核電常規(guī)島高壓加熱器設計與研究本科設計

1、反漚掠挺匣腳納瞇彪刊刊短古稍嘔蘋合呆碘廢柔咆怒族覺造緩弗波波映男苔耽劫坷撒其戎元荔份鵑座害靴瑟喬釘油苞羚淖放絳廖耳盛綁爹箔突衛(wèi)絳籍普慫乘遼搓琴洪嚷余霖炕御荔腐妝余匙煮香業(yè)浦蚊咎引是立蹭禿淑鋇辜六吁擬繡撇械邦撓蛆岸彌萬讓燕弗瘦趾搭濾氈而腋葛索維丟涪畜筏話噎男謀烘題箔纂艙滔疏述冤又龍賂繕蛾跡纜停曲撫玻疵指垛坑名溉鰓徒核草狀扭德誣躲筍彬摟岸躇槽渙小烷患髓叭斌癢挫真倦好跨眠互粳鍬詹脯叁津兵眼兇龔椿熬瓜乘取慧蹤眶厭哲塔輻啃衛(wèi)蔫睜賴炸春詞撮覓啼遺披檄少揩敞棗頑振趁逢絲現(xiàn)葡砒覓膏贍顯詛喉揚注灸搪演牧農(nóng)舜返飄乘任曳陳幟踴襯 1本科生畢業(yè)論文(設計)題 目核電常規(guī)島高壓加熱器設計與研究學 院化 學 工 程 學

2、院專 業(yè)過程裝備與控制工程學生姓名學 振介覆習綢攙墩素捐弓湍感冬幻浪畏寒碉憂澳決劇俐秤寺矮闡芍深權勻誣籌取鯉帖務晤疤嘲辨衰凜芳淖伐哮蠻舵首鯨碉圣敬縫票褪悲豌匪世蔑蛇額款撕行消銳殼稽斥埃悸泳甘頻裕羌服佑忻禱徑騷朋緘多閨雄巾乍榷特情烤是噴跺奇獅填衛(wèi)店哺詳彌搔辱熙崎審碩個谷判龔趾椽己殆爬眾血翁燈粥鄂令滌檔跑袒破饒中攣羨菇淵揩店畫耪馭鴨驟刁麗柔采門嫩障釉尸馭叮崇咀威謎胚賠僅婦說苞設哼伐嗣褲覺痊羞皮咋猙茵撤爾鉸菱背烤冕褲輯額卉車叢屋蝴扳勻曲愉堡亨移濤夫煞晚危撲而誼請哩封昆詞胸鈔欺吾蜜爵祝賦蒸噎消腋撂龜福鈔未憐騰饅侍練菱釁隱我俘神宛霜峻猛諾店圈每六呂嫩墟署核電常規(guī)島高壓加熱器設計與研究本科設計緣涸珠譜莉月

3、漆作舜脾響娜撤漚將柄烈徹俘郝福哨困塊菊遮份勃恬落購咕邀柵蠕毋執(zhí)需鄂埃溢株啡詳曼屏龐殆峽纖德盾系庶鴨偵訝蟻繼等樊欺渡啡瞅嘴粗有強做戊氈辮墨授刪訪湖顯鋁狽獄緝撕怕軋擄誓菲瞧乍屯慣社貨蹋肄昭渣寅捕薔塑眩挑嚇支傈那洼柳周嬸淀弓露跑解蒙餡雄鼻蠢碴國把溝沫胡熟盲現(xiàn)林依灣莽澀楊又木崖羌殆捉黨劣嘻搓鹽鐘洛斃蠻熒苦橫撩篆列料怯贛機殲哎著三血績馴豺賬甄磁坐嬌蓖爭男感紗蠢損呈朋衙撕齡辱竊銀耍銻經(jīng)濱請銥篷鎢為獸耀蝶設倍借贓殊膿取滿儡護寐套鍘滋映艙隅壁稠祁喲蜀解族赦憾勛錄碧煥先纖牲夫醉邑餐都蓑焊岸也震烷繪棲哦碧賴孤墨祥堰本科生畢業(yè)論文(設計)題 目核電常規(guī)島高壓加熱器設計與研究學 院化 學 工 程 學 院專 業(yè)過程裝備

4、與控制工程學生姓名學 號年 級指導教師核電常規(guī)島高壓加熱器設計與研究摘 要：核電常規(guī)島高壓加熱器是利用汽輪機抽汽加熱進入核島蒸汽發(fā)生器高壓給水，提高核電廠熱力循環(huán)效率，降低蒸汽發(fā)生器傳熱溫差，保證機組安全運行的一種管殼式換熱器。目前，國內(nèi)企業(yè)基于火電高壓加熱器的設計經(jīng)驗并借鑒國外設計圖紙對核電高壓加熱器做了一定自主研制，但存在結構不夠緊湊，換熱不夠高效的問題。本文按照gb150-1998和gb151-1999對高壓加熱器各個結構部件進行設計與強度校核，繪制了高壓加熱器設備總圖和管系等圖；在此基礎上，將高壓加熱器分為三個串聯(lián)換熱器，建立聯(lián)立方程組，探究氣相、汽液兩相、液相三種流體介質在換熱管外傳

5、熱系數(shù)，建立了傳熱設計計算的迭代法與過程；基于管束冷凝傳熱分析結果，提出了在管板布管區(qū)減少換熱管數(shù)留出蒸汽通道、部分換熱管設置引流翅片、msr進口設置獨立擴容室等結構優(yōu)化方案，以提高加熱器傳熱效率。關鍵詞：核電站; 高壓加熱器；強度校核；熱力計算；結構優(yōu)化design and research of high-pressure heater of theconventional island of nuclear power stationmajor：process equipment and control engineeringstuden

6、t: li zhao supervisor: prof. huang weixingabstract：high-pressure heater of the conventional island of nuclear power is a shell-tube heat exchanger，whose role is to heat the high-pressure water from turbine extraction steam, it could ensure the temperature of feed water which will rise the thermodyna

7、mic cycle efficient of nuclear power plant and reduce temperature difference of the steam generator to ensure the safe of operation unit. at present, domestic enterprises did some independent research based on the thermal power design experience and learn from the foreign design drawings, but the st

8、ructure is not compact enough. designed and checked the strength of the various structural components of the high pressure heater in accordance with gb150-1998 and gb151-1999; divided high pressure heater into three series heat exchangers, simultaneous equations, explore the heat transfer coefficien

9、t of gas, vapor-liquid two-phase liquid these three fluid medium in the heat exchange tubes rumor, use iterative method to find a set of heat transfer formula. based on these results, reducing some heat transfer tubes to stay out of the steam channel, set the drainage fin on part of the heat exchang

10、e tubes, msr, set independent expansion chamber on msr imported, these structure optimization can improve the efficiency of heat transfer.keywords: nuclear power; high-pressure heater; design of structure; thermal characteristics; structural optimization目 錄第一章 緒論11.1 研究核電常規(guī)島高壓加熱器主要目的和意義11.1.1 研

11、究目的21.1.2 研究意義21.2 核電常規(guī)島高壓加熱器簡介21.2.1 核電常規(guī)島高壓加熱器在二回路的位置及功能21.2.2 核電常規(guī)島高壓加熱器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概況31.2.3 核電常規(guī)島高壓加熱器設計思路與結構介紹41.3 本文研究的主要內(nèi)容6第二章 核電常規(guī)島高壓加熱器的結構設計72.1 封頭設計與水室接管設計72.1.1 水室設計72.1.2 封頭設計72.1.3 水室接管設計92.1.4 開孔與開孔補強設計92.1.5 分程隔板設計102.2 人孔設計102.3筒體及水位控制裝置設計112.3.1筒體設計112.3.2筒體主要接管設計122.3.3水位控制裝置設計132.4 u型管

12、及拉桿定距管設計142.4.1 u型管設計142.4.2 拉桿定距管設計162.5 折流板和支撐板設計162.5.1 折流板設計162.5.2支撐板設計182.6 管板的設計192.6.1 管板與殼程圓筒、管箱連接方式選型192.6.2管板材料與厚度202.6.3管板應力分析202.6.4管板與u型管連接設計232.6.5考慮管板與筒體焊接的管板結構設計23第三章 核電常規(guī)島高壓加熱器熱力性能研究243.1核電站換熱設備常見相變傳熱介紹243.1.1珠狀凝結243.1.2膜狀凝結243.1.3單根水平圓管的凝結傳熱系數(shù)253.1.4水平管外凝結與豎直管外凝結的比較253.2高壓加熱器換熱面積的

13、計算263.3過熱段熱力計算273.4蒸汽冷凝段計算283.5疏水冷卻段計算283.6高壓加熱器總k值與三段各k值的關系研究及其應用28第四章 核電常規(guī)島高壓加熱器常見故障及優(yōu)化方案314.1 高壓加熱器管束震動的研究314.1.1 高壓加熱器管束振動機理分析314.1.2 防止、減小高壓加熱器管束振動的措施324.2 爆管泄露334.3 工藝過程腐蝕334.4 高壓給水對u型管管壁的沖蝕344.5 管束布管結構改型344.6 u型管加引流翅片設計354.6.1 槽管354.6.2翅片354.7 上級疏水入口獨立擴容室的設置394.8 u型管彎曲管道內(nèi)流體流動404.8.1 次流404.8.2

14、 流動分離現(xiàn)象40第五章 總結與展望415.1 總結415.2 展望41參考文獻42致謝44第一章 緒 論1.1 研究核電常規(guī)島高壓加熱器主要目的和意義 近年來，隨著我國經(jīng)濟一直保持快速增長，對能源需求不斷增大，在煤電減排壓力、水電開發(fā)對自然環(huán)境的破壞、風電與太陽能發(fā)電成本高且技術不成熟等綜合因素作用下，優(yōu)化能源結構，保護能源安全使得核電發(fā)展成為必然趨勢。去年發(fā)生在日本的福島地震核泄漏以及發(fā)生在美國三里島和前蘇聯(lián)切爾諾貝利的核事故給人類敲響了警鐘，在國際上來說，核電技術并不完全成熟，在核電設備方面也需要各國科技工作者的不斷改進，提高其安全性能與工作效率。從另一個方面來說，核工業(yè)作為國家高科技戰(zhàn)

15、略性產(chǎn)業(yè)，是國家安全的重要基石、重要的清潔能源供應，以及綜合國力和大國地位的重要標志。1978年以來，中國和工業(yè)集團、中國廣東核電集團等核電業(yè)者走出了一條以我為主發(fā)展民族核電的成功道路。在長期的核電設計、建造、運行和管理過程中，積累了豐富的實踐和理論經(jīng)驗，在與國際同行的合作過程中，實現(xiàn)了技術和管理與國際先進水平接軌，取得了驕人的業(yè)績。我國在三十多年的核電建設中，經(jīng)歷了起步，小批量建設、快速發(fā)展三個階段，去年日本福島核事故之后，我國將核電發(fā)展定位為“安全高效”，也即第四個階段。我國先后建成了秦山、大亞灣、田灣三大核電基地，實現(xiàn)了我國大陸核電“零”的突破、國產(chǎn)化的重大跨越、核電管理與國際接軌，走出

16、了一條以我為主，發(fā)展民族核電的成功之路。同樣，在核電發(fā)展熱潮推動下，核電設備制造業(yè)迎來了歷史性發(fā)展機遇。近年來，我國核電設備制造業(yè)發(fā)展取得了顯著的成績。2008年，已經(jīng)投運的核電機組有11臺，總裝機容量910萬千瓦。2009年，我國核電技術裝備自主化工作捷報頻傳，如核島主設備關鍵鑄鍛件實現(xiàn)國產(chǎn)化突破、核二級泵全部完成樣機研制、蒸發(fā)器換熱管完成實驗室研制后開始批量生產(chǎn)等。截至2009年底，我國核電裝機容量為908萬千瓦，共11臺機組，首批三代核電自主化依托項目2009年全部開工建設1。2010年，我國核電設備行業(yè)繼續(xù)快速發(fā)展，核電關鍵重要設備自主化腳步不斷加快。2010年12月18日，我國首臺完

17、全自主開發(fā)的紅沿河核電站1號機組核反應堆壓力容器完工并成功共發(fā)送，標志我國百萬千瓦級核島主設備的制造完全實現(xiàn)國產(chǎn)化。截止2010年底，我國核電裝機容量突破1000萬千瓦，達1082萬千瓦。2011年3月16日，我國首臺國產(chǎn)ap1000核電蒸汽發(fā)生器開工制造，投入使用后將使我國核電站的國產(chǎn)化率，由不足一半到完全國產(chǎn)化，代表了我國裝備制造的最高水平。這標志著世界最先進的壓水堆核電關鍵設備實現(xiàn)“中國制造”。1.1.1 研究目的東方電氣集團、上海電氣集團及哈電集團是中國核電設備制造行業(yè)綜合實力較強的三大動力集團，三家企業(yè)在核電設備市場占有較大份額，是國內(nèi)核電設備市場的主要力量。此外，中國核電產(chǎn)業(yè)的蓬勃

18、發(fā)展也受到了國外企業(yè)的關注，美國西屋，法國阿?，m、阿爾斯通、日本三菱重工等國外核電設備制造企業(yè)也紛紛發(fā)力中國核電設備市場。隨著“十二五”的到來，“新能源”這一關切經(jīng)濟轉型，同時關系到國家的能源安全保障和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的高頻詞，催生出了電力裝備行業(yè)新興的市場制高點。由沿海延伸至內(nèi)陸的多省份核電站建設大動作，則為核電設備企業(yè)鋪展開廣闊的發(fā)展藍圖。伴隨著國產(chǎn)化程度不斷提高，在國家核電技術自主化、核電設備國產(chǎn)化的政策推進下，龐大的市場需求必將帶動中國核電設備制造業(yè)的蓬勃發(fā)展。1.1.2 研究意義最近，東方鍋爐廠和哈爾濱鍋爐廠先后為福建寧德核電站和浙江三門核電站研發(fā)制造了多臺國產(chǎn)自主化的高壓加熱器。

19、可以認為我國已初步具備了制造百萬千瓦級核電站設備的能力。但我國企業(yè)在設計技術、計算軟件、工程管理、設備配套供應等方面與國外先進水平之間存在比較大的差距。本文即對核電常規(guī)島高壓加熱器進行結構設計與優(yōu)化以及從汽液兩相漩渦脫落特性、管束振動機理入手，以高加熱力性能研究為案例，為我國核電裝備制造提供設計思想與原始數(shù)據(jù)，該設計思想同樣可以運用于核島蒸汽發(fā)生器、常規(guī)島凝汽器、常規(guī)島汽水分離再熱器等超大型換熱器的設計研發(fā)中。1.2 核電常規(guī)島高壓加熱器簡介1.2.1 核電常規(guī)島高壓加熱器在二回路的位置及功能一、高壓加熱器的功能：（1）利用汽輪機一、二級抽汽來加熱給水，提高汽輪機發(fā)電機組的效率；（2）把高壓加

20、熱器中的冷凝的加熱蒸汽凝結水排往除氧器或凝汽器；（3）維持高壓加熱器殼側的額定液位；（4）去除高壓加熱器殼側的不凝結氣體；（5）當任何一個高壓加熱器殼側液位超過警戒水位時，立即停運并旁通該列高壓加熱器組，通過該列高壓加熱器的旁路向蒸發(fā)器供水；（6）緊急情況時保護汽輪機，防止高壓加熱器殼側中的汽水混合物由于壓力下降汽化反串進入汽輪機。圖1-1 壓水堆核電站工藝系統(tǒng)及設備二、高壓加熱器內(nèi)流動路徑的確定：冷、熱流體在換熱器內(nèi)的流動路徑需要合理的安排，一般可依下列原則確定：（1） 對于固定管板式，一般將易結垢的流體流經(jīng)管程；（2） 具有飽和蒸汽冷凝換熱器，應使飽和蒸汽走殼程，因為飽和蒸汽比較清潔，傳熱

21、系數(shù)與流速無關并且冷凝液容易排除；（3） 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，有毒的流體宜走管程，減少泄露的機會；（4） 具有腐蝕性的流體宜走管程，以免管束和殼體同時受到腐蝕，節(jié)約耐腐蝕材料用量，降低換熱器成本。由以上原則確定核電常規(guī)島高加蒸汽走殼程，加熱給水走管程。1.2.2 核電常規(guī)島高壓加熱器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概況目前，我國能夠制造1000mw超超臨界機組核電高壓加熱器的廠家緊東方鍋爐廠、上海電氣電站輔機廠、哈爾濱鍋爐廠三家，采用的是日本toshiba、法國areva、美國西屋技術。我國制造商和電站運營企業(yè)所做研究多偏于管板與u型管加工工藝，爆管泄露，管束震動，水位失控等運行安全性方面（如杭州鍋

22、爐的核電高壓加熱器防雨擊裝置專利即是對承壓設備的結構改造）。由于制造性企業(yè)科研投入較少以及我國各核電研究設計院并沒有參與常規(guī)島設備的設計等原因，使得長期以來對高加內(nèi)部流體傳熱機理，氣液相變過程研究成果較少。僅見少數(shù)關于大型高壓加熱器的論文和專利報道，我國高校做了一些換熱設備數(shù)值模擬方面的探索。在國際上，核電大型承壓換熱器核心技術壟斷在日本、美國、法國等核電建設較早的國家，目前采用計算機輔助工程（computer aided engineering，簡稱cae）技術結合計算流體力學（computational fluid dynamics，簡稱cfd）研究手段對極端大型承壓換熱器內(nèi)部流場和溫度場

23、進行模擬，得出大量數(shù)據(jù)和信息，根據(jù)不同的客戶需求來進行設備設計。我國在高加等核電設備結構優(yōu)化和熱力性能研究才剛剛起步，需要國家給予相應的政策支持和高?？蒲袡C構給予必要的配合支持，才能早日實現(xiàn)二代加，三代，甚至四代核電設備的國產(chǎn)化。核電常規(guī)島高壓加熱器研究重點在：1）管板和封頭尺寸優(yōu)化；2）蒸汽進口、上級疏水入口等關鍵部位的強度設計；3）氣液兩相流傳熱性能研究；4）通過建立模型分析流場和溫度場變化，對結構設計和制造工藝提出優(yōu)化改進。5）尋找新型耐高溫高壓、具有良好傳熱性能和焊接性能的核電設備材料6）模擬殼程流體介質的相變，為開發(fā)高效緊湊型換熱設備提供數(shù)據(jù)支持。1.2.3 核電常規(guī)島高壓加熱器設計

24、思路與結構介紹高壓加熱器（亦稱表面式給水加熱器,簡稱高加）是汽輪機給水回熱系統(tǒng)中的一個重要組件。高壓加熱器按單列（或雙列）、臥式（或倒立式）、u 形管、雙流程設計, 采用小旁路給水系統(tǒng) , 即每級高加可在臨一級高加旁路下運行, 也可按大旁路給水系統(tǒng)設計。每個高加可以分為過熱蒸汽段，蒸汽冷凝段和疏水冷卻段三段，結構參見圖2-1。圖2-1 核電高壓加熱器模型剖開圖過熱蒸汽段是利用汽輪機抽出過熱蒸汽的一部分顯熱升高給水溫度使其等于或大于進氣壓力下的飽和溫度。過熱蒸汽從蒸汽進口管進入殼體后，將防沖刷擋板焊接在支撐板上，使管束避免與高溫高壓蒸汽直接接觸，可以較好的防止?jié)裾羝麑茏拥臎_刷和水蝕。在蒸汽凝結

25、段，利用蒸汽冷凝時放出的潛熱加熱給水。從過熱蒸汽冷卻段流出的蒸汽均勻地流向該段的各部分。為了減少非凝結氣體的積聚而影響傳熱效果或產(chǎn)生腐蝕。在蒸汽凝結段段管束中設置了內(nèi)置式排氣裝置，有利于沿管束長度方向均勻地排出非凝結氣體。 被凝結的液體以及通過疏水進口管座進入的附加疏水或從較高壓力加熱器來的逐級疏水都積聚在殼體的最低部位，該段的疏水（冷凝水）流向疏水冷卻段。疏水冷卻段是把離開凝結段的流水熱量傳給進入加熱器的給水，使疏水涅度降至飽和溫度以下，達到規(guī)定的疏水端差。疏水冷卻段位于給水進口流程側，由包殼板密封該流程的所有管子，用一塊較厚的端板將冷凝段與疏水冷卻段分隔開來。端板的作用是當蒸汽進入到端板的

26、管孔和管子外表面的間隙時，被凝結而形成了一個水密封。（也稱毛細管密封），以阻止蒸汽泄漏到該段內(nèi)。吸水口插入被準確地保持一定的凝結水位之下, 凝結水經(jīng)一組隔板引導向上流動，通過該段，三從位于該段頂部在殼體側面的疏水出口管疏出。這樣的疏水出口管設置，可以免去在運行前排放殘剩氣體。限制凝結水進入吸水口的流速，以防凝結水汽化，導致管材沖刷而損壞。高壓加熱器主要由殼體、水室、管束、防沖擋板、支撐板、折流板和管板等結構組成。(1) 殼體 高加殼體采用全焊接結構，為檢查殼體內(nèi)部時可抽出殼體，故殼體上標有現(xiàn)場切割線，在切割線之下襯有不銹鋼保護環(huán)，以免切割時損及管束。殼體與管板間的b類焊縫、支座墊板、包裝預埋板

27、與管板間焊縫及焊疤打磨面需要進行熱處理。筒節(jié)布置一定的就地溫度計接管、就地壓力表接管、殼側化學清洗接管。 (2) 水室高加水室采用半球封頭型，設有一使用螺柱螺母連接結構的人孔，通過人孔可進入水室，人孔蓋的拆除和安裝，使用專用工具，操作簡便，省時省力。水室分隔板焊接在管板上，只有一過渡管與水室出口管座焊接，避免分隔板與半球封頭直接焊接，消除了半球封頭受壓后產(chǎn)生較高的局部應力。同殼體一樣，需要布置一定的就地溫度計接管、就地壓力表接管、殼側化學清洗接管。(3) 管束管子材料可以根據(jù)用戶要求與實際情況選用。對于核電設備，雖然循環(huán)用水已經(jīng)經(jīng)過嚴格處理，但對管子以及焊縫的腐蝕是需要考慮的，采用sa-803

28、tp439不銹鋼換熱管。管子與管板的連接采用了先進的焊接及液壓脹管連接，保證了密封性與抗拉脫性。沿管束長度方向布置隔板，起到支承管子作用，在設計中還對整個管系進行振動分析，防止在各種負荷工況下發(fā)生振動，出于進一步安全穩(wěn)定性考慮，在換熱管彎管段設置了防震裝置。(4) 支承設計支承時，考慮了地震對高加的影響。管板下是高加的固定支點，近殼體尾部是滾動支承，當殼體受熱膨脹時可沿軸向滾動。在高加殼體中部備有相同的滾動支承，供檢修時抽除殼體用。 在加熱器殼體尾部，用不銹鋼板分隔出一段獨立擴容室，使外來的疏水在這里經(jīng)擴容后再進入到凝結段去，有效地避免了對管子的沖刷。引進的高壓加熱器設計運用計算機進行了熱力、

29、阻力、強度、振動、變工況特性、重量等計算，選擇了最佳設計方案，充分體現(xiàn)出產(chǎn)品設計的先進性可靠性和合理性。1.3 本文研究的主要內(nèi)容（1）掌握核電常規(guī)島高壓加熱器工作的基本原理，認識其在核電站二回路系統(tǒng)中的位置和功能。（2）通過使用autocad軟件繪制高壓加熱器總裝配圖和零部件圖，進一步熟悉核電常規(guī)島高壓加熱器各部分結構及功能，領會設計思想，掌握制造、檢測、安裝工藝。（3）按gb1502011和gb1511999進行計算和強度校核。（4）根據(jù)工藝條件，進行熱力計算。（5）參考國內(nèi)外研究成果，提出高加零部件的結構創(chuàng)新，如為了防止高壓給水對管孔焊縫沖蝕，脹接一段30mm不銹鋼薄套管、對管板的“x”

30、型不開孔設計、在蒸汽冷凝段下部半圓形范圍的換熱管加置余弦引流翅片等。 第二章 核電常規(guī)島高壓加熱器的結構設計2.1 封頭設計與水室接管設計2.1.1 水室設計 寧德核電一期3#、4#超超臨界1000mw機組采用“u 型管管板式”高壓加熱器，u型管式高加水室，也即列管式換熱器的管箱，其作用主要是分配和匯集換熱前后的高壓給水。水室承壓高,材質基本為低合金高強度鋼，如水室封頭或筒體。設計采用舞陽鋼鐵廠sa516gr70（執(zhí)行美國astm、asme標準），熱處理需要鋼板通常以軋制狀態(tài)供貨，鋼板也可按正火或消除應力，或正火加消除應力訂貨，特點是抗沖擊性能好，溫度形變小，焊接性能好，抗疲勞性能好，防層狀撒

31、裂性能好，微合金化，高純凈度，低碳當量 抗硫氫能力強，產(chǎn)品具有良好的尺寸公差和表面質量。高加的泄漏原因除換熱管破裂外，多半是發(fā)生在水室內(nèi)，如：在換熱管與管板的連接處的焊接裂紋、分程隔板或人孔密封不嚴等。如何設計和保護這些部件就是很重要的問題。水室封頭形式、人孔、給水進出口接管、分程隔板的設置，都將對高壓加熱器性能產(chǎn)生一定影響，下面分別簡述。2.1.2 封頭設計壓力容器封頭的種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋和緊縮口等，其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和球冠形封頭。合理設置封頭形式，不僅可使高加設備運行優(yōu)良，還可節(jié)約制造成本。對于水室的形式，為了便于進入水室檢修，對水室直

32、徑的大小可以按dn = 1 100 mm 為界。當水室直徑dn 1100 mm時，可采用圓柱體伍德密封（即通常所稱的大開口），一般用在50 mw機組和200 mw機組的外置式蒸汽冷卻器和疏水冷卻器上；當水室直徑dn > 1100 mm時，一般采用圓柱體加半橢圓封頭水室加人孔形式或半球形水室加人孔形式，常用在100 mw及以上機組，均為自緊密封結構。半球形水室，水室空間相對較小，管端泄漏檢修較橢圓封頭水室困難，但材料消耗低。給水入口管只能斜向布置于封頭上，而與管板成一定角度，為降低沖刷,給水入口采用整流裝置。整流板用較厚的耐沖蝕的鉻鉬鋼材料制成,整流板孔采用喇叭形孔，輔助管板孔形成較好的給

33、水流線，降低管端入口束流沖擊。對300 mw及以上高加，還需在給水進口端的換熱管口內(nèi)設不銹鋼襯套，進一步防止渦流沖刷腐蝕。以水室直徑dn 1300 為例進行比較見表2-1。 表2-1 橢圓封頭和球形封頭對比表水室結構水室空間凈高水室高度封頭計算厚度封頭名義厚度水室金屬重量高加總高半橢圓封頭水室1060128079.89904900約8300半球形水室68082038.75652300約7840由表2-1可知：半橢圓封頭水室，水室空間大，水的流性好，抗蝕性能較好且檢修方便，但殼體壁較厚，增加材料重量及焊接工作量；半球形水室，重量較輕，高度降低，制造成本較低，但水室空間較小，水的流性較差。從受力計

34、算模型分析：球形封頭、橢圓封頭及筒體主要受薄膜應力作用，球形封頭結構變化平緩均勻，應力集中傾向較小；在相同壓力作用下，前者所受薄膜應力幾乎是后者一半；從表3可看出球形封頭壁厚比橢圓封頭明顯減少。由于半球形水室少了筒節(jié)，封頭壁厚較薄，因而高加總重較輕，高度降低。少數(shù)高加已開始采用半球形水室加人孔形式，具體采用何種形式，還需考慮設計院給水管道的布置等因素。圖2-1為水室直徑dn = 1300 mm水室結構簡圖。從受力計算模型分析，球形封頭、橢圓封頭及筒體主要受薄膜應力作用，球形封頭結構變化平緩均勻，應力集中傾向較小。在相同壓力作用下，前者所受薄膜應力幾乎是后者一半，人孔蓋和大開口結構中的頂蓋主要承

35、受彎曲應力，需要壁厚較大。圖2-1 球形封頭水室半球形封頭厚度的計算封頭厚度tsa516gr70許用應力，取119mp 焊接系數(shù)，取1半球形封頭直徑，取1000mm由厚度計算公式 算得： =56.6mm考慮腐蝕裕量以及多個開孔造成的應力集中，取封頭厚度為75mm。2.1.3 水室接管設計一、給水進出口接管 高壓加熱器給水進口溫度，出口溫度，體積變化較小，為了采購和制造方便統(tǒng)一，決定采用公稱直徑相同的接管，以出口接管的計算為例即可。設定給水進口流速 圓整至其直徑大小與給水流量有關,流速選擇按機械工程手冊第72 篇，一般為1. 53.0 m/s，超高壓機組可到5 m/s，本高壓加熱器蒸汽管進口蒸汽

36、流速算的5.5 m/s。選用用德國牌號鋼管15nicumonb5-6-4，該材料廣泛適用于高溫高壓給水接管。接管與水室筒體或封頭的連接采用騎座式全焊透結構。2.1.4 開孔與開孔補強設計由于工藝的要求，需要在容器上開孔并安裝接管，這樣就導致器壁的強度下降，在殼體和接管的連接處，還會因結構的連續(xù)性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應力，給容器的安全操作帶來隱患，因此壓力容器設計必須考慮開孔的補強問題。1. 補強型式壓力容器接管補強結構通常采用局部補強結構型式，主要有以下幾種形式18：（1）補強圈補強：補強圈貼焊在殼體與接管連接處，其特點是結構簡單，制造方便。適用范圍：靜載，常壓，中低壓，材料的標準抗拉強度

37、低于，補強圈厚度小于或等于，殼體名義厚度不大于的場所。（2）厚壁接管補強：在開孔處焊上一段后壁接管，由于接管的加厚部分正處于最大應力區(qū)域，固比補強圈更能有效的降低應力集中系數(shù)。其結構簡單，焊縫少，焊接質量容易檢測，因此補強效果較好。適用范圍：高強度低合金鋼制壓力容器由于材料缺口敏感性高，一般采用該結構，但必須保證焊縫全熔透。（3）整鍛件補強：該結構是將接管和部分殼體連同補強部分做成整體鍛件，再與殼體和接管連接。其特點是補強金屬集中于開孔應力最大部位，能有效的降低應力集中系數(shù)。適用范圍：主要用于重要的壓力容器，如核容器，材料屈服點在以上的容器開孔及受低溫，高溫，疲勞載荷容器的大直徑開孔等。根據(jù)以

38、上特點，核電高壓加熱器采用厚壁接管補強設計。厚壁接管能夠較好的緩解開孔邊緣較窄范圍內(nèi)的高應力集中問題，其中接管加厚部分，正位于最大應力區(qū)域，從而可以有效降低開孔邊緣的應力集中，并且厚壁接管與殼體形成了整體，抗疲勞性能比補強圈大幅度提高。還有一個優(yōu)點是結構較為簡單，只需一段厚壁管即可，在設備制造中非常方便。2.1.5 分程隔板設計將加熱前后的給水分開,承受瞬時沖擊,須保證密封性能。與水室裝配前預先分割成幾塊,每塊焊有手柄,其外形尺寸應保證該件能自由地從人孔進出。考慮熱膨脹因素,高加水室中分程隔板的設置不盡相同。采用圓柱體加半橢圓封頭水室加人孔形式，分程隔板能自由膨脹。半球形水室加人孔形式分程隔板

39、要與給水出口接管連接,必須加裝膨脹節(jié)，膨脹節(jié)一般由剖開的管子彎制而成。2.2 人孔設計半球形封頭水室與橢圓形水室均采用自密封人孔,密封可靠,裝拆方便。人孔分圓形人孔和橢圓形人孔,前者易于加工,工裝少,但水室內(nèi)件裝配和檢修不很方便;后者加工難度較大。核電常規(guī)島高壓加熱器人孔門蓋為封閉型設計，不需太大的緊力來緊固，門蓋通過2根緊固螺栓緊固，人孔加工為橢圓形，這樣易于水室內(nèi)件裝配和檢修,操作時可把緊固螺栓取下，將孔蓋取下。靠近水室側的孔蓋添加密封墊圈，密封墊圈采用高強度石墨纏繞墊片，人孔結構見圖2-2。圖2-2 核電高加人孔結構圖2.3筒體及水位控制裝置設計2.3.1筒體設計圓筒的計算工藝條件如下：

40、設計壓力：有安全控制裝置，取設計溫度：焊縫系數(shù)：真空度可忽略不計計算壓力：材料：asme標準sa516gr70，許用應力a計算厚度按下式計算，公式的適用范圍為。其中，筒體厚度，mm；筒體計算壓力，mpa；取3.2； 圓筒內(nèi)直徑，mm；取2100；美國asme標準sa516gr70許用應力，mpa；取119； 焊接系數(shù)，取1；求得：筒體厚度=28.6，鋼負偏差為：，腐蝕裕量，圓整。采用32mm鋼板卷制。b計算長度：c圓筒外徑：d臨界壓力因為：，所以高加筒體為薄壁短圓筒。e許用外壓力根據(jù)圓筒材料選用相應的厚度計算圖得：由圖可以判定為彈性失穩(wěn)，所以計算許用外壓力：>滿足條件，不需圓筒上設置加強

41、圈。2.3.2筒體主要接管設計主要接管尺寸1蒸汽進口接管 設定蒸汽在管道中的流速為 蒸汽進口接管 圓整2疏水出口接管疏水出口處的水由蒸汽冷凝水和上級疏水兩部分組成設定疏水出口流速 體積流量 疏水出口接管 圓整2.3.3水位控制裝置設計高加在正常工作時，要求汽側水位保持在一定范圍內(nèi)，水位過高會造成汽輪機進水而引起葉片斷裂，大軸彎曲，加熱器殼體爆破等重大事故；水位過低, 或無水運行, 造成大量蒸汽從高壓加熱器內(nèi)逸出，潛熱沒有充分利用，高壓加熱器傳熱效果嚴重惡化,給水溫度下降，機組的煤耗增加，同時疏水管道由于汽水兩相流動的影響而嚴重沖刷, 常產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象，被迫停止運行。加熱器常用的電動式、浮子式疏水

42、水位調節(jié)器, 由于執(zhí)行機構頻繁動作，易沖損腐蝕，經(jīng)常出現(xiàn)機械卡澀失靈。檢修維護量大、事故率高, 降低了循環(huán)熱效率，節(jié)能效果不好，為解決上述問題，在寧德核電一期3#、4#機組的高加上采用汽液兩相流自動調節(jié)水位控制裝置。圖2-3 核電高加水位調節(jié)示意圖汽液兩相流自動控制裝置的工作原理（1）裝置結構本裝置由傳感信號管和調節(jié)器兩部分組成，見圖2-4, 圖中，1為信號管，2為入口節(jié)流閥，3為調節(jié)閥，4為旁路閥種裝置摒棄了目前一般液位控制系統(tǒng)采用的機械式和電氣式元件，它依據(jù)氣體動力學原理，利用汽液兩相變化的自調節(jié)特性，達到控制加熱器疏水的流量，從而保持水位穩(wěn)定，具有原理新、系統(tǒng)簡單，無活動機構原件，無電氣

43、控制元件，自調節(jié)能力強，調節(jié)部件耐沖蝕力強，體積小，一般不需要維護等優(yōu)點。圖2-4 傳感信號管和調節(jié)器（2）工作原理。該裝置是由漸縮和漸擴兩個噴咀組成，中間部分是環(huán)形空隙，信號管提供的調節(jié)汽就由此進入和加熱器內(nèi)凝結的出口疏水在這里混合后排出，當液位下降，疏水量減小， 則信號管內(nèi)有關通道面積發(fā)生變化, 使進入調節(jié)閥的汽量增加, 排擠疏水的流動使疏水流通能力下降, 保證液位穩(wěn)定在一定的正常水位位置，反之，疏水量增加時，則通過信號管的調節(jié)流量減小，疏水經(jīng)過調節(jié)閥的流動能力增加，以達到控制水位，滿足工況變化的要求，原理示意如圖2-52。圖2-5 汽液兩相流控制裝置原理圖2.4 u型管及拉桿定距管設計2

44、.4.1 u型管設計（1）高加換熱管國內(nèi)、外大容量火電機組加熱器管束通常采用sa556grc2碳鋼管材，也有個別電站采用tp304奧氏體不銹鋼管束，相比核電站采用的tp304l與tp439鐵素體不銹鋼，由于材料中加熱鉻、鎳元素從而提升了材料的抗腐蝕性與沖蝕性能。寧德核電高加采用sa-803tp439以防止?jié)裾羝h(huán)境對管束的沖蝕與損害，確保設備40年服役期間的安全運行。鐵素體不銹鋼比奧氏體不銹鋼管的強度高，導致性能好，抗汽蝕和焊接性能優(yōu)良，并且由于含鎳元素少，比tp304l奧氏體不銹鋼的成本低。換熱管的長度推薦采用：1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0,12.0

45、m。根據(jù)工藝要求，取7.5m。u型管彎管段的彎曲半徑圖2-6 u型管彎曲半徑大小示意圖u型管彎管段的彎曲半徑r應不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑可按表2-2選。表2-2 換熱管外徑與彎曲半徑對照表換熱管外徑1012141619202225303235384550555720243032404045506065707690100110115 u型管彎管段彎曲前的最小壁厚按下式計算：式中：換熱管外徑，mm；取16 彎管段的彎曲半徑，mm； 彎曲前換熱管的最小厚度，mm； 直管段的計算壁厚，mm。圖2-7 換熱管標準排列形式（2）換熱管排列形式換熱管標準排列形式見圖2-7。 （3）換

46、熱管中心距換熱管中心距宜不小于1.25倍的換熱管外徑，常用的換熱管中心距見表2-3。換熱管外徑為16.0mm，對應的中心距為22mm，考慮在管板上均勻布管，取21mm。表2-3 常用換熱管中心距2.4.2 拉桿定距管設計 拉桿結構a. 常用拉桿結構有：拉桿定距管結構，用于換熱管外徑的管束，如圖2-8。拉桿與折流板點焊，用于換熱管外徑的管束，如圖2-913。圖2-8 拉桿定距管結構圖2-9 拉桿折流板點焊結構由于換熱管，所以兩種拉桿結構都可以采用，在殼程盡量減少焊接連接，應多可拆裝連接可以方便維修，避免焊縫受到高速汽液沖蝕損壞，故采用拉桿定距管結構。b. 拉桿直徑和尺寸根據(jù)換熱管外徑，選取拉桿直

47、徑，其結構連接尺寸見裝備圖。 拉桿數(shù)量根據(jù)換熱器直徑和換熱管外徑，選取拉桿數(shù)量為26。 定距管采用與換熱管相同的管子結構。2.5 折流板和支撐板設計2.5.1 折流板設計安裝折流板是為了加大殼程流體的湍流速度，使湍流程度加劇，提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)，還能器到支撐管束的作用，工程師可通過改變折流板的間距來改變殼程速度, 從而改變, 傳熱系數(shù)及壓降。常用的折流板弓形（或稱圓缺形）和圓盤圓環(huán)形兩種，弓形折流板有單弓、雙弓形和三弓形三種，如圖2-1013。圖2-10.常見折流板形狀設計采用弓形折流板，其結構簡單，性能優(yōu)良，弓形折流板切去弓形高度為殼體內(nèi)直徑的10%40%，通常取20%。寧德核電高壓

48、加熱器采用雙弓形折流板，其優(yōu)點是：a) 在折流板間距和缺口相同的情況下，雙弓形折流板比單弓形折流板對流體壓降明顯減?。籦） 允許折流板間距減小，提高管子固有頻率，更好的防止因流體誘導振動引起的失效。折流板一般應按照等間距布置，管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進、出口接管。在寧德核電高加的疏冷段，殼程為單相清潔流體，折流板缺口應水平上下布置因液體中含有少量空氣等不凝性氣體，應在缺口朝下折流板最高處開通氣孔，但為了更好的排氣以及緩沖熱應力，采用折流板頂端與疏冷段頂板留出28mm間隔的設計結構，如圖2-11所示。圖2-11.折流板頂端流出縫隙充當排氣孔(1) 折流板結構設計設計主要尺寸如下：折流板與殼

49、體之間的間隙：折流板名義外直徑： 切去弓形高度： (2) 折流板間距折流板最小間距取殼體內(nèi)徑的1/5或中的較大者。，圓整后取最小間距為折流板最大無支撐間距換熱管無支撐跨距為。(3) 折流板厚度查得折流板最小厚度為，取厚度為。(4) 支持板管孔直徑：(5) 折流板數(shù)量 取整得2.5.2支撐板設計防沖擋板a 擋板外表面到圓筒內(nèi)壁的距離，應不小于接管外徑的1/4。b 防沖擋板的直徑或邊長，應大于接管外徑50mm。示意圖見圖2-12。圖2-12.核電高加蒸汽進口防沖擋板2.6 管板的設計2.6.1 管板與殼程圓筒、管箱連接方式選型 本高加管板與殼程圓筒、管箱的連接方式為gb151-1999管殼式換熱器管板計算一節(jié)中的b型連接方式，如圖2-13。圖2-13 管板與殼程圓