【正文】 一、高壓加熱器的功能： （ 1）利用汽輪機(jī)一、二級抽汽來加熱給水，提高汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)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(dāng)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(yùn)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(hù)汽輪機(jī)，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(jìn)入汽輪機(jī)。 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。我國制造商和電站運(yùn)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(yùn)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）。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。 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(jī)構(gòu)給予必要的配合支持，才能早日實(shí)現(xiàn)二代加，三代，甚至四代核電 設(shè)備的國產(chǎn)化。 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。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(yùn)行 , 也可按大旁路給水系統(tǒng)設(shè)計。 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(jī)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(jìn)氣壓力下的飽和溫度。 在蒸汽凝結(jié)段 ，利用蒸汽冷凝時放出的潛熱加熱給水。 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。 被凝結(jié)的液體以及通過疏水進(jìn)口管座進(jìn)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來。 （ 也稱毛細(xì)管密封 ） ， 以阻止蒸汽泄漏到該段內(nèi)。這樣的疏水出口管設(shè)置 ， 可以免去在運(yùn)行前排放殘剩氣體。 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。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。 (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(jìn)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。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。對于核電設(shè)備，雖然循環(huán)用水已經(jīng)經(jīng)過嚴(yán)格處理，但對管子以及焊縫的腐蝕是需要考慮的，采用 SA803TP439不銹鋼換熱管。沿管束長度方向布置隔板 ， 起到支承管子作用 ， 在設(shè)計中還對整個管系進(jìn)行振動分析 ， 防止 6 在各種負(fù)荷工況下發(fā)生振動，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。管板下是高加的固定支點(diǎn) ， 近殼體尾部是滾動支承 ， 當(dāng)殼體受熱膨脹時可沿軸向滾動。 在加熱器殼體尾部 ， 用不銹鋼板分隔出一段獨(dú)立擴(kuò)容室 ， 使外來的疏水在這里經(jīng)擴(kuò)容后再進(jìn)入到凝結(jié)段去 ， 有效地避免了對管子的沖刷。 本文研究的主要內(nèi)容 （ 1）掌握核電常規(guī)島高壓加熱器工作的基本原理，認(rèn)識其在核電站二回路系統(tǒng)中的位置和功能。 （ 3）按 GB150— 2020 和 GB151— 1999 進(jìn)行計算和強(qiáng)度校核。 （ 5）參考國內(nèi)外研究成果，提出高加零部件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，如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。水室承壓高 ,材質(zhì)基本為低合金高強(qiáng)度鋼 ， 如水室封頭或筒體。 高加的泄漏原因除換熱管破裂外 ， 多半是發(fā)生在水室內(nèi) ， 如 ： 在換熱管與管板的連接處的焊接裂紋、分程隔板或人孔密封不嚴(yán)等。水室封頭形式、人孔、給水進(jìn)出口接管、分程隔板的設(shè)置 ， 都將對高壓加熱器性能產(chǎn)生一定影響 ， 下面分別簡述。 合理設(shè)置封頭形式 ， 不僅可使高加設(shè)備運(yùn)行優(yōu)良 ， 還可節(jié)約制造成本。當(dāng)水室直徑 Dn ≤ 1100 mm時 ， 可采用圓柱體伍德密封 （ 即通常所稱的大開口 ），一般用在 50 MW機(jī)組和 200 MW機(jī)組的外置式蒸汽冷卻器和疏水冷卻器上 ； 當(dāng)水室直徑Dn 1100 mm時 ， 一般采用圓柱體加半橢圓封頭水室加人孔形式或半球形水室加人孔 形式 ， 常用在 100 MW及以上機(jī)組，均為自緊密封結(jié)構(gòu)。給水入口管只能斜向布置于封頭上 ， 而與管板成一定角度 ， 為降低沖刷 ,給水入口采用整流裝置。對 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。 8 表 21 橢圓封頭和球形封頭對比表 水室結(jié)構(gòu) 水室空間凈高(mm) 水室 高度 (mm) 封頭計算厚度 (mm) 封頭名義 厚度 (mm) 水室金屬 重量(mm) 高加 總高 (mm) 半橢圓封頭水室 1060 1280 90 4900 約 8300 半球形 水室 680 820 65 2300 約 7840 由表 21可知 ： 半橢圓封頭水室 ， 水室空間大 ， 水的流性好 ， 抗蝕性能較好且檢修方便 ， 但殼體壁較厚 ， 增加材料重量及焊接工作量 ； 半球形水室 ， 重量較輕 ， 高度降低 ，制造成本較低 ， 但水室空間較小 ， 水的流性較差。 由于半球形水室少了筒節(jié) ， 封頭壁厚較薄 ， 因而高加總重較輕 ， 高度降低。圖 21為水室直徑 Dn = 1300 mm水室結(jié)構(gòu)簡圖。在相同壓力作用下 ， 前者所受薄膜應(yīng)力幾乎是后者一半 ， 人孔蓋和大開口結(jié)構(gòu)中的頂蓋主要承受彎曲應(yīng)力 ， 需要壁厚較大。 水室接管設(shè)計 一、給水進(jìn)出口接管 高壓加熱器給水進(jìn)口溫度 ? ，出口溫度 228C? ，體積變化較小，為了采購和制造方便統(tǒng)一，決定采用公稱直徑相同的接管，以出口接管的計算為例即可。選用用德國牌號鋼管 15NiCuMoNb564，該材料廣泛適用于高溫高壓給水接管。 開孔與開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計 由于工藝的要求，需要在容器上開孔并安裝接管，這樣就導(dǎo)致器壁的強(qiáng)度下降，在殼體和接管的連接處，還會因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給容器 的安全操作帶來隱患，因此壓力容器設(shè)計必須考慮開孔的補(bǔ)強(qiáng)問題。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 540MPa ，補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于或等于 ? ，殼體名義厚度 n? 不大于 38mm 的場所。其結(jié)構(gòu)簡單，焊縫少，焊接 10 質(zhì)量容易檢測，因此補(bǔ)強(qiáng)效果較好。 （ 3）整鍛件補(bǔ)強(qiáng)：該結(jié)構(gòu)是將接管和部分殼體連同補(bǔ)強(qiáng)部分做成整體鍛件，再與殼體和接管連接。適用范圍：主要用于重要的壓力容器，如核容器，材 料屈服點(diǎn)在 500MPa 以上的容器開孔及受低溫，高溫，疲勞載荷容器的大直徑開孔等。厚壁接管能夠較好的緩解開孔邊緣較窄范圍內(nèi)的高應(yīng)力集中問題，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。 分程隔板設(shè)計 將加熱前后的給水分開 ,承受瞬時沖擊 ,須保證密封 性能。考慮熱膨脹因素 ,高加水室中分程隔板的設(shè)置不盡相同。半球形水室加人孔形式分程隔板要與給水出口接管連接 ,必須加裝膨脹節(jié) ，膨脹節(jié)一般由剖開的管子彎制而成。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 。核電常規(guī)島高壓加熱器人孔門蓋為封閉 型設(shè)計，不需太大的緊力來緊固，門蓋通過 2 根緊固螺栓緊固，人孔加工為橢圓形，這樣易于水室內(nèi)件裝配和檢修 ,操作時可把緊固螺栓取下，將孔蓋取下。 圖 22 核電高加人孔結(jié)構(gòu)圖 11 筒體及水位控制裝置設(shè)計 筒體設(shè)計 圓筒的計算 工藝條件如下： 設(shè)計壓力：有安全控制裝置，取 設(shè)計溫度： 250 Ct?? 焊縫系數(shù)： ?? 真空度可忽略不計 計算壓力： ? 材料： ASME 標(biāo)準(zhǔn) SA516GR70，許用應(yīng)力 ? ? 119MPat ?? a．計算厚度按下式計算，公式的適用范圍為 [ ]tcp ??? 。 采用 32mm鋼板卷制。 12 116 M P aeocreooDpELDD?????????????????? e．許用外壓力 ??p 13530 22282228 32eLLeLDD???????????? 根據(jù)圓筒材料選用相應(yīng)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： ? ? 2 oeAEp D??? ? 滿足條件，不需圓筒上設(shè)置加強(qiáng)圈。加熱器常用的電動式、浮子式疏水水位調(diào)節(jié)器 , 由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁動作 ， 易沖損腐蝕 ， 經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)械卡澀失靈。 圖 23 核電高加水位調(diào)節(jié)示意圖 汽液兩相流自動控制裝置的工作原理 （ 1）裝置結(jié)構(gòu) 本裝置由傳感信號管和調(diào)節(jié)器兩部分組成 ， 見圖 24, 圖中， 1為信號管， 2為入口節(jié)流閥， 3為調(diào)節(jié)閥， 4為旁路閥種裝置摒棄了目前一般液位控制系統(tǒng)采用的機(jī) 械式和電氣式元件，它依據(jù)氣體動力學(xué)原理，利用汽液兩相變化的自調(diào)節(jié)特性，達(dá)到控制加熱器疏水的流量 ， 從而保持水位穩(wěn)定 ， 具有原理新、系統(tǒng)簡單 ， 無活動機(jī)構(gòu)原件 ， 無電氣控制元件 ， 自調(diào)節(jié)能力強(qiáng) ， 調(diào)節(jié)部件耐沖蝕力強(qiáng) ， 體積小 ， 一般不需要維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。 該裝置是由漸縮和漸擴(kuò)兩個噴咀組成 ， 中間部分是環(huán)形空隙 ， 信號管提供的調(diào)節(jié)汽就由此進(jìn)入和加熱器內(nèi)凝結(jié)的出口疏水在這里混合后排出 ， 當(dāng)液位下降 ， 疏水量減小 ， 則信號管內(nèi)有關(guān)通道面積發(fā)生變化 , 使進(jìn)入調(diào)節(jié)閥的汽量增加 , 排擠疏水的流 動使疏水流通能力下降 , 保證液位穩(wěn)定在一定的正常水位位置 ， 反之 ， 疏水量增加時 ， 則通過信號管的調(diào)節(jié)流量減小 ， 疏水經(jīng)過調(diào)節(jié)閥的流動能力增加 ， 以達(dá)到控制水位 ， 滿足工況變化的要求，原理示意如圖 25[2]。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(shè)備 40 年服役期間的安全運(yùn)行。 換熱管的長度推薦采用： ,。 15 U 型管彎管段的彎曲半徑 圖 26 U 型管彎曲半徑大小示意圖 U 型管彎管段的彎曲半徑 R 應(yīng)不小于 兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑 minR 可按表 22 選。 圖 27 換熱管標(biāo)準(zhǔn)排列形式 16 （ 2）換熱管排列形式 換熱管標(biāo)準(zhǔn)排列形式見圖 27。 換熱管外徑 d 為 ，對應(yīng)的中心距為 22mm，考慮在管板上均勻布管，取21mm。 拉桿與折流板點(diǎn)焊，用于換熱管外徑 14mm? 的管束，如圖 29[13]。 b. 拉桿直徑和尺寸 根據(jù)換熱管 外徑 14 m m 25 m mod?? ，選取拉桿直徑 12mmtd ? ，其結(jié)構(gòu)連接尺寸見裝備圖。 ③ 定距管采用與換熱管相同的管子結(jié)構(gòu)。 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]。 寧德核電高壓加熱器采用雙弓形折流板，其優(yōu)點(diǎn)是： a) 在折流板間距和缺口相同的情況下，雙弓形折流板比單弓形折流板對流體壓降明顯減??； b） 允許折流板間距減小，提高管子固 有頻率，更好的防止因流體誘導(dǎo)振動引起的失效。在寧德核電高加的疏冷段，殼程為單相清潔流體，折流板缺口應(yīng)水平上下布置因液體中含有少量空氣等不凝性氣體，應(yīng)在缺口朝下折流板最高處開通氣孔，但為了更好的排氣以及緩沖熱應(yīng)力，采用折流板頂端與疏冷段頂板留出 28mm間隔的設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖 211所示。 2164 mm? ? ?＞ 50mm ，圓整后取最小間距為 430mm ② 折流板最大無支撐間距 換熱管無支撐跨距為 1300oh mm? 。 (4) 支持板管孔直徑： (5) 折流板數(shù)量 19 0 . 1 1 3 5 3 0 1 0 01 1 9 . 3 31300oLN h??? ? ? ? ? 取整得 10N? 防沖擋板 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。示意圖見圖 212。 圖 213 管板與殼程圓筒、管箱連接方式 20 6種連接方式適用情況如表 24所示。 管板的布管方式為如圖 214的三角形排列。核電選材還有一個特點(diǎn)需關(guān)注，對于受侵蝕與沖蝕的管道材料要求其耐 抗氧化性和耐沖蝕性好，從而減輕流體沖蝕影響，保證核電設(shè)備的安全使