【正文】 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四川大學本科畢業(yè)設計——核電常規(guī)島高壓加熱器設計與研究核電常規(guī)島高壓加熱器設計與研究專 業(yè) 過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。 高壓加熱器；強度校核；熱力計算；結構優(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)生在美國三里島和前蘇聯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。我國在三十多年的核電建設中，經歷了起步，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。2008年，已經投運的核電機組有11臺，總裝機容量910萬千瓦。2010年12月18日，我國首臺完全自主開發(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國產化。 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，是國內核電設備市場的主要力量。伴隨著國產化程度不斷提高，在國家核電技術自主化、核電設備國產化的政策推進下，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。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據，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。 核電常規(guī)島高壓加熱器國內外研究現狀概況 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。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部流場和溫度場進行模擬，得出大量數據和信息，根據不同的客戶需求來進行設備設計。 核電常規(guī)島高壓加熱器設計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。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。在蒸汽凝結段段管束中設置了內置式排氣裝置，有利于沿管束長度方向均勻地排出非凝結氣體。端板的作用是當蒸汽進入到端板的管孔和管子外表面的間隙時，被凝結而形成了一個水密封。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。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。(3) 管束管子材料可以根據用戶要求與實際情況選用。(4) 支承設計支承時，考慮了地震對高加的影響。引進的高壓加熱器設計運用計算機進行了熱力、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，充分體現出產品設計的先進性可靠性和合理性。（4）根據工藝條件，進行熱力計算。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，防層狀撒裂性能好，微合金化，高純凈度，低碳當量 抗硫氫能力強，產品具有良好的尺寸公差和表面質量。 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。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。以水室直徑DN 1300 為例進行比較見表21。少數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21 球形封頭水室半球形封頭厚度的計算——封頭厚度[σ]t——SA516Gr70許用應力，取119Mp ——焊接系數，取1——半球形封頭直徑，取1000mm由厚度計算公式 算得： =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。接管與水室筒體或封頭的連接采用騎座式全焊透結構。（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。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。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。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；——筒體計算壓力，Mpa；； ——圓筒內直徑，mm；取2100；——美國ASME標準SA516Gr70許用應力，Mpa；取119； ——焊接系數，取1；求得：筒體厚度=，鋼負偏差為：，腐蝕裕量，圓整。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 圓整高加在正常工作時，要求汽側水位保持在一定范圍內，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, 常產生泄漏現象，被迫停止運行。圖24 傳感信號管和調節(jié)器（2）工作原理。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。表22 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。表23 常用換熱管中心距 拉桿定距管設計① 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28。② 拉桿數量根據換熱器直徑和換熱管外徑，選取拉桿數量為26。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直徑的10%~40%，通常取20%。(1) 折流板結構設計設計主要尺寸如下：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徑的1/5或中的較大者。b． 防沖擋板的直徑或邊長，應大于接管外徑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構；c型管板與殼程圓筒連為整體，其延長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)島高壓加熱器設計使用壽命40年，設計要求嚴格，實際情況使得應盡量避免打開筒體檢修，采用整體連接形式更加安全，選b型連接方式。管板結構復雜，管板上壓力載荷主要為三種情況：管程壓力單獨作用；殼程壓力單獨作用；管程壓力和殼程壓力同時作用，這些作用力為一次應力。表25 管板應力分析計算過程序號項目符號計算公式計算結果1管板壁厚計算—按按公式計算型連接方式a未被換熱管支撐的面積沿隔板槽一側的排管根數取定51換熱管中心距取定21隔板槽兩側相鄰管中心距取定100管板布管區(qū)面積2382114Ｕ形管根數取定3004管板布管區(qū)當量直徑布管區(qū)當量直徑比值管板內直徑取定b假設管板厚度取定420c管板開孔前抗彎剛度+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　　定管板邊緣旋轉剛度參數殼程圓筒與凸緣的旋轉剛度參數系數和′