【正文】 a． 擋板外表面到圓筒內(nèi)壁的距離，應(yīng)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(duì)應(yīng)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(duì)管束的沖蝕與損害，確保設(shè)備40年服役期間的安全運(yùn)行。e．許用外壓力根據(jù)圓筒材料選用相應(yīng)的厚度計(jì)算圖得：由圖可以判定為彈性失穩(wěn)，所以計(jì)算許用外壓力：滿足條件，不需圓筒上設(shè)置加強(qiáng)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(kāi)孔邊緣較窄范圍內(nèi)的高應(yīng)力集中問(wèn)題，其中接管加厚部分，正位于最大應(yīng)力區(qū)域，從而可以有效降低開(kāi)孔邊緣的應(yīng)力集中，并且厚壁接管與殼體形成了整體，抗疲勞性能比補(bǔ)強(qiáng)圈大幅度提高。適用范圍：靜載，常壓，中低壓，材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度低于，補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于或等于，殼體名義厚度不大于的場(chǎng)所。在相同壓力作用下，前者所受薄膜應(yīng)力幾乎是后者一半，人孔蓋和大開(kāi)口結(jié)構(gòu)中的頂蓋主要承受彎曲應(yīng)力，需要壁厚較大。對(duì)300 MW及以上高加，還需在給水進(jìn)口端的換熱管口內(nèi)設(shè)不銹鋼襯套，進(jìn)一步防止渦流沖刷腐蝕。水室封頭形式、人孔、給水進(jìn)出口接管、分程隔板的設(shè)置，都將對(duì)高壓加熱器性能產(chǎn)生一定影響，下面分別簡(jiǎn)述。（3）按GB150—2011和GB151—1999進(jìn)行計(jì)算和強(qiáng)度校核。沿管束長(zhǎng)度方向布置隔板，起到支承管子作用，在設(shè)計(jì)中還對(duì)整個(gè)管系進(jìn)行振動(dòng)分析，防止在各種負(fù)荷工況下發(fā)生振動(dòng)，出于進(jìn)一步安全穩(wěn)定性考慮，在換熱管彎管段設(shè)置了防震裝置。殼體與管板間的B類焊縫、支座墊板、包裝預(yù)埋板與管板間焊縫及焊疤打磨面需要進(jìn)行熱處理。疏水冷卻段位于給水進(jìn)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(kāi)來(lái)。圖21 核電高壓加熱器模型剖開(kāi)圖過(guò)熱蒸汽段是利用汽輪機(jī)抽出過(guò)熱蒸汽的一部分顯熱升高給水溫度使其等于或大于進(jìn)氣壓力下的飽和溫度。僅見(jiàn)少數(shù)關(guān)于大型高壓加熱器的論文和專利報(bào)道，我國(guó)高校做了一些換熱設(shè)備數(shù)值模擬方面的探索。但我國(guó)企業(yè)在設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算軟件、工程管理、設(shè)備配套供應(yīng)等方面與國(guó)外先進(jìn)水平之間存在比較大的差距。這標(biāo)志著世界最先進(jìn)的壓水堆核電關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造”。近年來(lái)，我國(guó)核電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展取得了顯著的成績(jī)。 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(jiǎn)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀概況 3 核電常規(guī)島高壓加熱器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 7 封頭設(shè)計(jì)與水室接管設(shè)計(jì) 7 水室設(shè)計(jì) 7 封頭設(shè)計(jì) 7 水室接管設(shè)計(jì) 9 開(kāi)孔與開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 9 分程隔板設(shè)計(jì) 10 人孔設(shè)計(jì) 10 11 11 12 13 U型管及拉桿定距管設(shè)計(jì) 14 U型管設(shè)計(jì) 14 拉桿定距管設(shè)計(jì) 16 折流板和支撐板設(shè)計(jì) 16 折流板設(shè)計(jì) 16 18 管板的設(shè)計(jì) 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(jiàn)故障及優(yōu)化方案 31 高壓加熱器管束震動(dòng)的研究 31 高壓加熱器管束振動(dòng)機(jī)理分析 31 防止、減小高壓加熱器管束振動(dòng)的措施 32 爆管泄露 33 工藝過(guò)程腐蝕 33 高壓給水對(duì)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(shè)計(jì) 35 槽管 35 35 上級(jí)疏水入口獨(dú)立擴(kuò)容室的設(shè)置 39 U型管彎曲管道內(nèi)流體流動(dòng) 40 次流 40 流動(dòng)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(xiàn) 42致謝 44核電常規(guī)島高壓加熱器設(shè)計(jì)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(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)一直保持快速增長(zhǎng)，對(duì)能源需求不斷增大，在煤電減排壓力、水電開(kāi)發(fā)對(duì)自然環(huán)境的破壞、風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電成本高且技術(shù)不成熟等綜合因素作用下，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)能源安全使得核電發(fā)展成為必然趨勢(shì)。theConventional Island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)與研究本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題 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 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 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。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(guó)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(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。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。 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。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。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CAE）技術(shù)結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱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)。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。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。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。(4) 支承設(shè)計(jì)支承時(shí)，考慮了地震對(duì)高加的影響。（4）根據(jù)工藝條件，進(jìn)行熱力計(jì)算。 封頭設(shè)計(jì)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(jìn)行比較見(jiàn)表21。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。（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)。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。后者加工難度較大。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。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。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%。b． 防沖擋板的直徑或邊長(zhǎng)，應(yīng)大于接管外徑50mm。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。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(kāi)凹槽，如圖217。這種情況與我們清洗實(shí)驗(yàn)器皿的日常經(jīng)驗(yàn)相符：器皿表面上形成一層液膜被認(rèn)為是洗凈的標(biāo)志。同時(shí)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(dòng)力，也使凝結(jié)過(guò)程削弱。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)蒸氣流動(dòng)方向與液膜向下的流動(dòng)同方向時(shí)，使液膜拉薄，h增大。表31 高壓加熱器各個(gè)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度特征參數(shù)直板總長(zhǎng)（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(zhǎng)（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(guò)熱蒸汽段、蒸汽冷凝段、疏水冷卻段三段換熱面積計(jì)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(jī)組的高參數(shù)、大容量特點(diǎn)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(yán)峻, 從而也對(duì)高壓加熱器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。整個(gè)過(guò)熱蒸汽冷卻段殼程流動(dòng)介質(zhì)為氣體。附加的來(lái)自上級(jí)加熱器疏水也直接進(jìn)入凝結(jié)段，這些上級(jí)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(huì)在該換熱段的管子發(fā)生。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)高加故障的主要原因來(lái)自于某些設(shè)計(jì)不合理, 包括設(shè)計(jì)運(yùn)行水位偏低、疏水閥位置不合理、運(yùn)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(duì)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(duì)管板的沖蝕力極大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行， U型管和管板的焊接接頭處勢(shì)必受到磨損，為了保證40年的安全使用期限，提出改進(jìn)措施，來(lái)增加防護(hù)能力，防止管板泄露導(dǎo)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(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(wú)分離流動(dòng)；圖（2）40，尾流中有一對(duì)穩(wěn)定的漩渦；圖（3），層流渦街；圖（4），漩渦內(nèi)部向紊流過(guò)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?yàn)樵谶x取截面，含氣率很小，可以近似認(rèn)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(shí)，次流使得流體微團(tuán)快速運(yùn)動(dòng)到換熱管壁面附近，使流體混合加強(qiáng)，強(qiáng)化傳熱效率。按GB150—2011《鋼制壓力容器》和GB151—1999《管殼式換熱器》進(jìn)行計(jì)算和強(qiáng)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(diǎn)。今后該課題研究的重點(diǎn)應(yīng)該是：建立合理的汽液兩相傳熱模型，對(duì)管板、換熱管布置等結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力與振動(dòng)進(jìn)行研究，并且需在役高壓加熱器的運(yùn)行參數(shù)，綜合利用各學(xué)科知識(shí)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段進(jìn)行設(shè)計(jì)。正是在黃老師的指引下，才使得我對(duì)熱力計(jì)算和換熱設(shè)備設(shè)備設(shè)計(jì)知識(shí)有了更深的理解和掌握，掌握了查閱文獻(xiàn)，設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)的方法，熟悉了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，尤其是黃老師淵博的知識(shí)、開(kāi)闊的思路、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、卓越的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，使我在做人和做學(xué)問(wèn)方面受益匪淺,是我將來(lái)學(xué)習(xí)、工作的楷模。參考國(guó)內(nèi)外常規(guī)火電站高壓加熱器的常見(jiàn)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(duì)管孔焊縫沖蝕，脹接一段30mm不銹鋼薄套管，對(duì)管板的“X”型不開(kāi)孔設(shè)計(jì)，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(kāi)始升高，至B處為最大，同時(shí)速度從A處開(kāi)始降低，然后再逐漸升高，直到D處。前面所設(shè)計(jì)的引流翅片，能夠很好的彌補(bǔ)流體繞管后漩渦不足，張力較大的缺點(diǎn)，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(guò)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(shí)邊界層為層流分離，尾流為紊流渦街。下面以計(jì)算蒸汽冷卻段靠近殼體疏水液面的那部分管束的Re，來(lái)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