【正文】 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。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210[13]。，對應的中心距為22mm，考慮在管板上均勻布管，取21mm。寧德核電高加采用SA803TP439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。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圈。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。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。適用范圍：靜載，常壓，中低壓，材料的標準抗拉強度低于，補強圈厚度小于或等于，殼體名義厚度不大于的場所。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(jié)構(gòu)中的頂蓋主要承受彎曲應力，需要壁厚較大。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。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。（3）按GB150—2011和GB151—1999進行計算和強度校核。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。殼體與管板間的B類焊縫、支座墊板、包裝預埋板與管板間焊縫及焊疤打磨面需要進行熱處理。疏水冷卻段位于給水進口流程側(cè)，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。圖21 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。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。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。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”。近年來，我國核電設備制造業(yè)發(fā)展取得了顯著的成績。 Structural optimization目 錄第一章 緒論 1 研究核電常規(guī)島高壓加熱器主要目的和意義 1 研究目的 2 研究意義 2 核電常規(guī)島高壓加熱器簡介 2 核電常規(guī)島高壓加熱器在二回路的位置及功能 2 核電常規(guī)島高壓加熱器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概況 3 核電常規(guī)島高壓加熱器設計思路與結(jié)構(gòu)介紹 4 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(jié)構(gòu)設計 7 封頭設計與水室接管設計 7 水室設計 7 封頭設計 7 水室接管設計 9 開孔與開孔補強設計 9 分程隔板設計 10 人孔設計 10 11 11 12 13 U型管及拉桿定距管設計 14 U型管設計 14 拉桿定距管設計 16 折流板和支撐板設計 16 折流板設計 16 18 管板的設計 19 管板與殼程圓筒、管箱連接方式選型 19 20 20 23 23第三章 核電常規(guī)島高壓加熱器熱力性能研究 24 24 24 24 25 25 26 27 28 28 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 31 高壓加熱器管束震動的研究 31 高壓加熱器管束振動機理分析 31 防止、減小高壓加熱器管束振動的措施 32 爆管泄露 33 工藝過程腐蝕 33 高壓給水對U型管管壁的沖蝕 34 管束布管結(jié)構(gòu)改型 34 U型管加引流翅片設計 35 槽管 35 35 上級疏水入口獨立擴容室的設置 39 U型管彎曲管道內(nèi)流體流動 40 次流 40 流動分離現(xiàn)象 40第五章 總結(jié)與展望 41 總結(jié) 41 展望 41參考文獻 42致謝 44核電常規(guī)島高壓加熱器設計與研究第一章 緒 論 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(jié)構(gòu)，保護能源安全使得核電發(fā)展成為必然趨勢。theConventional Island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。of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。2008年，已經(jīng)投運的核電機組有11臺，總裝機容量910萬千瓦。 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。本文即對核電常規(guī)島高壓加熱器進行結(jié)構(gòu)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。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(jié)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。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。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(jié)而形成了一個水密封。筒節(jié)布置一定的就地溫度計接管、就地壓力表接管、殼側(cè)化學清洗接管。(4) 支承設計支承時，考慮了地震對高加的影響。（4）根據(jù)工藝條件，進行熱力計算。 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。以水室直徑DN 1300 為例進行比較見表21。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(shù)，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。（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)。還有一個優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較為簡單，只需一段厚壁管即可，在設備制造中非常方便。后者加工難度較大。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(cè)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。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23 常用換熱管中心距 拉桿定距管設計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。設計采用弓形折流板，其結(jié)構(gòu)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%。b． 防沖擋板的直徑或邊長，應大于接管外徑50mm。管板結(jié)構(gòu)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。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力集中，管板與筒體，封頭焊接處，開凹槽，如圖217。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。同時蒸氣分壓力的下降，使得相應的飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的動力，也使凝結(jié)過程削弱。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。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。 高壓加熱器疏水冷卻段為典型的非相變液—液換熱。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計提出了更高的要求。整個過熱蒸汽冷卻段殼程流動介質(zhì)為氣體。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。漩渦脫落會在該換熱段的管子發(fā)生。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)高加故障的主要原因來自于某些設計不合理, 包括設計運行水位偏低、疏水閥位置不合理、運行方式不合理。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，防止管板泄露導致傳熱效率降低。 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。而光管的漩渦脫落形式與雷諾數(shù)Re的關系如圖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。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。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。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。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。今后該課題研究的重點應該是：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)，綜合利用各學科知識與現(xiàn)代設計手段進行設計。正是在黃老師的指引下，才使得我對熱力計算和換熱設備設備設計知識有了更深的理解和掌握，掌握了查閱文獻，設備設計手冊的方法，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，使我在做人和做學問方面受益匪淺,是我將來學習、工作的楷模。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。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。前面所設計的引流翅片，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。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。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。其傳熱效率比光管提高15%~25%。圖43 不銹鋼防沖蝕套管 管束布管結(jié)構(gòu)改型圖44