【正文】 目核電常規(guī)島高壓加熱器設(shè)計(jì)與研究學(xué) 院化 學(xué) 工 程 學(xué) 院專(zhuān) 業(yè)過(guò)程裝備與控制工程學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)年 級(jí)指導(dǎo)教師核電常規(guī)島高壓加熱器設(shè)計(jì)與研究四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)——核電常規(guī)島高壓加熱器設(shè)計(jì)與研究核電常規(guī)島高壓加熱器設(shè)計(jì)與研究專(zhuān) 業(yè) 過(guò)程裝備與控制工程摘 要：核電常規(guī)島高壓加熱器是利用汽輪機(jī)抽汽加熱進(jìn)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(jī)組安全運(yùn)行的一種管殼式換熱器。 高壓加熱器；強(qiáng)度校核；熱力計(jì)算；結(jié)構(gòu)優(yōu)化Design and Research of HighPressureofheater。去年發(fā)生在日本的福島地震核泄漏以及發(fā)生在美國(guó)三里島和前蘇聯(lián)切爾諾貝利的核事故給人類(lèi)敲響了警鐘，在國(guó)際上來(lái)說(shuō)，核電技術(shù)并不完全成熟，在核電設(shè)備方面也需要各國(guó)科技工作者的不斷改進(jìn)，提高其安全性能與工作效率。我國(guó)在三十多年的核電建設(shè)中，經(jīng)歷了起步，小批量建設(shè)、快速發(fā)展三個(gè)階段，去年日本福島核事故之后，我國(guó)將核電發(fā)展定位為“安全高效”，也即第四個(gè)階段。2008年，已經(jīng)投運(yùn)的核電機(jī)組有11臺(tái)，總裝機(jī)容量910萬(wàn)千瓦。2010年12月18日，我國(guó)首臺(tái)完全自主開(kāi)發(fā)的紅沿河核電站1號(hào)機(jī)組核反應(yīng)堆壓力容器完工并成功共發(fā)送，標(biāo)志我國(guó)百萬(wàn)千瓦級(jí)核島主設(shè)備的制造完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。 研究目的東方電氣集團(tuán)、上海電氣集團(tuán)及哈電集團(tuán)是中國(guó)核電設(shè)備制造行業(yè)綜合實(shí)力較強(qiáng)的三大動(dòng)力集團(tuán)，三家企業(yè)在核電設(shè)備市場(chǎng)占有較大份額，是國(guó)內(nèi)核電設(shè)備市場(chǎng)的主要力量。伴隨著國(guó)產(chǎn)化程度不斷提高，在國(guó)家核電技術(shù)自主化、核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的政策推進(jìn)下，龐大的市場(chǎng)需求必將帶動(dòng)中國(guó)核電設(shè)備制造業(yè)的蓬勃發(fā)展。本文即對(duì)核電常規(guī)島高壓加熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化以及從汽液兩相漩渦脫落特性、管束振動(dòng)機(jī)理入手，以高加熱力性能研究為案例，為我國(guó)核電裝備制造提供設(shè)計(jì)思想與原始數(shù)據(jù)，該設(shè)計(jì)思想同樣可以運(yùn)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(shè)計(jì)研發(fā)中。 核電常規(guī)島高壓加熱器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀概況 目前，我國(guó)能夠制造1000MW超超臨界機(jī)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(jī)廠、哈爾濱鍋爐廠三家，采用的是日本TOSHIBA、法國(guó)AREVA、美國(guó)西屋技術(shù)。在國(guó)際上，核電大型承壓換熱器核心技術(shù)壟斷在日本、美國(guó)、法國(guó)等核電建設(shè)較早的國(guó)家，目前采用計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，簡(jiǎn)稱(chēng)CAE）技術(shù)結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱(chēng)CFD）研究手段對(duì)極端大型承壓換熱器內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)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(lái)進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)。 核電常規(guī)島高壓加熱器設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)介紹高壓加熱器（亦稱(chēng)表面式給水加熱器,簡(jiǎn)稱(chēng)高加）是汽輪機(jī)給水回?zé)嵯到y(tǒng)中的一個(gè)重要組件。過(guò)熱蒸汽從蒸汽進(jìn)口管進(jìn)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?duì)管子的沖刷和水蝕。在蒸汽凝結(jié)段段管束中設(shè)置了內(nèi)置式排氣裝置，有利于沿管束長(zhǎng)度方向均勻地排出非凝結(jié)氣體。端板的作用是當(dāng)蒸汽進(jìn)入到端板的管孔和管子外表面的間隙時(shí)，被凝結(jié)而形成了一個(gè)水密封。限制凝結(jié)水進(jìn)入吸水口的流速，以防凝結(jié)水汽化，導(dǎo)致管材沖刷而損壞。筒節(jié)布置一定的就地溫度計(jì)接管、就地壓力表接管、殼側(cè)化學(xué)清洗接管。(3) 管束管子材料可以根據(jù)用戶要求與實(shí)際情況選用。(4) 支承設(shè)計(jì)支承時(shí)，考慮了地震對(duì)高加的影響。引進(jìn)的高壓加熱器設(shè)計(jì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了熱力、阻力、強(qiáng)度、振動(dòng)、變工況特性、重量等計(jì)算，選擇了最佳設(shè)計(jì)方案，充分體現(xiàn)出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的先進(jìn)性可靠性和合理性。（4）根據(jù)工藝條件，進(jìn)行熱力計(jì)算。設(shè)計(jì)采用舞陽(yáng)鋼鐵廠SA516Gr70（執(zhí)行美國(guó)ASTM、ASME標(biāo)準(zhǔn)），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(yīng)力，或正火加消除應(yīng)力訂貨，特點(diǎn)是抗沖擊性能好，溫度形變小，焊接性能好，抗疲勞性能好，防層狀撒裂性能好，微合金化，高純凈度，低碳當(dāng)量 抗硫氫能力強(qiáng)，產(chǎn)品具有良好的尺寸公差和表面質(zhì)量。 封頭設(shè)計(jì)壓力容器封頭的種類(lèi)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。半球形水室，水室空間相對(duì)較小，管端泄漏檢修較橢圓封頭水室困難，但材料消耗低。以水室直徑DN 1300 為例進(jìn)行比較見(jiàn)表21。少數(shù)高加已開(kāi)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(shè)計(jì)院給水管道的布置等因素。圖21 球形封頭水室半球形封頭厚度的計(jì)算——封頭厚度[σ]t——SA516Gr70許用應(yīng)力，取119Mp ——焊接系數(shù)，取1——半球形封頭直徑，取1000mm由厚度計(jì)算公式 算得： =考慮腐蝕裕量以及多個(gè)開(kāi)孔造成的應(yīng)力集中，取封頭厚度為75mm。接管與水室筒體或封頭的連接采用騎座式全焊透結(jié)構(gòu)。（2）厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)：在開(kāi)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(yīng)力區(qū)域，固比補(bǔ)強(qiáng)圈更能有效的降低應(yīng)力集中系數(shù)。其特點(diǎn)是補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開(kāi)孔應(yīng)力最大部位，能有效的降低應(yīng)力集中系數(shù)。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，只需一段厚壁管即可，在設(shè)備制造中非常方便。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。后者加工難度較大。其中，——筒體厚度，mm；——筒體計(jì)算壓力，Mpa；； ——圓筒內(nèi)直徑，mm；取2100；——美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)SA516Gr70許用應(yīng)力，Mpa；取119； ——焊接系數(shù)，取1；求得：筒體厚度=，鋼負(fù)偏差為：，腐蝕裕量，圓整。主要接管尺寸1．蒸汽進(jìn)口接管 設(shè)定蒸汽在管道中的流速為 蒸汽進(jìn)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(jí)疏水兩部分組成設(shè)定疏水出口流速 體積流量 疏水出口接管 圓整高加在正常工作時(shí)，要求汽側(cè)水位保持在一定范圍內(nèi)，水位過(guò)高會(huì)造成汽輪機(jī)進(jìn)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(guò)低, 或無(wú)水運(yùn)行, 造成大量蒸汽從高壓加熱器內(nèi)逸出，潛熱沒(méi)有充分利用，高壓加熱器傳熱效果嚴(yán)重惡化,給水溫度下降，機(jī)組的煤耗增加，同時(shí)疏水管道由于汽水兩相流動(dòng)的影響而嚴(yán)重沖刷, 常產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象，被迫停止運(yùn)行。圖24 傳感信號(hào)管和調(diào)節(jié)器（2）工作原理。鐵素體不銹鋼比奧氏體不銹鋼管的強(qiáng)度高，導(dǎo)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。表22 換熱管外徑與彎曲半徑對(duì)照表?yè)Q熱管外徑1012141619202225303235384550555720243032404045506065707690100110115 U型管彎管段彎曲前的最小壁厚按下式計(jì)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(jì)算壁厚，mm。表23 常用換熱管中心距 拉桿定距管設(shè)計(jì)① 拉桿結(jié)構(gòu)a. 常用拉桿結(jié)構(gòu)有：拉桿定距管結(jié)構(gòu)，用于換熱管外徑的管束，如圖28。② 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。設(shè)計(jì)采用弓形折流板，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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%。(1) 折流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)主要尺寸如下：折流板與殼體之間的間隙：折流板名義外直徑： 切去弓形高度： (2) 折流板間距① 折流板最小間距取殼體內(nèi)徑的1/5或中的較大者。b． 防沖擋板的直徑或邊長(zhǎng)，應(yīng)大于接管外徑50mm。表24 管板與殼程圓筒、管箱連接方式a型管板通過(guò)墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接；b型管板直接與殼程圓筒和管箱圓筒形成整體結(jié)構(gòu)；c型管板與殼程圓筒連為整體，其延長(zhǎng)部分形成凸緣被夾持在活套環(huán)與管箱法蘭之間；d型管板與管程圓筒連為整體，其延長(zhǎng)部分形成凸緣被夾持在活套環(huán)與殼體法蘭之間；e型管板與殼程圓筒連為整體，其延長(zhǎng)部分兼作法蘭，與管箱用螺柱、墊片連接f型管板與管箱圓筒連為整體，其延長(zhǎng)部分兼作法蘭，與殼體法蘭用螺柱、墊片連接；核電常規(guī)島高壓加熱器設(shè)計(jì)使用壽命40年，設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格，實(shí)際情況使得應(yīng)盡量避免打開(kāi)筒體檢修，采用整體連接形式更加安全，選b型連接方式。管板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管板上壓力載荷主要為三種情況：管程壓力單獨(dú)作用；殼程壓力單獨(dú)作用；管程壓力和殼程壓力同時(shí)作用，這些作用力為一次應(yīng)力。表25 管板應(yīng)力分析計(jì)算過(guò)程序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果1管板壁厚計(jì)算—按按公式計(jì)算型連接方式a未被換熱管支撐的面積沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)取定51換熱管中心距取定21隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距取定100管板布管區(qū)面積2382114Ｕ形管根數(shù)取定3004管板布管區(qū)當(dāng)量直徑布管區(qū)當(dāng)量直徑比值管板內(nèi)直徑取定b假設(shè)管板厚度取定420c管板開(kāi)孔前抗彎剛度+12管板材料的彈性模量查GB150197000管板材料取　　定20MnMoⅣ管板材料泊松比取　　定管板邊緣旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)殼程圓筒與凸緣的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)系數(shù)和′