核电常规岛高压加热器设计与研究.docx

四川大学本科毕业设计 核电常规岛高压加热器设计与研究核电常规岛高压加热器设计与研究 摘 要：核电常规岛高压加热器是核电站二回路中的关键设备之一。目前，国内核电高压加热器的设计主要借鉴国外设计图纸，缺乏自主技术。本文针对核电高压加热器自主创新设计，对高压加热器各个结构部件进行设计与强度校核，绘制了高压加热器设备总图和管系等图；在此基础上，将高压加热器分为三个串联换热器，联立方程组，探究气相、汽液两相、液相三种流体介质在换热管外传热系数，建立了传热设计计算的迭代法与过程；基于管外冷凝传热分析结果，提出了在管板布管区减少换热管数留出蒸汽通道、部分换热管设置引流翅片、MSR进口设置独立扩容室等结构优化方案，以提高加热器传热效率。关键词：核电站; 高压加热器；强度校核；热力计算；结构优化Design and Research of High-Pressure Heater of theConventional Island of Nuclear Power PlantMajor：Process Equipment and Control EngineeringStudent: Li Zhao Supervisor: Prof. Huang WeixingAbstract：High-pressure heater of the conventional island of nuclear power plant is a key equipment in nuclear power plant. At present, domestic enterprises did some independent research, but the structure is not compact enough. By designing and checking the strength of the various structural components of the high pressure heater; dividing high pressure heater into three series heat exchangers, forming equations, exploring the heat transfer coefficient of gas, vapor-liquid two-phase, liquid these three fluid medium in the heat exchange tubes rumor, using iterative method to find a set of heat transfer formula. Based on the results, reduced some heat transfer tubes to stay out of the steam channel, set the drainage fin on part of the heat exchange tubes, set independent expansion chamber on MSR imported, these structure optimization can improve the efficiency of heat transfer.Keywords: Nuclear power plant; High-pressure heater; Design of structure; Thermal characteristics; Structural optimization1. 概述核电常规岛高压加热器是利用汽轮机抽汽加热进入核岛蒸汽发生器高压给水，提高核电厂热力循环效率，降低蒸汽发生器传热温差，保证机组安全运行的一种管壳式换热器1。目前，国内核电常规岛加热器设计主要基于火电高压加热器设计经验，核心技术是借鉴国外设计图纸，其结构紧凑性和换热效率不高。本文针对核电高压加热器自主创新设计，对设备结构和传热过程进行研究，完成了如下工作：（1）加热器结构与强度设计；（2）壳程气液两相流传热过程分析；（3）通过建立串联模型，提出了传热设计计算的迭代法与过程，为开发高效紧凑型换热设备提供支持；(4) 基于过程强化的结构改进。图1 核电常规岛高压加热器2. 加热器结构与强度设计2.1 结构设计 高加壳体采用全焊接结构，为检查壳体内部时可抽出壳体，故壳体上标有工地切割线，在切割线之下衬有不锈钢保护环，以免切割时损及管束。壳体与管板间的B类焊缝、支座垫板、包装预埋板与管板间焊缝及焊疤打磨面需要进行热处理。筒节布置一定的就地温度计接管、就地压力表接管、壳侧化学清洗接管。高加水室采用半球封头型，设有一使用螺柱螺母连接结构的人孔，通过人孔可进入水室，人孔盖的拆除和安装，使用专用工具，操作简便，省时省力。水室分隔板焊接在管板上，只有一过渡管与水室出口管座焊接，避免分隔板与半球封头直接焊接，消除了半球封头受压后产生较高的局部应力，如图1。核电常规岛高压加热器人孔门盖为封闭型设计，不需太大的紧力来紧固，门盖通过2根紧固螺栓紧固，人孔加工为椭圆形，这样易于水室内件装配和检修，操作时可把紧固螺栓取下，将孔盖取下。折流板取最小间距为430mm，换热管无支撑跨距为1300mm，查得折流板厚度为10mm，算得折流板数量为10。2.2 强度设计 管板与壳程圆筒、封头的连接方式为GB151-1999管壳式换热器管板计算一节中的b型连接方式：管板直接与壳程圆筒和封头形成整体结构。由于半球形水室少了筒节，封头壁厚较薄，因而高加总重较轻，高度降低。算的半球形封头厚度为56.6mm，考虑腐蚀裕量以及多个开孔造成的应力集中，取封头厚度为75mm。圆筒的材料为ASME标准SA516GR70，许用应力119Mpa，求得筒体厚度为28.6mm，钢负偏差为：，腐蚀裕量，圆整取。管板结构复杂，管板上压力载荷主要为三种情况：管程压力单独作用；壳程压力单独作用；管程压力和壳程压力同时作用，这些作用力为一次应力。由壳体和管子的温度膨胀差在管板中引起的应力为二次应力。以GB151常规设计方法校核管板。3 加热器传热过程分析3.1 壳程介质相变传热过程分析过热蒸汽段是利用汽轮机抽出过热蒸汽的一部分显热升高给水温度使其等于或大于进气压力下的饱和温度。在蒸汽凝结段，利用蒸汽冷凝时放出的潜热加热给水，为汽液两相流。被凝结的液体以及通过疏水进口进入的附加疏水或从较高压力加热器来的逐级疏水都积聚在壳体的最低部位，这些疏水流向疏水冷却段。疏水冷却段是把离开凝结段的流水热量传给进入加热器的给水，使疏水温度降至饱和温度以下，达到规定的疏水端差2。蒸汽与低于饱和温度的换热管壁面接触时，其凝结形式为膜状凝结，对于膜状凝结，强化传热的主要途径是减薄液膜厚度。3.2 高压加热器传热设计计算模型6根据高压加热器设计原理，按过热蒸汽段、蒸汽冷凝段、疏水冷却段三个换热器串联来进行传热计算，如图2。 管程与壳程换热系数的计算公式， （1）管程换热系数 (1) 蒸汽给水 图2 三段式布置换热器式中，为传热因子，为管内换热介质平均温度下的导热系数，;为换热管内径，；C为管内换热介质工作压力下的比热容，；为管束内换热介质平均温度下的粘度，为管束内换热介质的粘度校正系数。（2）壳程换热系数 (2) 为常数；为换热器壳程当量直径，m；为换热器外径，m；为壳程内换热介质平均温度下的导热系数， ；为壳程内换热介质的雷诺数；为壳程换热介质的普朗特数。假设关系（1）：总K值由三个换热段各个传热系数构成，这里假设四者的关系如下： (3)其中，分别为过热蒸汽段、蒸汽冷凝段、疏水冷却段的换热系数，通过上文可算得。会出现如下结果：a.当时，高压加热器换热功率不够，需要增加换热面积或者提高换热效率；b.当时，高压加热器换热功率过高，可以适当减小换热面积，使得高加更加小型紧凑；c.当时，高压加热器设计较为合理。推论关系（2）：换热器串联模型中，有7个未知数、，也可列7个方程如下： (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)由上述方程联立迭代试差求解，可获得参数、的近似解。另外，应用上述方程（10），还可进行下列计算分析：a.在某台加热器基础上，将其功率放大或缩小，如何改变换热面积，比如：已知一台600MW的高压加热器结构参数，要设计1200MW的高压加热器，并非简单的将换热面积增加一倍，因为换热系数也随换热面积变化b.电厂高加运行过程出现故障，比如10根换热管漏管，通过上面关系可以计算出该台高加的换热效率损失多少，以调节汽轮机机组相应参数。4 基于过程强化的结构改进4.1 U型管进口端防冲蚀结构设计核电常规岛高加水室压力很高，高温高压给水对管板的冲蚀力极大，U型管和管板的焊接接头处势必受到磨损，为了保证40年的安全使用期限，提出改进措施，来增加防护能力，防止管板泄露导致传热效率降低。改进方法为：将焊缝打磨光滑平整，套入一段不锈钢接管，采用机械胀接连接，如图3。图3 不锈钢防冲蚀套管4.2 管束疏水强化传热结构设计 在核电常规岛高压加热器管板上留出“X”型不开孔区（如图4），使加热蒸汽通过留出的通道深入中心管束进行热交换。在穿管时减少了72根U型管，相对于3004根的总管数，以传热面积减少2.4%的代价，将传热效率提高了15%，并且提高了管板的强度。如图4。 图4 管板“X”型不开孔4.3 换热管外壁引流翅片设置在高加蒸汽冷凝段下部管束和疏水冷却段全部管束，发生的是单相流体横掠管束的流动形态，单相流体扰流圆柱形管子后会发生不同形态的漩涡脱落。而光管的漩涡脱落形式与雷诺数Re的关系有6种形式3。通过计算高加壳体内部各段Re，就可以知道管子周围的漩涡脱落样式，进而了解错列排布的管束被气液两相流横掠而过，流体的分布状态与运动方向，对研究管束振动和传热特性非常有帮助。下面以计算蒸汽冷却段靠近壳体疏水液面的那部分管束的Re，来确定漩涡脱落形式。因此流体介质绕过该部分管子的漩涡脱落样式为图5所示的紊流涡街，此范围为亚临界区，此时边界层为层流分离，尾流为紊流涡街。在高加蒸汽冷凝段下部管束和疏水冷却段全部管束，流体介质绕管后，为层流分离。正是因为分界点离前驻点近，所以导致前驻点背后液膜只有一次流惯性，不存在二次流漩涡，这样液膜环绕管子难以滴下。换热管外加置如图6所设计的引流翅片，能够很好的弥补流体绕管后漩涡不足，张力较大的缺点，使得液膜厚度显著降低，如图7。图5 紊流涡街图6 换热管外加置引流翅片 图7 引流翅片效果图参考文献1 蒋国元主编. WWER1000核电站设备与系统M.北京:原子能出版社2009.122 蒋国元主编. WWER1000核电站机械与电气M.北京:原子能出版社2009.123 林宗虎,李永光,卢家才,谢正武,苏新军. 汽液两相流漩涡脱落特性及其工程应用M. 北京:化学工业出版社,2001.84 国家石油和化学工业局发布.HG20581-1998钢制化工容器材料选用规定S.北京:中国标准出版社,19995 杨世铭,陶文铨.传热学M.北京:高等教育出版社,20086 J.M.Coulson and J.M.Richardson. Chemical engineering. 3 ed. 19757 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section , Rules. for in-service spection of Nuclear Power Plant Components, Divisionl .2001 Edition. New York: American Society of Mechanical Engineers8 Heat Exchange Insittiute Standards for Closed Feedwater Heaters(7th.edition) M.9 Hyung - Seop Shin , Hae - Moo Lee,Moon - Saeng Kim. Impact Tensile Behavior of 9% Nickel Steel at Low Tem2perature J . International Journal of Impact Engineering,2000, 24: 571 - 581.