【文章內(nèi)容簡介】 .................................. 36 翅片 ................................................................................................................. 36 上級疏水入口獨立擴容室的設(shè)置 ........................................................................... 40 U 型管彎曲管道內(nèi)流體流動 .................................................................................... 41 次流 ................................................................................................................ 41 流動分離現(xiàn)象 ................................................................................................ 41 第五章 總結(jié)與展望 ................................................................................................................ 42 總結(jié) ........................................................................................................................... 42 展望 ........................................................................................................................... 42 參考文獻 .................................................................................................................................. 43 致謝 .......................................................................................................................................... 45 1 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(fēng)電與太陽能發(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)，保護能源安全使得核電發(fā)展成為必然趨勢。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(shù)并不完全成熟，在核電設(shè)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。 從另一個方面來說，核工業(yè)作為國家高科技戰(zhàn)略 性產(chǎn)業(yè)，是國家安全的重要基石、重要的清潔能源供應(yīng)，以及綜合國力和大國地位的重要標志。 1978 年以來，中國和工業(yè)集團、中國廣東核電集團等核電業(yè)者走出了一條以我為主發(fā)展民族核電的成功道路。在長期的核電設(shè)計、建造、運行和管理過程中，積累了豐富的實踐和理論經(jīng)驗，在與國際同行的合作過程中，實現(xiàn)了技術(shù)和管理與國際先進水平接軌，取得了驕人的業(yè)績。 我國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。我國先后建成了秦山、大亞灣、田灣 三大核電基地，實現(xiàn)了我國大陸核電“零”的突破、國產(chǎn)化的重大跨越、核電管理與國際接軌，走出了一條以我為主，發(fā)展民族核電的成功之路。 同樣， 在核電發(fā)展熱潮推動下，核電設(shè)備制造業(yè)迎來了歷史性發(fā)展機遇。近年來，我國核電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展取得了顯著的成績。 2020 年，已經(jīng)投運的核電機組有 11 臺，總裝機容量 910 萬千瓦。 2020 年，我國核電技術(shù)裝備自主化工作捷報頻傳，如核島主設(shè)備關(guān)鍵鑄鍛件實現(xiàn)國產(chǎn)化突破、核二級泵全部完成樣機研制、蒸發(fā)器換熱管完成實驗室 研制后開始批量生產(chǎn)等。截至 2020 年底，我國核電裝機容量為 908 萬千瓦， 共11 臺機組，首批三代核電自主化依托項目 2020 年全部開工建設(shè) [1]。 2020 年，我國核電設(shè)備行業(yè)繼續(xù)快速發(fā)展，核電關(guān)鍵重要設(shè)備自主化腳步不斷加快。 2020 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(yīng)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(shè)備的制造完全實現(xiàn)國產(chǎn)化。截止 2020 年底，我國核電裝機容量突破 1000 萬千瓦，達 1082 萬千瓦。 2020 年 3 月 16 日，我國首臺國產(chǎn) AP1000 核電蒸汽發(fā)生器開工制造，投入使用后將使我國核電站的國產(chǎn)化率，由不足一半到完全國產(chǎn)化， 代表了我國裝備制造的最高水平。這標志著世界最先進的壓水堆核電關(guān)鍵設(shè)備實現(xiàn)“中國制造”。 2 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(shè)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(shè)備市場占有較大份額，是國內(nèi)核電設(shè)備市場的主要力量。此外，中國核電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展也受到了國外企業(yè)的關(guān)注，美國西屋，法國阿海琺、阿爾斯通、日本三菱重工等國外核電設(shè)備制造企業(yè)也紛紛發(fā)力中國核電設(shè)備市場。 隨著 “十二五 ”的到來， “新能源 ”這一關(guān)切經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，同時關(guān)系到國家的能源安全保障和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā) 展的高頻詞，催生出了電力裝備行業(yè)新興的市場制高點。由沿海延伸至內(nèi)陸的多省份核電站建設(shè)大動作，則為核電設(shè)備企業(yè)鋪展開廣闊的發(fā)展藍圖。伴隨著國產(chǎn)化程度不斷提高，在國家核電技術(shù)自主化、核電設(shè)備國產(chǎn)化的政策推進下，龐大的市場需求必將帶動中國核電設(shè)備制造業(yè)的蓬勃發(fā)展。 研究意義 最近，東方鍋爐廠和哈爾濱鍋爐廠先后為 福建寧德核電站 和浙江三門核電站研發(fā)制造了多臺國產(chǎn)自主化的高壓加熱器?？梢哉J為我國已初步具備了制造百萬千瓦級核電站設(shè)備的能力。 但我國企業(yè)在設(shè)計技術(shù)、計算軟件、工程管理、設(shè)備配套供應(yīng)等方面與國外 先進水平之間存在比較大的差距。本文即對核電常規(guī)島高壓加熱器進行結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計思想與原始數(shù)據(jù)，該設(shè)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(shè)計研發(fā)中。 核電常規(guī)島高壓加熱器簡介 核電常規(guī)島高壓加熱器在二回路的位置及功能 一、高壓加熱器的功能： （ 1）利用汽輪機一、二級抽汽來加熱給水，提高汽輪機發(fā)電機組的效率； （ 2）把高壓加熱器中的冷凝的加熱蒸汽 凝結(jié)水排往除氧器或凝汽器； （ 3）維持高壓加熱器殼側(cè)的額定液位； （ 4）去除高壓加熱器殼側(cè)的不凝結(jié)氣體； （ 5）當任何一個高壓加熱器殼側(cè)液位超過警戒水位時，立即停運并旁通該列高壓加熱器組，通過該列高壓加熱器的旁路向蒸發(fā)器供水； （ 6）緊急情況時保護汽輪機，防止高壓加熱器殼側(cè)中的汽水混合物由于壓力下降汽化反串進入汽輪機。 3 圖 11 壓水堆核電站工藝系統(tǒng)及設(shè)備 二、高壓加熱器內(nèi)流動路徑的確定： 冷、熱流體在換熱 器內(nèi)的流動路徑需要合理的安排，一般可依下列原則確定： （ 1） 對于固定管板式，一般將 易結(jié)垢的流體流經(jīng)管程； （ 2） 具有飽和蒸汽冷凝換熱器，應(yīng)使飽和蒸汽走殼程，因為飽和蒸汽比較清潔，傳熱系數(shù)與流速無關(guān)并且冷凝液容易排除； （ 3） 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，有毒的流體宜走管程，減少泄露的機會； （ 4） 具有腐蝕性的流體宜走管程，以免管束和殼體同時受到腐蝕，節(jié)約耐腐蝕材料用量，降低換熱器成本。 由以上原則確定核電常規(guī)島高加蒸汽走殼程，加熱給水走管程。 核電常規(guī)島高壓加熱器國內(nèi)外研究現(xiàn)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(shù)。我國制造商和電站運營企業(yè)所做研究多偏于管板與 U 型管加工工藝，爆管泄露，管束震動，水位失控等運行安全性方面（如杭州鍋爐的核電高壓加熱器防雨擊裝置專利即是對承壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)改造）。由于制造性企業(yè)科研投入較少以及我國各核電研究設(shè)計院并沒有參與常規(guī)島設(shè)備的設(shè)計等原因，使得長期以來對高加內(nèi)部流體傳熱機理，氣液相變過程研究成果較少。僅見少數(shù)關(guān)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(shè)備數(shù)值模擬方面的探索。 在國際上，核 電大型承壓換熱器核心技術(shù)壟斷在日本、美國、法國等核電建設(shè)較 4 早的國家，目前采用計算機輔助工程（ Computer Aided Engineering，簡稱 CAE）技術(shù)結(jié)合計算流體力學(xué)（ 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(shè)備設(shè)計。 我國在高加等核電設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化和熱力性能研究才剛剛起步，需要國家給予相應(yīng)的政策支持和高?？蒲袡C構(gòu)給予必要的配合支持，才能早日實現(xiàn)二代加，三代，甚至四代核電 設(shè)備的國產(chǎn)化。 核電常規(guī)島高壓加熱器研究重點在： 1）管板和封頭尺寸優(yōu)化； 2）蒸汽進口、上級疏水入口等關(guān)鍵部位的強度設(shè)計； 3）氣液兩相流傳熱性能研究； 4）通過建立模型分析流場和溫度場變化，對結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝提出優(yōu)化改進。 5）尋找新型耐高溫高壓、具有良好傳熱性能和焊接性能的核電設(shè)備材料 6）模擬殼程流體介質(zhì)的相變，為開發(fā)高效緊湊型換熱設(shè)備提供數(shù)據(jù)支持。 核電常規(guī)島高壓加熱器設(shè)計思路與結(jié)構(gòu)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?zé)嵯到y(tǒng)中的一個重要組件。高壓加熱器按 單列 （ 或雙列 ） 、臥式 （ 或倒立式 ） 、 U 形管、雙流程設(shè)計 , 采用小旁路給水系統(tǒng) , 即每級高加可在臨一級高加旁路下運行 , 也可按大旁路給水系統(tǒng)設(shè)計。每個高加可以分為過熱蒸汽段，蒸汽冷凝段和疏水冷卻段三段，結(jié)構(gòu)參見圖 21。 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。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 5 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(jié)段 ，利用蒸汽冷凝時放出的潛熱加熱給水。從過熱蒸汽冷卻段流出的蒸汽均勻地流向該段的各部分。 為了減少非凝結(jié)氣體的積聚而影響傳熱效果或產(chǎn)生腐蝕。在蒸汽凝結(jié)段段管束中設(shè)置了內(nèi)置式排氣裝置 ， 有利于沿管束長度方向均勻地排出非凝結(jié)氣體。 被凝結(jié)的液體以及通過疏水進口管座進入的附加疏水或從較高壓力加熱器來的逐級疏水都積聚在殼體的最低部位 ， 該段的疏水 （ 冷凝水 ） 流向疏水冷卻段。 疏水冷卻段是把離開凝結(jié)段的流水熱量傳給進入加熱器的給水 ， 使疏水涅度降至飽和溫度以下 ， 達到規(guī)定的疏水端差。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。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。 （ 也稱毛細管密封 ） ， 以阻止蒸汽泄漏到該段內(nèi)。吸水口插入被準確地保持一定的凝結(jié)水位之下 , 凝結(jié)水經(jīng)一組隔板引導(dǎo)向上流動 ， 通過該段 ， 三從位于該段頂部在殼體側(cè)面的疏水出口管疏出。這樣的疏水出口管設(shè)置 ， 可以免去在運行前排放殘剩氣體。限制凝結(jié)水進入吸水口的流速 ， 以防凝結(jié)水汽化 ， 導(dǎo)致管材沖刷而損壞。 高壓加熱器主要由殼體、水室、管束、防沖擋板、支撐板、折流板和管板等結(jié)構(gòu)組 成。 (1) 殼體 高加殼體采用全焊接結(jié)構(gòu) ， 為檢查殼體內(nèi)部時可抽出殼體 ， 故殼體上標有現(xiàn)場切割線 ， 在切割線之下襯有不銹鋼保護環(huán) ， 以免切割時損及管束。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行熱處理。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(xué)清洗接管。 (2) 水室 高加水室采用半球封頭型 ， 設(shè)有一使用螺柱螺母連接結(jié)構(gòu)的人孔 ， 通過人孔可進入水室 ， 人孔蓋的拆除和安裝 ， 使用專用工具 ， 操作簡便 ， 省時省力。 水室分隔板焊接在管板上 ， 只有一過渡管與水室出口管座焊 接 ， 避免分隔板與半球封頭直接焊接 ， 消除了半球封頭受壓后產(chǎn)生較高的局部應(yīng)力。同殼體一樣，需要布置一定的就地溫度計接管、就地壓力表接管、殼側(cè)化學(xué)清洗接管。 (3)