3层换热管由6根换热管同时沿着第2层换热管螺旋向右上紧密缠绕正向……依此类推，同一换热管束集合中相邻的两层换热管束21在中部支撑杆22上的缠绕方向相反，两个换热管束集合相邻的两层换热管束21在中部支撑杆22上的缠绕方向也相反。如此，管程进口管箱30中的三股管程流体a,b,c经过换热芯体20与夹套结构50内自下而上流动的二次侧给水进行旋流强化的逆流换热，对二次侧给水进行充分加热，极大的提高了换热效率，节省了设备投资，同时充分利用了电厂不同热源，联合换热。

三个换热管束集合分别由3组、4组和2组换热管束21组成，其中第一换热管束集合21a的第1、2、3层换热管束21分别由5、6、6根换热管构成，因此该换热管束集合对应管程进口管箱30的管板32上，开设的圆孔数量为17个，对应的整体管板13上设置的孔组131，开设的圆孔数量也为17个；其余换热管束集合同理。

本实施例2中的一种高效紧凑式蒸汽发生装置，其与实施例1的区别在于实施例1使用2股热流体，本实施例2使用3股热流体，3股热流体同时对壳程给水进行加热，本实施例2与实施例1相比，未提及部分结构均相同，不再赘述。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

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