上下管束布置組合式低壓加熱器

牛忠華 上海電氣電站設(shè)備有限公司（201199）

牛忠華（1977年～），男，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事電站設(shè)備設(shè)計(jì)工作。

0 概述

目前，核電項(xiàng)目1000MW機(jī)組常規(guī)島汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)包均采用統(tǒng)一招標(biāo)，其中包括汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、汽水分離再熱器、凝汽器和凝汽器頸部低壓加熱器等設(shè)備。某工程的凝汽器由國(guó)外公司負(fù)責(zé)方案設(shè)計(jì)，而凝汽器頸部低壓加熱器則國(guó)內(nèi)公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)。凝汽器接頸內(nèi)部的抽汽管道布置也屬于國(guó)外公司的總體布置范圍。而本項(xiàng)目的1、2號(hào)抽汽管道的通用口徑達(dá)DN800以上，因此其布置與凝汽器頸部低壓加熱器休戚相關(guān)，直接影響到低壓加熱器蒸汽進(jìn)口的布置，甚至可能涉及整個(gè)低壓加熱器的結(jié)構(gòu)布置。

1 工作原理

低壓加熱器是電廠回?zé)嵯到y(tǒng)的重要輔機(jī)之一，它是一種利用汽輪機(jī)抽汽加熱凝結(jié)水以提高效率的換熱設(shè)備。工程上習(xí)慣根據(jù)抽汽級(jí)數(shù)定義低壓加熱器的編號(hào)。

在熱力發(fā)電廠中，提高郎肯循環(huán)效率的方法有多種，其中之一是采用多級(jí)給水回?zé)峒訜?，即從汽輪機(jī)的中間級(jí)抽出一部份蒸汽，在給水加熱器中對(duì)鍋爐給水進(jìn)行加熱。與之相應(yīng)的熱力循環(huán)和熱力系統(tǒng)稱之為給水回?zé)嵫h(huán)和給水回?zé)嵯到y(tǒng)。由于汽輪機(jī)抽汽在加熱器中對(duì)給水進(jìn)行加熱，減少了在凝汽器中的熱損失，從而使蒸汽的熱量得到了充分的利用，提高了循環(huán)的熱效率。給水回?zé)嵯到y(tǒng)是發(fā)電廠原則性熱力系統(tǒng)的基礎(chǔ)。根據(jù)回?zé)峒訜崞鞯男褪健⒎N類及其連接方式的不同，可以組成各種不同的回?zé)嵯到y(tǒng)以滿足汽輪機(jī)組對(duì)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性等的要求。如果發(fā)生故障停運(yùn)，給水只能通過(guò)旁路管道進(jìn)入鍋爐，這就會(huì)大大降低進(jìn)入鍋爐的給水溫度，從而增加燃料消耗和發(fā)電成本，降低經(jīng)濟(jì)性。進(jìn)入鍋爐的給水溫度降低，水在鍋爐中的吸熱量增加，相對(duì)于爐膛內(nèi)熱負(fù)荷的蒸發(fā)量就減少，蒸汽在鍋爐過(guò)熱器中被加熱度提高，引起過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高，威脅鍋爐安全。給水加熱器停運(yùn)，沒(méi)有抽汽進(jìn)入給水加熱器，這部分蒸汽就會(huì)繼續(xù)在汽輪機(jī)內(nèi)流通，造成汽輪機(jī)缸體與轉(zhuǎn)子間的膨脹差增大，威脅汽輪機(jī)的安全。因此電廠在給水加熱器停運(yùn)時(shí)往往降低發(fā)電負(fù)荷約10%~15%。

低壓加熱器的基本結(jié)構(gòu)是一種內(nèi)設(shè)U形管、管殼式換熱器，傳熱管內(nèi)(管程)是凝結(jié)水，傳熱管外(殼程)是抽汽(蒸汽)。蒸汽在加熱器殼體里放出熱量并凝結(jié)成疏水，由疏水口排出。一般而言，高、低壓加熱器的抽汽級(jí)數(shù)是唯一的。這是因?yàn)椴煌某槠麑?duì)應(yīng)不同的抽汽參數(shù)，而抽汽參數(shù)特別是抽汽壓力將直接影響到整個(gè)加熱器的給水端差(即加熱器抽汽進(jìn)口的抽汽壓力下的飽和溫度和加熱器給水出口溫度之差)，而凝汽器頸部低壓加熱器的抽汽來(lái)源于汽輪機(jī)低壓缸的最末兩級(jí)抽汽(1號(hào)抽汽、2號(hào)抽汽)。凝汽器頸部低壓加熱器從形式上來(lái)看，有2個(gè)不同的抽汽級(jí)數(shù)。汽輪機(jī)低壓缸抽汽壓力普遍較低，在這種情況下，即使壓力上有較小的減少，對(duì)應(yīng)的飽和溫度也會(huì)大幅降低。比如：在2.08MPa下，飽和溫度是214.4℃，2.02MPa下的飽和溫度是212.8℃，相差僅1.6℃；而在0.08MPa下，飽和溫度是93.5℃；0.02MPa下的飽和溫度是60℃，相差33.5℃。因此為了有效提高管程出水溫度，提高低壓加熱器性能，必須將兩級(jí)抽汽分別引入低壓加熱器殼體的不同的、互相獨(dú)立的2個(gè)腔室，以提高各腔室管程凝結(jié)水出水溫度(每個(gè)腔室也有各自管束，管程的凝結(jié)水也因此能順序流過(guò)這2個(gè)腔室)。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，凝汽器頸部低壓加熱器其實(shí)是將1號(hào)低壓加熱器和2號(hào)低壓加熱器組合在一起，每個(gè)加熱器都有自己獨(dú)立的管束和殼體，水室部分則為共用。這種形式的低壓加熱器也稱為組合式低壓加熱器。

2 結(jié)構(gòu)描述

2.1 常規(guī)組合式低壓加熱器的結(jié)構(gòu)

常規(guī)組合式低壓加熱器的管束布置采用左右布置，這是由凝汽器頸部1號(hào)、2號(hào)抽汽管道布置所決定的。常規(guī)凝汽器頸部1號(hào)抽汽管道采用4根DN600管道，2號(hào)抽汽管道采用2根DN500管道，呈左右布置，如圖1所示，左邊為2號(hào)抽汽管道，右邊為1號(hào)抽汽管道，亦或反之。因此，組合式低壓加熱器的管束也是相應(yīng)的采用左右布置的形式。

圖1 常規(guī)機(jī)組抽汽管道的布置

圖2 a、b為管束左右布置的低壓加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。管程主要由圓柱形水室、水室分隔板、管板、左側(cè)管束、右側(cè)管束組成。殼程通過(guò)在筒體中間設(shè)置1塊分隔板，將整個(gè)筒體分為兩個(gè)相互獨(dú)立的腔室，見(jiàn)附圖，腔室一內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為1號(hào)抽汽及其疏水，該腔室的殼體完全將左側(cè)U形管包裹住。腔室二內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為2號(hào)抽汽及其疏水，該腔室的殼體完全將右側(cè)U形管包裹住。

圖2 常規(guī)機(jī)組組合式低壓加熱器的結(jié)構(gòu)及水室流程

其主要工作過(guò)程如下：管程為被加熱介質(zhì)（凝結(jié)水）。殼程為加熱介質(zhì)（汽輪機(jī)最末兩級(jí)抽汽）。管程為四流程，見(jiàn)圖2b，凝結(jié)水從凝結(jié)水進(jìn)口進(jìn)入水室的左下方，流入左側(cè)U形管，和1號(hào)抽汽進(jìn)行換熱后，返回水室左上方，再流入水室的右下方，進(jìn)入右側(cè)U形管，和2號(hào)抽汽進(jìn)行換熱，然后返回水室右上方，從凝結(jié)水出口管流出，流向上一級(jí)低壓加熱器。殼程：1號(hào)抽汽從腔室1的蒸汽進(jìn)口管進(jìn)入，進(jìn)入腔室1，經(jīng)換熱放出熱量后，凝結(jié)成水，經(jīng)腔室1下部的疏水出口管排出加熱器。2號(hào)抽汽從腔室2的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，進(jìn)入腔室2，經(jīng)換熱放出熱量后，凝結(jié)成水，由腔室2下部的疏水出口管排出加熱器。

2.2 上下管束布置的組合式低壓加熱器的結(jié)構(gòu)

圖3 某項(xiàng)目抽汽管道的布置

上下管束布置的組合式低壓加熱器的管束布置采用上下布置，這是由凝汽器頸部1號(hào)、2號(hào)抽汽管道布置所決定的。該項(xiàng)目凝汽器頸部1號(hào)抽汽管道采用4根DN800管道，2號(hào)抽汽管道采用1根DN1200管道。2號(hào)抽汽管在中間，而1號(hào)抽汽管在其兩側(cè)，如圖3所示。因此，組合式低壓加熱器的管束也必須相應(yīng)的采用上下布置的形式。圖中，1. 凝結(jié)水進(jìn)口管

圖4 上下管束布置的組合式低壓加熱器

2. 圓柱形水室

3. 管板

4. 下部U形管

5. 腔室一疏水出口管

6. 疏水母管

7. 疏水支管

8. 腔室二蒸汽進(jìn)口管

9. 支撐系

10. 滾輪系

11. 低壓加熱器殼體

12. 給水進(jìn)口管

13. 腔室一殼體

14. 腔室一蒸汽進(jìn)口管

15. 上部U形管

16. 凝結(jié)水出口管

17. 水室分隔板

圖4a、b、c為管束左右布置的低壓加熱器的結(jié)構(gòu)示意。管程主要由圓柱形水室、水室分隔板、管板、上部U形管，下部U形管組成。殼程分為兩個(gè)相互獨(dú)立的腔室，見(jiàn)圖4b，腔室1內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為2級(jí)抽汽，該腔室的殼體完全將上部U形管包裹住。腔室2內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為1級(jí)抽汽，該腔室的殼體為整個(gè)低壓加熱器的殼體，完全將下部U形管和腔室一的殼體都包裹住。

其主要工作過(guò)程如下：管程為被加熱介質(zhì)（凝結(jié)水）。殼程為加熱介質(zhì)（汽輪機(jī)最末兩級(jí)抽汽）。管程為四流程，凝結(jié)水從凝結(jié)水進(jìn)口進(jìn)入下水室的右側(cè)，流入下部U形管，和最末級(jí)抽汽換熱后，返回下水室的左側(cè)，流入上水室的右側(cè)，再進(jìn)入上部U形管，和次末級(jí)抽汽進(jìn)行換熱，然后返回上水室左側(cè)，從凝結(jié)水出口管流出，流向上一級(jí)低壓加熱器。殼程：次末級(jí)抽汽從腔室一的蒸汽進(jìn)口管進(jìn)入，進(jìn)入腔室1，經(jīng)換熱放出熱量后，凝結(jié)成水，經(jīng)腔室1下部的疏水支管收集后，進(jìn)入疏水母管后，經(jīng)腔室1的疏水出口管統(tǒng)一排出加熱器。最末級(jí)抽汽從腔室2的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，進(jìn)入腔室2，經(jīng)換熱放出熱量后，凝結(jié)成水，由加熱器殼體下方的腔室2的疏水出口管排出加熱器。

3 結(jié)構(gòu)對(duì)比

上下管束布置的組合式低壓加熱器和常規(guī)機(jī)組組合式低壓加熱器的結(jié)構(gòu)相比較，有幾個(gè)較大的差異。

3.1 抽汽進(jìn)口布置位置

常規(guī)機(jī)組由于凝汽器接頸內(nèi)的1、2號(hào)抽汽管道分別沿低壓加熱器軸線方向布置在低壓加熱器左右兩側(cè)，因此組合式低壓加熱器上的抽汽進(jìn)口接管都在殼體上部。而該工程的2號(hào)抽汽管在中間，1號(hào)抽汽管在其兩側(cè)，同時(shí)抽汽管道直徑非常大（DN800和DN1200），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)機(jī)組，并且凝汽器接頸內(nèi)部本身還有6號(hào)抽汽管道、3級(jí)減溫減壓裝置等部件，因此在凝汽器接頸有限的空間，很難調(diào)整這5根抽汽管道的方位，所以該組合式低壓加熱器的2號(hào)抽汽進(jìn)口管布置在殼體正上部，1號(hào)抽汽進(jìn)口管布置在殼體下半部分的兩側(cè)。

3.2 常規(guī)機(jī)組組合式加熱器采用同一個(gè)殼體，不同腔室；上下管束布置的加熱器采用不同殼體，不同腔室

由于組合式低壓加熱器同時(shí)接受來(lái)自2個(gè)不同抽汽級(jí)數(shù)的抽汽，當(dāng)采用上下管束布置時(shí)，溫度高的2號(hào)抽汽從殼體上方進(jìn)入，溫度低的1號(hào)抽汽從殼體下方。如果共用一個(gè)殼體，殼體上下部分的溫度不同，所引起的熱膨脹也不同，會(huì)使殼體向上拱起，會(huì)向凝汽器接頸內(nèi)的抽汽管道施加一個(gè)向上的力。由于左右殼體溫度不同，中間分隔板與殼體筒身連接處也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。采用2個(gè)獨(dú)立殼體的設(shè)計(jì)，可以使各個(gè)殼體承受單一溫度，避免上述情況的發(fā)生。由于2號(hào)低壓加熱器的殼體完全包含在1號(hào)低壓加熱器殼體內(nèi)，也造成了2號(hào)低壓加熱器疏水系統(tǒng)、殼體的支撐系統(tǒng)、對(duì)外接管引出的問(wèn)題，見(jiàn)圖5a、b所示。

圖5 兩種加熱器不同結(jié)構(gòu)的對(duì)比

3.3 2號(hào)低壓加熱器的疏水系統(tǒng)

左右布置的低壓加熱器通過(guò)中間分隔板將整個(gè)殼體筒身分為左右兩部分，2號(hào)低壓加熱器和1號(hào)低壓加熱器的疏水可直接連接到加熱器外面。上下管束布置的低壓加熱器，其2號(hào)低壓加熱器包含在1號(hào)低壓加熱器的殼體內(nèi)，其疏水管道必須從1號(hào)低壓加熱器殼體內(nèi)走，直至接出1號(hào)低壓加熱器殼體，其間2號(hào)低壓加熱器的疏水是不能進(jìn)入1號(hào)低壓加熱器的。2號(hào)低壓加熱器和1號(hào)低壓加熱器殼體內(nèi)部均屬于無(wú)水位設(shè)計(jì)。2號(hào)低壓加熱器殼體呈半圓形，其底部實(shí)際上為一平板結(jié)構(gòu)。2號(hào)抽汽會(huì)在換熱管表面凝結(jié)成水，最后滴落到底板上，對(duì)此必須設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒌装迳鲜占降氖杷皶r(shí)、快速地排出。為解決疏水問(wèn)題，在該底板上均勻布置一系列小接管，通過(guò)這一系列的小接管收集這些疏水。這些接管的直徑和數(shù)量，既要滿足快速排放疏水的需要，又要便于布置，同時(shí)也要考慮底板和小接管之間焊接變形的問(wèn)題。利用1號(hào)低壓加熱器最內(nèi)排的U形管兩直管段之間的空間，將這些接管延伸出整個(gè)1號(hào)低壓加熱器的管束，然后匯聚到一根母管上，最后接至A1殼體外。

3.4 2號(hào)低壓加熱器殼體的支撐系統(tǒng)

2號(hào)低壓加熱器包含在1號(hào)低壓加熱器的殼體內(nèi)。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮制造因素。產(chǎn)品制造時(shí)特別是進(jìn)行筒身的終接焊縫焊接以及進(jìn)行管板和水室的主環(huán)縫焊接時(shí)，將面臨整個(gè)加熱器筒身翻轉(zhuǎn)的問(wèn)題。在正常狀態(tài)下，2號(hào)低壓加熱器的殼體完全架在1號(hào)低壓加熱器的隔板上，整個(gè)組合式低壓加熱器管束的重量均由1號(hào)低壓加熱器的隔板承擔(dān)。1、2號(hào)低壓加熱器殼體之間由于裝配的需要，客觀上2號(hào)低壓加熱器和1號(hào)低壓加熱器殼體之間的上方存在較大空隙。當(dāng)筒身翻轉(zhuǎn)時(shí)，原來(lái)在殼體上方間隙轉(zhuǎn)到了下方，1、2號(hào)低壓加熱器的所有內(nèi)件就會(huì)向下移動(dòng)，2號(hào)低壓加熱器的底板必然會(huì)移位、變形，進(jìn)而引起底板和管板間焊縫的質(zhì)量問(wèn)題。為減少或防止2號(hào)低壓加熱器的底板移位，2號(hào)低壓加熱器、1號(hào)低壓加熱器的隔板互相對(duì)應(yīng)。同時(shí)在2號(hào)低壓加熱器的上方設(shè)置導(dǎo)板作為翻轉(zhuǎn)殼體時(shí)的支撐。1號(hào)低壓加熱器隔板下設(shè)置滾輪，便于殼體橫套。

3.5 2號(hào)低壓加熱器對(duì)外接管的結(jié)構(gòu)

因?yàn)?號(hào)低壓加熱器殼體完全包含在1號(hào)低壓加熱器殼體內(nèi)，且2號(hào)低壓加熱器殼程的排氣和疏水接管均需要獨(dú)立排出加熱器以外，所以2號(hào)低壓加熱器殼程所有對(duì)外接口均需穿過(guò)1號(hào)低壓加熱器筒身再與外界相連。而2號(hào)低壓加熱器、1號(hào)低壓加熱器的殼體承受不同的溫度，盡管溫度差較小，但是接管至固定端的距離較長(zhǎng)，因此2號(hào)低壓加熱器、1號(hào)低壓加熱器相對(duì)熱位移差也很可觀。而且低加各接管尺寸相差較大，2號(hào)低壓加熱器蒸汽管口徑達(dá)DN1200，放氣口的口徑僅DN50，針對(duì)不同的情況需要有不同的應(yīng)變措施。

4 結(jié)語(yǔ)

上下管束布置的組合式低壓加熱器和常規(guī)機(jī)組組合式低壓加熱器結(jié)構(gòu)相比在殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有更好的溫度適用性和合理性。其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是專門應(yīng)對(duì)于1000MW及其以上核電機(jī)組的某一特定凝汽器抽汽管道布置。在目前該抽汽管道布置已成為大容量核電機(jī)組的主流設(shè)計(jì)方案之一的形勢(shì)下，該結(jié)構(gòu)的低壓加熱器也將具有更高的應(yīng)用價(jià)值。