1 000 MW蛇形管集箱式高壓加熱器的自主開發(fā)設(shè)計

季敏東，余雛麟，李長勝

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川成都611731）

1 000 MW蛇形管集箱式高壓加熱器的自主開發(fā)設(shè)計

季敏東，余雛麟，李長勝

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川成都611731）

蛇形管集箱式高壓加熱器是一種較新形式的高壓加熱器，可提高大型組機給水系統(tǒng)的回?zé)嵝?。為確保蛇形管集箱式高壓加熱器運行的安全性和使用性能，設(shè)計時，著重考慮了材料的選擇，并對結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱力計算、阻力計算、振動計算及制造方面存在的問題進行了探討。

高壓加熱器；蛇形管；集箱式；開發(fā)；設(shè)計；材料；結(jié)構(gòu)；計算

0　概述

高壓加熱器是電站汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)中的關(guān)鍵輔機設(shè)備［1］，對提高鍋爐運行的經(jīng)濟性具有十分重要的作用。高壓加熱器主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是U形管管板式［2］，另一種是蛇形管集箱式［3］。目前，國內(nèi)電站中應(yīng)用最廣泛的是U形管管板式高壓加熱器。近年來，隨著電站建設(shè)不斷向大型化和高參數(shù)方向發(fā)展，高壓加熱器也呈現(xiàn)大型化和高參數(shù)的發(fā)展趨勢。以目前的二次再熱機組的高壓加熱器為例，其管側(cè)設(shè)計壓力已經(jīng)達到45 MPa，殼側(cè)抽汽溫度達540℃。同時，電站對高壓加熱器的快速啟停和滿足調(diào)峰運行的要求逐漸增加。因此，傳統(tǒng)的U形管管板式高壓加熱器越來越難以滿足電站發(fā)展的需求。

近年來，國內(nèi)大型電站逐漸有采用蛇形管集箱式高壓加熱器的意向，但國內(nèi)能夠完全自主掌握蛇形管集箱式加熱器設(shè)計技術(shù)的廠家卻并不多。東方鍋爐有限公司早在2004年就已對蛇形管集箱式高壓加熱器進行技術(shù)儲備，通過對蛇形管集箱式高壓加熱器國際主流技術(shù)的分析和研究，東方鍋爐已經(jīng)通過自主研發(fā)，形成了具有東方特色的蛇形管集箱式高壓加熱器技術(shù)方案和施工圖紙。為保障蛇形管集箱式高壓加熱器的安全穩(wěn)定運行，現(xiàn)對蛇形管集箱式高壓加熱器在自主開發(fā)設(shè)計過程中的一些關(guān)鍵問題，如整體布置、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱力計算、阻力計算、振動計算、制造等進行簡要闡述。

1　蛇形管集箱式高壓加熱器的結(jié)構(gòu)

典型臥式蛇形管集箱式高壓加熱器的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。管束的三維模型，如圖2所示。從圖1、圖2可知，蛇形管集箱式高壓加熱器主要由圓筒形殼體、橢圓形封頭、圓筒形集箱、蛇形管等元件組成。鍋爐給水通過蛇形管和集箱構(gòu)成了管程，汽輪機抽汽通過集箱及蛇形管的外側(cè)形成殼側(cè)空間。同時，為檢修方便，蛇形管集箱式高加在殼側(cè)和管側(cè)都設(shè)計了人孔。

圖1　蛇形管集箱式高壓加熱器的結(jié)構(gòu)

圖2　蛇形管集箱式加熱器管束三維模型

2　研發(fā)的關(guān)鍵點

2.1 整體布置

傳統(tǒng)的U形管管板式高壓加熱器有臥式和立式布置之分，同樣，蛇形管集箱式高壓加熱器也可分為立式布置和臥式布置。目前，大型U形管管板式高壓加熱器大多采用了臥式布置，但歐洲一些大型電站的蛇形管集箱式高壓加熱器的布置形式，常采用立式布置。

加熱器的立式布置或臥式布置，不僅對廠房的結(jié)構(gòu)有不同的要求，而且在熱力計算、水位穩(wěn)定性方面均有明顯的不同。

2.2 材料選擇

材料選擇是產(chǎn)品設(shè)計中的重要內(nèi)容。材料選擇需要綜合考慮安全性、經(jīng)濟性、可制造性和供貨周期等方面的因素。蛇形管集箱式高壓加熱器的材料選擇難點，主要集中在換熱管的材料選取上。

蛇形管集箱式高壓加熱器換熱管可供選用的材料牌號有SA—556C2、16Mo3、SA—213T11、SA—213TP304N等。SA—556C2是ASME標(biāo)準(zhǔn)中選用的材料牌號，是給水加熱器常用的碳—錳鋼小口徑管，為珠光體熱強鋼，也是美國HEI給水加熱器標(biāo)準(zhǔn)中推薦的專用高加管材，這種材料在國內(nèi)、國外機組中被廣泛采用，對此類材料已有豐富的使用經(jīng)驗和運行數(shù)據(jù)，但據(jù)電廠投運后的情況反饋，SA—556C2材料在使用工況下，抗沖刷能力差，管壁的減薄較嚴(yán)重，容易發(fā)生爆管現(xiàn)象。SA—213TP304N材料是奧氏體不銹鋼，具有優(yōu)良的耐高溫和抗沖刷能力，但不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較小，將導(dǎo)致高壓加熱器的成本急劇增加。16Mo3材料是歐盟EN10216—2標(biāo)準(zhǔn)中選用的材料。SA—213T11材料也是美國ASME標(biāo)準(zhǔn)中選用的材料。雖然16Mo3材料和SA213T11材料在200～350℃時（該溫度區(qū)間是高加實際使用溫度范圍）的強度較SA—556C2的低，但16Mo3材料和SA—213T11材料中含有Cr、Mo元素，使得16Mo3材料和SA—213T11材料有更好的抗沖刷及抗腐蝕性能。從蛇形管高壓加熱器的使用壽命、高可靠性和快速啟停的要求進行考慮，綜合了各方面性能和成本要求，蛇形管集箱式高壓加熱器的換熱管材料牌號應(yīng)選用16Mo3或SA—213T11。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

蛇形管集箱式高壓加熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括蛇形管管束的結(jié)構(gòu)設(shè)計、集箱和殼體連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

蛇形管管束的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有極大的靈活性，可以根據(jù)實際傳熱面積的需要，將管束布置成單管程、雙管程、3管程或4管程等。

集箱和殼體的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要內(nèi)容。較簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計是將集箱和殼體連接在一起，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3所示。但是，這種結(jié)構(gòu)在溫度和壓力的聯(lián)合作用下，在集箱和筒體的連接處會產(chǎn)生較大的二次應(yīng)力。對這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場分析，如圖4所示。為改善集箱和殼體連接處的應(yīng)力分布情況，比較可行的處理方式，是在集箱上采用膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)。

圖3　集箱和殼體的直接焊接結(jié)構(gòu)

圖4　集箱和殼體在溫度和壓力載荷作用下的應(yīng)力云圖/MPa

2.4 熱力計算

熱力計算的準(zhǔn)確性對保障高壓加熱器安全和性能具有十分重要的意義［4］。蛇形管高加管束與U形管管板式高壓加熱器的管束的設(shè)計規(guī)則不同，蛇形管高加在集箱處的布管極不規(guī)則，這使得流體在集箱處的流動也極不規(guī)則，進而使得集箱處的傳熱計算與傳統(tǒng)的U形管式高加有著本質(zhì)不同。

HEI標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定［5］，對于設(shè)置有過熱段的高壓加熱器，為保證過熱蒸汽在過熱段出口處不會凝結(jié)成水膜，高壓加熱器過熱段出口管子壁溫必須比飽和段相應(yīng)工作壓力下的飽和溫度至少高1.1℃，否則水膜將在高速過熱蒸汽流的帶動下，對換熱管產(chǎn)生沖刷磨蝕，造成換熱管的失效破壞。對于蛇形管集箱式高加，如果傳熱計算不準(zhǔn)確，極有可能發(fā)生HEI標(biāo)準(zhǔn)中提及的水膜對換熱管的沖刷破壞。為此，較為可行的計算方法，是采用數(shù)值模擬，可準(zhǔn)確地獲得過熱蒸汽的出口溫度，確保換熱管的安全性。通過數(shù)值模擬，得到了集箱處換熱管外壁溫度云圖。某型蛇形管高加在集箱處換熱管外壁溫度云圖，如圖5所示。

圖5　某型蛇形管集箱式高加集箱處換熱管外壁溫云圖/℃

2.5 阻力計算

高壓加熱器的阻力計算，可分為殼側(cè)阻力計算和管側(cè)阻力計算。以U形管管板式高壓加熱器為例，在行業(yè)設(shè)計規(guī)范中，建議高加管側(cè)壓降一般≤0.1 MPa，殼側(cè)壓降一般≤0.07 MPa，且殼側(cè)每段壓降不大于0.035 MPa。對于蛇形管集箱式高壓加熱器，其管程阻力計算，也可找到相關(guān)的經(jīng)典計算公式，但在殼側(cè)阻力計算時，因集箱處獨特的結(jié)構(gòu)形式，沒有計算公式或?qū)嶒灁?shù)據(jù)可供參考。以過熱段的阻力計算為例，過熱段的阻力計算值偏大或偏小，將對飽和段傳熱面積的計算產(chǎn)生影響，過熱段阻力降計算值偏小，而實際值偏大，可能導(dǎo)致計算得到的飽和段面積不足，而過熱段阻力降計算值偏大，而實際值偏小，又會導(dǎo)致?lián)Q熱面積的增加，增加產(chǎn)品的制造成本。

2.6 振動計算

換熱器運行時的流致振動，將導(dǎo)致?lián)Q熱管發(fā)生彈性不穩(wěn)定、漩渦抖振、聲振等現(xiàn)象，嚴(yán)重時，可直接導(dǎo)致?lián)Q熱管的破壞。傳統(tǒng)的U形管管板式高壓加熱器容易發(fā)生流體誘發(fā)振動失效［6］，在工程設(shè)計中，常按照GB151或TEMA標(biāo)準(zhǔn)對U形管進行振動校核。對于蛇形管高壓加熱器的振動校核，由于其獨特的結(jié)構(gòu)形式，目前仍無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可供參考。

對蛇形換熱管進行振動校核的前提，需獲得蛇形管的固有頻率，較為可行的方法是采用有限元法，通過建立蛇形管的物理模型，以獲得準(zhǔn)確的固有頻率。單根3管程蛇形管的一階振動模態(tài)，如圖6所示。

圖6　單根3管程蛇形管的一階振動模態(tài)

2.7 制造工藝

在蛇形管集箱式高壓加熱器制造工藝方面，應(yīng)注意某些方面的問題。

（1）為保證蛇形管與管座的焊接質(zhì)量，對于蛇形管與管座焊接，宜采用內(nèi)孔焊技術(shù)。

（2）對于殼體所有縱、環(huán)焊縫及接管D類焊縫，應(yīng)采用自動焊焊接。厚壁筒體的縱、環(huán)焊縫，宜采用窄間隙埋弧自動焊接技術(shù)，以提高焊接質(zhì)量，減少厚壁容器的焊縫金屬填充量，最大限度的減輕焊縫的熱影響區(qū)域。

（3）過熱段或疏冷段包殼采用焊縫數(shù)量少，且易于保證焊接質(zhì)量的帶坡口整體壓制成型焊接包殼。

（4）折流條采用精銑加工，保證安裝精度。

（5）整體水壓試驗后，在蛇形管的低洼部分有水聚集，為避免引起腐蝕，應(yīng)采用高壓熱空氣對蛇形管進行吹掃。

3　結(jié)語

蛇形管集箱式高壓加熱器具有使用壽命長，可靠性高和易快速啟停等特點，在高參數(shù)大型機組上具有廣闊的應(yīng)用前景。在蛇形管集箱式高壓加熱器自主開發(fā)設(shè)計過程中，應(yīng)對本文所述的設(shè)計和工藝關(guān)鍵點予以關(guān)注。

［1］季敏東.超臨界600 MW高加自主開發(fā)設(shè)計［J］.東方鍋爐，2009 （4）：1-5.

［2］余雛麟，鄧科，季敏東.加熱器及除氧器接管許用外力和外力矩的計算［J］.電站輔機，2015，36（1），1-4.

［3］凌峰.蛇形管式高壓加熱器在大型火電機組中的應(yīng)用［J］.電站輔機，2014，35（3），5-7.

［4］余雛麟，鄧科，季敏東.多約束條件下三段式高壓加熱器傳熱面積優(yōu)化［J］.東方電氣評論，2015，29（1），29-31.

［5］Standards for closed feed water heaters［S］.8thEdition，2009.

［6］余雛麟，鄧科，季敏東，王俊輝.帶V型支撐的大型U形管式高壓加熱器固有頻率計算［J］.石油和化工設(shè)備，2015，30（1），27-31.

Independent Development and Design of 1 000 MW Snake-shaped Tube and Header Type High Pressure Heater

JI Min-dong，YU Chu-lin，LI Chang-sheng
（Dongfang Boiler Group Co.，Ltd.Dongfang Electric Group，Chengdu 611731，Sichuan，China）

Snake-shaped tube and header type HP heater is a new type of heater to improve thermal efficiency of largescale unit.To guarantee its safety and performance，several key aspects in design such as material selection，structure design，thermal performance calculation，pressure loss calculation，vibration calculation and manufacturing etc.have been discussed.

HP heater；snake-shaped tube；header type；development；design；material；structure；calculation

TK264.9

A

1672-0210（2016）01-0001-03

2015-11-02

季敏東（1969-），男，學(xué)士，高級工程師，畢業(yè)于四川輕化工學(xué)院，從事壓力容器的設(shè)計工作。