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摘要:大型设备的轻量化设计方法,是设备制造企业提高市场竞争力的重要措施之一。作为回热系统中常见的重要设备,高压加热器运行中出现故障会直接影响整套机组的运行经济性。本文简述了大型卧式高压加热器水室部分、管束部分的主要结构和给水入口端、U形管尾部结构、导向装置、支座等部件的结构特点。
关键词:卧式;高压加热器;结构;特点
1导言
随着我国发电设备单机容量的不断扩大,电站辅机设备的发展方向已日趋高参数和大型化,大型卧式压加热器大都采用全焊接、U形管管板式的结构,与一般U形管换热器相同,主要是由水室部分、管束部分、壳体部分、支承结构4大部件组成。作为回热系统重要的辅助设备之一,高压加热器对电厂的可靠运行起着重要作用。一旦其在运行中出现故障,就会造成换热效果不佳、温升不够,进入锅炉的给水温达不到要求,增加电厂运行成本。
2高压加热器的原理
三门核电每个机组有4台高压加热器,加热器的结构采用的为U型管壳式换热器。U型管换热器是管壳式换热器的结构类型之一,管壳式换热器是由一个壳体和包含许多管子的管束组成,冷热流体之间通过管壁进行换热的换热器。高压加热器的给水走加热器管侧,经过U型管加热后排出,给水流是下进上出设计;高压缸抽汽通过抽汽管线进入高压加热器壳侧,冲击管束外围的防冲板后向上部两侧空间沿传热管方向扩散,最后沿管束垂直方向向下经过蒸汽冷凝段和疏水冷却段,冷凝成疏水从疏水管线排出高压加热器加热器,抽汽中的不凝性气体通过空气箱和抽气管线排出。根据高压加热器系统的运行条件与设计效率等,要求高压加热器具有如下设计特点:温差应力小,传热面积裕量大,管束设有防振措施强度可靠,管子与管板胀接与焊接质量稳定,效率高等。
3高压加熱器的结构设计
3.1选用U形管式热交换器
热交换器有浮头式热交换器、固定管板式热交换器、U形管式热交换器、填料函式热交换器等型式。每种类型的热交换器具有各自的特点,U形管式热交换器的特点是可承受较高的运行参数,而且,比固定管板加热器及浮头式加热器少1块管板。U形换热管的一端无约束,可自由热膨胀,所以无热应力,相对于其它型式的热交换器,运行的安全性更高,故高参数的高压加热器,常选用U形管式加热器。
3.2直连设计
3.2.1管程与壳程
管程、壳程与管板相连的方式,通常有3种形式。管板与壳程法兰、管程法兰相连接的形式,如图1所示。将管板延长段兼作法兰,并与管程法兰相连接的形式,如图2所示。管板与壳程圆筒、管程圆筒通过焊接相连接的形式,如图3所示。
在三种连接方式中,采用直连方式最为简洁,检修设备时,可沿着壳体的切割线,分离壳程圆筒,抽出壳体后,即可进行检维修。这种方式较适合介质为非易爆的设备,在检修时,可避免因切割设备而引发介质燃爆的事故。
4大型卧式高压加热器结构分析
4.1水室部分
水室封头采用半球形封头,此种封头主要承受薄膜应力作用,结构变化平缓均匀,应力集中倾向较小。人孔采用了伍德密封这种高压自紧密封结构,很好地保证了密封性能、拆卸和检修也很方便。
高压加热器故障有一部分来自于水室里面,主要为:(1)分程隔板泄漏,造成高压加热器给水“短路”;(2)分程隔板及紧固螺栓被冲坏,焊缝拉裂;(3)管端泄漏。因此为了预防以上故障的发生,设计上主要考虑以下几方面:(1)水室分程隔板组件由隔板、盖板、门板及紧固件等组成,隔板与管板相焊接的地方进行满焊,并进行相应的无损检测,盖板与门板的连接采用盲孔螺纹连接形式,既方便检修,又能有效地防止泄漏。(2)水室分隔结构采用柔性连接结构,如:在隔板外面加罩壳,既避免了刚性连接结构在运行中由于给水进出口压差、热膨胀或冲击等造成的分隔结构撕裂的缺点,又可有效防止水室短路而引起给水端差偏高。(3)设计合理的水室尺寸、给水进出口位置与大小及管程流速,避免和降低管端冲蚀。(4)给水进口侧增加防冲装置,在管板上的U形管口内加装不锈钢防冲内衬管,或是采用多孔稳流板、镇流板、栅形板及多孔压板等装置来对不锈钢防冲内衬管进行辅助保护,都有显著的效果。但是,后者存在结构设计复杂的问题。(5)管板的厚度要保证足够的刚性,管子与管板的焊接采用平口焊接,并采用液压胀,焊后进行高灵敏度氦检漏,以保证管子与管板连接及密封可靠。
4.2确保加热器在正常水位范围内运行
设计正常水位的位置是一个静态水位,加热器投入正常运行时,会产生一个虚假的水位,这个水位是低于实际水位的。因此需要监视疏水端差和给水温度来确定实际正常水位,调整的原则是逐渐提高加热器水位,保持每次的提升量,当疏水出口温度最低,给水温度不下降时,即确定这是一个最佳水位;或者以高水位或高水位上限开始,水位逐渐分段下降,每段须使运行参数稳定后,在测量其下端差,疏水出口压力和其他参数,水位开始降低时,疏水出口温度缓慢上升,疏水出口压力基本保持不变;当水位降到某一临界点,就会出现一个转折点,疏水出口温度急剧上升,疏水出口压力明显下降,说明水位不能淹没疏水入口处、已有蒸汽进入疏冷段,这样就可以从下到上确定正常水位,找到加热器最佳使用效果的水位。
4.3传热管的支撑板、折流板及壳体
加热器位于蒸汽冷凝段用于固定传热管的称为管支撑板,位于疏水冷却段的称为折流板。钢制管支撑板沿着整个长度方向布置,这些管支撑板支撑着管束并引导蒸汽流沿着管束90°转折流过管子,管支撑板借助滑块支撑板、滑块、挡板定位和固定。折流板一方面用于固定传热管,另一方面用于改变疏水流向,提高传热效率。高压加热器的壳体采用钢板焊接结构,为保证其焊缝质量,焊缝都经100%无损检查。壳体和水室焊接连接,为了便于壳体的拆移,还安装了吊耳及壳体滚轮,可使其运行阶段能够自由膨胀。高压加热器壳体都采用全焊接结构,壳体分别与管板与壳体封头焊接,高压加热器的壳体与壳体封头的材质均为碳钢,高压加热器封头为椭圆形。高压加热器壳体上有抽汽接管、疏水接管、排气接管、仪表接管等接头。
4.4高压加热器的堵管方法
换热器堵管方法主要包括两类,分别为焊接堵管与机械式堵管,三门核电目前核岛内重要换热器采用了机械式堵管方法,常规岛系统的换热器仍采用焊接式堵管,故高压加热器的堵管方法为焊接式堵管。下面就高压加热器的堵管方法进行简单介绍,首先需要根据涡流检测的结果,在传热管布置图确认需要堵管的进口管和出口管;然后标记堵管对象,在需要堵管的管子进口和出口用白色记号笔分别标记。在做标记前需将管子吹扫干,并通过向出口管通气的方法确认进出口管标记是否正确。
(1)对需要堵管的管子周围封住,防止焊接时损伤周围的管孔和管板面。若传热管已经发生泄漏,则需要在泄漏管周围安装临时堵塞。(2)用锥形铰刀对目标管进行铰孔。铰刀截面离管板面4mm时停止铰孔。铰孔加工时使用圆柱塞规,并用清洁器及时清除切削物。测量铰孔后的内径尺寸,确认圆度。(3)堵头形状为锥形堵头,材质为TP304L,堵头大端打一沉孔,可减少焊接产生的应力。
结束语
综上所述,目前,大型卧式高压加热器的使用越来越广泛,除了不断提高加热器的传热性能以外,还应当从结构方面考虑影响加热器传热的情况,因此,应在各个环节严把质量关,预防问题出现,提高其运行效率。
参考文献
[1]顾军.AP1000核电厂系统与设备.北京:原子能出版社,2010.
[2]戴建光,范金艳,于本水.300MW机组高压加热器结构特点分析[J].科技与生活,2012,(09).
(作者单位:青岛畅隆电力设备有限公司)
关键词:卧式;高压加热器;结构;特点
1导言
随着我国发电设备单机容量的不断扩大,电站辅机设备的发展方向已日趋高参数和大型化,大型卧式压加热器大都采用全焊接、U形管管板式的结构,与一般U形管换热器相同,主要是由水室部分、管束部分、壳体部分、支承结构4大部件组成。作为回热系统重要的辅助设备之一,高压加热器对电厂的可靠运行起着重要作用。一旦其在运行中出现故障,就会造成换热效果不佳、温升不够,进入锅炉的给水温达不到要求,增加电厂运行成本。
2高压加热器的原理
三门核电每个机组有4台高压加热器,加热器的结构采用的为U型管壳式换热器。U型管换热器是管壳式换热器的结构类型之一,管壳式换热器是由一个壳体和包含许多管子的管束组成,冷热流体之间通过管壁进行换热的换热器。高压加热器的给水走加热器管侧,经过U型管加热后排出,给水流是下进上出设计;高压缸抽汽通过抽汽管线进入高压加热器壳侧,冲击管束外围的防冲板后向上部两侧空间沿传热管方向扩散,最后沿管束垂直方向向下经过蒸汽冷凝段和疏水冷却段,冷凝成疏水从疏水管线排出高压加热器加热器,抽汽中的不凝性气体通过空气箱和抽气管线排出。根据高压加热器系统的运行条件与设计效率等,要求高压加热器具有如下设计特点:温差应力小,传热面积裕量大,管束设有防振措施强度可靠,管子与管板胀接与焊接质量稳定,效率高等。
3高压加熱器的结构设计
3.1选用U形管式热交换器
热交换器有浮头式热交换器、固定管板式热交换器、U形管式热交换器、填料函式热交换器等型式。每种类型的热交换器具有各自的特点,U形管式热交换器的特点是可承受较高的运行参数,而且,比固定管板加热器及浮头式加热器少1块管板。U形换热管的一端无约束,可自由热膨胀,所以无热应力,相对于其它型式的热交换器,运行的安全性更高,故高参数的高压加热器,常选用U形管式加热器。
3.2直连设计
3.2.1管程与壳程
管程、壳程与管板相连的方式,通常有3种形式。管板与壳程法兰、管程法兰相连接的形式,如图1所示。将管板延长段兼作法兰,并与管程法兰相连接的形式,如图2所示。管板与壳程圆筒、管程圆筒通过焊接相连接的形式,如图3所示。
在三种连接方式中,采用直连方式最为简洁,检修设备时,可沿着壳体的切割线,分离壳程圆筒,抽出壳体后,即可进行检维修。这种方式较适合介质为非易爆的设备,在检修时,可避免因切割设备而引发介质燃爆的事故。
4大型卧式高压加热器结构分析
4.1水室部分
水室封头采用半球形封头,此种封头主要承受薄膜应力作用,结构变化平缓均匀,应力集中倾向较小。人孔采用了伍德密封这种高压自紧密封结构,很好地保证了密封性能、拆卸和检修也很方便。
高压加热器故障有一部分来自于水室里面,主要为:(1)分程隔板泄漏,造成高压加热器给水“短路”;(2)分程隔板及紧固螺栓被冲坏,焊缝拉裂;(3)管端泄漏。因此为了预防以上故障的发生,设计上主要考虑以下几方面:(1)水室分程隔板组件由隔板、盖板、门板及紧固件等组成,隔板与管板相焊接的地方进行满焊,并进行相应的无损检测,盖板与门板的连接采用盲孔螺纹连接形式,既方便检修,又能有效地防止泄漏。(2)水室分隔结构采用柔性连接结构,如:在隔板外面加罩壳,既避免了刚性连接结构在运行中由于给水进出口压差、热膨胀或冲击等造成的分隔结构撕裂的缺点,又可有效防止水室短路而引起给水端差偏高。(3)设计合理的水室尺寸、给水进出口位置与大小及管程流速,避免和降低管端冲蚀。(4)给水进口侧增加防冲装置,在管板上的U形管口内加装不锈钢防冲内衬管,或是采用多孔稳流板、镇流板、栅形板及多孔压板等装置来对不锈钢防冲内衬管进行辅助保护,都有显著的效果。但是,后者存在结构设计复杂的问题。(5)管板的厚度要保证足够的刚性,管子与管板的焊接采用平口焊接,并采用液压胀,焊后进行高灵敏度氦检漏,以保证管子与管板连接及密封可靠。
4.2确保加热器在正常水位范围内运行
设计正常水位的位置是一个静态水位,加热器投入正常运行时,会产生一个虚假的水位,这个水位是低于实际水位的。因此需要监视疏水端差和给水温度来确定实际正常水位,调整的原则是逐渐提高加热器水位,保持每次的提升量,当疏水出口温度最低,给水温度不下降时,即确定这是一个最佳水位;或者以高水位或高水位上限开始,水位逐渐分段下降,每段须使运行参数稳定后,在测量其下端差,疏水出口压力和其他参数,水位开始降低时,疏水出口温度缓慢上升,疏水出口压力基本保持不变;当水位降到某一临界点,就会出现一个转折点,疏水出口温度急剧上升,疏水出口压力明显下降,说明水位不能淹没疏水入口处、已有蒸汽进入疏冷段,这样就可以从下到上确定正常水位,找到加热器最佳使用效果的水位。
4.3传热管的支撑板、折流板及壳体
加热器位于蒸汽冷凝段用于固定传热管的称为管支撑板,位于疏水冷却段的称为折流板。钢制管支撑板沿着整个长度方向布置,这些管支撑板支撑着管束并引导蒸汽流沿着管束90°转折流过管子,管支撑板借助滑块支撑板、滑块、挡板定位和固定。折流板一方面用于固定传热管,另一方面用于改变疏水流向,提高传热效率。高压加热器的壳体采用钢板焊接结构,为保证其焊缝质量,焊缝都经100%无损检查。壳体和水室焊接连接,为了便于壳体的拆移,还安装了吊耳及壳体滚轮,可使其运行阶段能够自由膨胀。高压加热器壳体都采用全焊接结构,壳体分别与管板与壳体封头焊接,高压加热器的壳体与壳体封头的材质均为碳钢,高压加热器封头为椭圆形。高压加热器壳体上有抽汽接管、疏水接管、排气接管、仪表接管等接头。
4.4高压加热器的堵管方法
换热器堵管方法主要包括两类,分别为焊接堵管与机械式堵管,三门核电目前核岛内重要换热器采用了机械式堵管方法,常规岛系统的换热器仍采用焊接式堵管,故高压加热器的堵管方法为焊接式堵管。下面就高压加热器的堵管方法进行简单介绍,首先需要根据涡流检测的结果,在传热管布置图确认需要堵管的进口管和出口管;然后标记堵管对象,在需要堵管的管子进口和出口用白色记号笔分别标记。在做标记前需将管子吹扫干,并通过向出口管通气的方法确认进出口管标记是否正确。
(1)对需要堵管的管子周围封住,防止焊接时损伤周围的管孔和管板面。若传热管已经发生泄漏,则需要在泄漏管周围安装临时堵塞。(2)用锥形铰刀对目标管进行铰孔。铰刀截面离管板面4mm时停止铰孔。铰孔加工时使用圆柱塞规,并用清洁器及时清除切削物。测量铰孔后的内径尺寸,确认圆度。(3)堵头形状为锥形堵头,材质为TP304L,堵头大端打一沉孔,可减少焊接产生的应力。
结束语
综上所述,目前,大型卧式高压加热器的使用越来越广泛,除了不断提高加热器的传热性能以外,还应当从结构方面考虑影响加热器传热的情况,因此,应在各个环节严把质量关,预防问题出现,提高其运行效率。
参考文献
[1]顾军.AP1000核电厂系统与设备.北京:原子能出版社,2010.
[2]戴建光,范金艳,于本水.300MW机组高压加热器结构特点分析[J].科技与生活,2012,(09).
(作者单位:青岛畅隆电力设备有限公司)