【正文】 查GB151圖26殼程圓筒厚度取定32殼程圓筒直徑取定2164殼程圓筒材料彈性模量查ASMEⅡD篇197000殼程圓筒材料取定SA516GR70管程圓筒與凸緣的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)系數(shù)和，查GB151圖26管程圓筒厚度取定75管程圓筒直徑取定1000管程圓筒材料彈性模量查ASMEⅡD篇197000管程圓筒材料取定SA516GR70旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)d按和查圖按和查圖按和查圖e管殼程壓力同時作用時管板設(shè)計壓力管程設(shè)計壓力已知殼程設(shè)計壓力已知管板強度削弱系數(shù)取定管板中心處布管區(qū)周邊處邊緣處設(shè)計溫度下管板材料的許用應(yīng)力查177計算結(jié)果應(yīng)滿足滿足2僅管程壓管板設(shè)計壓力管板強度削弱系數(shù)取定管板中心處布管區(qū)周邊處邊緣處設(shè)計溫度下管板材料的許用應(yīng)力查177計算結(jié)果應(yīng)滿足滿足核電高壓加熱器要求具有較高的密封性、管板有換熱管連接處承受一定的振動和疲勞載荷、管板水側(cè)堆焊不銹鋼，這些特性決定了采用脹焊并用是最佳的連接方式。圖215換熱管與管板的連接圖216 管板與殼體的連接為了避免應(yīng)力集中，管板與筒體，封頭焊接處，開凹槽，如圖217。如果凝結(jié)液體能很好地潤濕壁面，它就在壁面上鋪展成膜，壁面總是被一層液膜覆蓋著，凝結(jié)放出的相變熱（潛熱）必須穿過液膜才能傳到冷卻面上去。這種情況與我們清洗實驗器皿的日常經(jīng)驗相符：器皿表面上形成一層液膜被認為是洗凈的標志。同時，對于膜狀凝結(jié)，強化傳熱的主要途徑是減薄液膜的厚度。同時蒸氣分壓力的下降，使得相應(yīng)的飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的動力，也使凝結(jié)過程削弱。飛濺和擾動的程度取決于管束的幾何布置、流體物性等，情況比較復(fù)雜。一般來說，當蒸氣流動方向與液膜向下的流動同方向時，使液膜拉薄，h增大。而豎管用；兩式系數(shù)也不同。表31 高壓加熱器各個結(jié)構(gòu)的長度特征參數(shù)直板總長（mm）管板厚（mm）上半部分折流板（mm）下半部分折流板（mm）767442016X1016X7疏冷段直管長（mm）疏冷段管板厚（mm）疏冷段折流板（mm）直管總數(shù)21907010X26008表32為過熱蒸汽段、蒸汽冷凝段、疏水冷卻段三段換熱面積計算結(jié)果。忽略高壓加熱器運行過程中，管子內(nèi)、外側(cè)各種污垢熱阻。 高壓加熱器疏水冷卻段為典型的非相變液—液換熱。（2）根據(jù)三個串聯(lián)換熱器換熱量之和為高壓加熱器總換熱量，可列式子：兩邊同時除以A得： (*) 可見，三者之間關(guān)系不是簡單只和面積有關(guān)，還與各自的對數(shù)平均溫差有關(guān)。1000MW核電機組的高參數(shù)、大容量特點決定了核電常規(guī)島高壓加熱器很高的給水流量與復(fù)雜的工作介質(zhì)，使高壓加熱器的內(nèi)部工況更趨嚴峻, 從而也對高壓加熱器的設(shè)計提出了更高的要求。現(xiàn)按照不同的換熱區(qū)域?qū)σ鸶邏杭訜崞鞴苁駝訖C理逐一進行分析。整個過熱蒸汽冷卻段殼程流動介質(zhì)為氣體。蒸汽冷凝段的空間最大，主要為潛熱和液體冷凝傳熱，是高壓加熱器的主要傳熱區(qū)。附加的來自上級加熱器疏水也直接進入凝結(jié)段，這些上級疏水和被管熱管冷凝的水都積聚在殼體的最底部，形成疏水空間，向右逐漸流向疏水冷卻段。前人相關(guān)的實踐統(tǒng)計也表明，該換熱區(qū)域內(nèi)的管子確實也沒有發(fā)生過振動破壞的情況。漩渦脫落會在該換熱段的管子發(fā)生。表41 核電高加振動分析表過熱蒸汽段蒸汽冷凝段疏水冷卻段振動機理紊流振動流體彈性不穩(wěn)定管束振動非常弱，可以不考慮漩渦分離流體彈性不穩(wěn)定 防止、減小高壓加熱器管束振動的措施對于流動誘發(fā)的各種不同激振機理，只有流體彈性不穩(wěn)定性才是全部涉及到各個換熱段所有各種流體介質(zhì)，而其他的激振機理在某些流體介質(zhì)中則是不重要的。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)高加故障的主要原因來自于某些設(shè)計不合理, 包括設(shè)計運行水位偏低、疏水閥位置不合理、運行方式不合理。表42 高加堵管率統(tǒng)計表機組6號高加7號高加8號高加堵管根數(shù)堵管率/%堵管根數(shù)堵管率/%堵管根數(shù)堵管率/%1號15830872號6221503號1041931 工藝過程腐蝕 目前，我國常規(guī)火電機組高壓加熱器的換熱管常采用碳鋼管，其具有良好的高溫強度和傳熱性能，但抗沖蝕、腐蝕能力較差。圖41 換熱管管口的渦流沖蝕 圖42 管板堆焊層受到的沖蝕 高壓給水對U型管管壁的沖蝕核電常規(guī)島高加水室壓力很高，高溫高壓給水對管板的沖蝕力極大，長時間運行， U型管和管板的焊接接頭處勢必受到磨損，為了保證40年的安全使用期限，提出改進措施，來增加防護能力，防止管板泄露導(dǎo)致傳熱效率降低。如圖44所示，在核電常規(guī)島高壓加熱器管板上留出“X”型不開孔區(qū)，在穿管時減少了72根U型管，相對于3004根的總管數(shù)，%的代價，可以換回較高的傳熱效率。 管外冷凝可以較小的溫降獲得較大的傳熱系數(shù)，而膜狀冷凝和滴狀冷凝是兩種較好的冷凝方式，其中又以膜狀冷凝傳熱效率最顯著。核電高加蒸汽冷卻段下部換熱管為水平布置，蒸汽自上而下沖刷管子，放熱冷凝，使得管子周圍環(huán)繞一定厚度的液膜，由于黏性與表面張力難以自動滴下，如圖所示。而光管的漩渦脫落形式與雷諾數(shù)Re的關(guān)系如圖49所示的幾種樣式：圖49 光管漩渦脫落形式其中：圖（1）5，無分離流動；圖（2）40，尾流中有一對穩(wěn)定的漩渦；圖（3），層流渦街；圖（4），漩渦內(nèi)部向紊流過渡；,紊流渦街；圖（5），層流邊界層變?yōu)槲闪鞣蛛x，尾流變狹窄且不穩(wěn)定；圖（6），重新建立紊流渦街。表43 核電高加7工藝參數(shù)　7高壓加熱器管程殼程1殼程2進口溫度(186。因為在選取截面，含氣率很小，可以近似認為蒸汽已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化為液體。數(shù)小時為層流邊界層。在高加蒸汽冷凝段下部管束和疏水冷卻段全部管束，流體介質(zhì)繞管后，為層流分離。這種汽液兩相流沖刷在管束彎管段，會造成強烈的管束振動，并且流體的熱能不能充分利用。同時，次流使得流體微團快速運動到換熱管壁面附近，使流體混合加強，強化傳熱效率。并且AB段的漩渦區(qū)小于CD段的漩渦區(qū)，并且漩渦從CD段一直延伸到直管段。按GB150—2011《鋼制壓力容器》和GB151—1999《管殼式換熱器》進行計算和強度校核，掌握了換熱器管板與殼程筒體以及管程封頭連接方式的選型，折流板的布置方式和各自的優(yōu)缺點。 展望 在日本福島地震核泄漏核電審批叫停一年多以后，我國核電項目即將重啟，國家是鼓勵安全高效發(fā)展核電。今后該課題研究的重點應(yīng)該是：建立合理的汽液兩相傳熱模型，對管板、換熱管布置等結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力與振動進行研究，并且需在役高壓加熱器的運行參數(shù)，綜合利用各學(xué)科知識與現(xiàn)代設(shè)計手段進行設(shè)計。當然還有孫昂、于凱、王福艷、沈琪、劉龍、任一丹等一起做畢業(yè)設(shè)計的同學(xué)們，化工樓B208留下了我們奮斗的青春時光，這些都是很優(yōu)秀的同學(xué)，從他們身上我學(xué)到了很多，還有我的親愛的室友們，總是在第一時間放棄手頭的學(xué)習任務(wù)來幫助我解決問題，他們是最無私的。正是在黃老師的指引下，才使得我對熱力計算和換熱設(shè)備設(shè)備設(shè)計知識有了更深的理解和掌握，掌握了查閱文獻，設(shè)備設(shè)計手冊的方法，熟悉了國家標準，尤其是黃老師淵博的知識、開闊的思路、嚴謹?shù)闹螌W(xué)作風、卓越的分析問題和解決問題的能力，使我在做人和做學(xué)問方面受益匪淺,是我將來學(xué)習、工作的楷模。核電高加的設(shè)計需要將傳熱學(xué)、壓力容器、流體力學(xué)等知識結(jié)合起來，并且需要到應(yīng)用計算機輔助工程等現(xiàn)代化的設(shè)計手段，結(jié)合豐富的設(shè)計經(jīng)驗才能完成，本文只是我的階段性的成果，對這個課題的研究還會一直進行下去，爭取早日取得重要的成果。參考國內(nèi)外常規(guī)火電站高壓加熱器的常見故障與處理措施，提出高加零部件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：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”型不開孔設(shè)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。圖415 彎曲管道流體流動狀態(tài)第五章 總結(jié)與展望 總結(jié)通過深入分析核電常規(guī)島高壓加熱器各個結(jié)構(gòu)部件，了解到國外設(shè)計大型承壓換熱設(shè)備會將熱力、阻力、強度、振動、變工況特性、重量等運用計算機進行了計算, 選擇了最佳設(shè)計方案，充分體現(xiàn)出產(chǎn)品設(shè)計的先進性可靠性和合理性。如圖415所示，在U型管外側(cè)AB段，壓力從A處開始升高，至B處為最大，同時速度從A處開始降低，然后再逐漸升高，直到D處。圖414 獨立擴容室設(shè)置 U型管彎曲管道內(nèi)流體流動 次流 換熱管內(nèi)冷流體流過U型管彎管段時，發(fā)生次流（二次流）。前面所設(shè)計的引流翅片，能夠很好的彌補流體繞管后漩渦不足，張力較大的缺點，如圖413所示。當邊界層為層流時，圓柱體上的分離點離前駐點近些。流通系數(shù) 流通面積 液體介質(zhì)流速 因此流體介質(zhì)繞過該部分管子的漩渦脫落樣式為圖（4）所示的紊流渦街，此范圍為亞臨界區(qū)，此時邊界層為層流分離，尾流為紊流渦街。C)進口壓力(bar)出口壓力(bar)進口流量(kg/s)出口流量(kg/s)進口焓值(kJ/kg)出口焓值(kJ/kg)殼程蒸汽取平均溫度220186。下面以計算蒸汽冷卻段靠近殼體疏水液面的那部分管束的Re，來確定漩渦脫落形式。其原理和加置該引流翅片的換熱管如圖47和圖48所示。其傳熱效率比光管提高15%~25%。流體流經(jīng)槽管，增加近壁區(qū)的湍流度，可以提高流體和壁面對流傳熱系數(shù)，可見圖45。圖43 不銹鋼防沖蝕套管 管束布管結(jié)構(gòu)改型圖44 核電高加“X”型不開孔區(qū)示意圖借鑒張家港化機廠引進國外的管式降膜蒸發(fā)器管板開孔設(shè)計特點，通過減少互成120186。在核電高加中，工藝過程腐蝕不是多發(fā)事故，但仍需要引起相關(guān)人員足夠重視。通過分析表42，可以知道爆管的主要原因是過負荷運行，導(dǎo)致管子發(fā)生強烈振動，最終斷管。由于高壓加熱器管束存在過熱蒸汽段、蒸汽凝結(jié)段、疏水冷卻段這三個不同的換熱區(qū)域，而三個換熱區(qū)域內(nèi)的折流板形式、介質(zhì)、結(jié)構(gòu)均不相同，所以，需要對三個換熱區(qū)域的振動機理分別進行分析，找出每個換熱區(qū)域的振動機理，才能準確地對高壓加熱器的管束進行振動分析。同樣, 由于介質(zhì)是液體, 而液體中聲速很高, 聲速駐波頻率遠遠大于旋渦頻率, 不可能產(chǎn)生聲共振。在疏水冷卻段內(nèi),設(shè)置雙弓形折流板, 當疏水流過疏水冷卻段的折流板時, 與過熱蒸汽冷卻段一樣, 也會形成很高的流速, 對換熱管形成較強烈的沖擊, 引起管子的振動。由于蒸汽冷凝段的空間很大，并且飽和蒸汽凝結(jié)成液體，殼程流體介質(zhì)的體積急劇收縮，形成很小的壓力區(qū)，所以該段內(nèi)蒸汽根本沒有可能形成很高的流速，遠遠低于比過熱段內(nèi)的流速,完全可以忽略不計。在蒸汽氣空間，過熱蒸汽流過過熱蒸汽段后，熱量已經(jīng)傳給了給水，溫度已降低，接近于飽和蒸汽。聲共振, 盡管過熱蒸汽流動流速很高，但由于過熱蒸汽冷卻段內(nèi)管子緊密排列，管子排布得異常充實，所以不可能發(fā)生聲共振的現(xiàn)象。過熱蒸汽冷卻段設(shè)置在給水出口流程側(cè)，在過熱段內(nèi)過熱蒸汽通過折流板，流向凝結(jié)段,加熱給水, 使給水出口溫度大于或等于進汽壓力下的飽和溫度。其有別于其它換熱器的情況在于，高壓加熱器殼程的介質(zhì)不是一成不變的，過熱蒸汽橫掠錯列管束，有汽液兩相流橫掠管束產(chǎn)生漩渦脫落，并且汽液比例不斷變化，對管束的振動影響不斷變化。在下列關(guān)系式的實際應(yīng)用中：，將其功率放大或縮小，如何改變換熱面積，比如：已知一臺600MW的高壓加熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，要設(shè)計1200MW的高壓加熱器，并非簡單的將換熱面積增加一倍，因為換熱系數(shù)也隨換熱面積變化，比如10根換熱管漏管，通過上面關(guān)系可以計算出該臺高加的換熱效率損失多少，以調(diào)節(jié)汽輪機機組相應(yīng)參數(shù)。（1）總K值由三個換熱段各個傳熱系數(shù)構(gòu)成，這里假設(shè)四者的關(guān)系如下：；其中，分別為過熱蒸汽段、蒸汽冷凝段、疏水冷卻段的換熱系數(shù)，通過上文可算得。在本文的計算中，所做的基本假設(shè)是：（1）液膜不飛濺；（2）液膜中的流動為層流。為換熱管內(nèi)徑，；C為管內(nèi)換熱介質(zhì)工作壓力下的比熱容，；為管束內(nèi)換熱介質(zhì)平均溫度下的粘度，為管束內(nèi)換熱介質(zhì)的粘度校正系數(shù)。根據(jù)高壓加熱器設(shè)計原理，按過熱蒸汽段、蒸汽冷凝段、疏水冷卻段三個換熱器串聯(lián)來進行熱力計算，如圖31。 努塞爾的理論分析可以推廣到水平圓管上的層流膜狀凝結(jié)，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算式為式中，相變熱按蒸汽飽和溫度確定，其他物性均取膜層平均溫度為定性溫度。蒸氣流速高（對于水蒸氣，流速大于10 ）時，蒸氣流速對液膜表面會產(chǎn)生明顯的粘滯應(yīng)力。（2） 管子排數(shù) 單根橫管時，傳熱公式為 對于沿流體方向由n排橫管組成的管束的傳熱，理論上只要將上式中的特征長度換成即可計算。爭氣在抵達液膜表面進行凝結(jié)前，必須以擴散方式穿過聚集在界面附近的不凝結(jié)氣體層。鑒于實際工業(yè)應(yīng)用上都只能實現(xiàn)膜狀凝結(jié)，所以從設(shè)計的觀點出發(fā)，為保證凝結(jié)效果，只能用膜狀凝結(jié)的計算式作為設(shè)計的依據(jù)。當凝結(jié)液體不能很好地潤濕壁面時，凝結(jié)液體在壁面上形成一個個的小液珠，稱為珠狀冷凝。凝結(jié)與沸騰傳