上下管束布置組合式低壓加熱器

牛忠華 上海電氣電站設備有限公司（201199）

牛忠華（1977年～），男，本科，高級工程師，現從事電站設備設計工作。

0 概述

目前，核電項目1000MW機組常規島汽輪機-發電機包均采用統一招標，其中包括汽輪機、發電機、汽水分離再熱器、凝汽器和凝汽器頸部低壓加熱器等設備。某工程的凝汽器由國外公司負責方案設計，而凝汽器頸部低壓加熱器則國內公司負責設計。凝汽器接頸內部的抽汽管道布置也屬于國外公司的總體布置范圍。而本項目的1、2號抽汽管道的通用口徑達DN800以上，因此其布置與凝汽器頸部低壓加熱器休戚相關，直接影響到低壓加熱器蒸汽進口的布置，甚至可能涉及整個低壓加熱器的結構布置。

1 工作原理

低壓加熱器是電廠回熱系統的重要輔機之一，它是一種利用汽輪機抽汽加熱凝結水以提高效率的換熱設備。工程上習慣根據抽汽級數定義低壓加熱器的編號。

在熱力發電廠中，提高郎肯循環效率的方法有多種，其中之一是采用多級給水回熱加熱，即從汽輪機的中間級抽出一部份蒸汽，在給水加熱器中對鍋爐給水進行加熱。與之相應的熱力循環和熱力系統稱之為給水回熱循環和給水回熱系統。由于汽輪機抽汽在加熱器中對給水進行加熱，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，提高了循環的熱效率。給水回熱系統是發電廠原則性熱力系統的基礎。根據回熱加熱器的型式、種類及其連接方式的不同，可以組成各種不同的回熱系統以滿足汽輪機組對運行經濟性和安全可靠性等的要求。如果發生故障停運，給水只能通過旁路管道進入鍋爐，這就會大大降低進入鍋爐的給水溫度，從而增加燃料消耗和發電成本，降低經濟性。進入鍋爐的給水溫度降低，水在鍋爐中的吸熱量增加，相對于爐膛內熱負荷的蒸發量就減少，蒸汽在鍋爐過熱器中被加熱度提高，引起過熱蒸汽溫度過高，威脅鍋爐安全。給水加熱器停運，沒有抽汽進入給水加熱器，這部分蒸汽就會繼續在汽輪機內流通，造成汽輪機缸體與轉子間的膨脹差增大，威脅汽輪機的安全。因此電廠在給水加熱器停運時往往降低發電負荷約10%~15%。

低壓加熱器的基本結構是一種內設U形管、管殼式換熱器，傳熱管內(管程)是凝結水，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成疏水，由疏水口排出。一般而言，高、低壓加熱器的抽汽級數是唯一的。這是因為不同的抽汽對應不同的抽汽參數，而抽汽參數特別是抽汽壓力將直接影響到整個加熱器的給水端差(即加熱器抽汽進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源于汽輪機低壓缸的最末兩級抽汽(1號抽汽、2號抽汽)。凝汽器頸部低壓加熱器從形式上來看，有2個不同的抽汽級數。汽輪機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，對應的飽和溫度也會大幅降低。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，必須將兩級抽汽分別引入低壓加熱器殼體的不同的、互相獨立的2個腔室，以提高各腔室管程凝結水出水溫度(每個腔室也有各自管束，管程的凝結水也因此能順序流過這2個腔室)。從本質上來說，凝汽器頸部低壓加熱器其實是將1號低壓加熱器和2號低壓加熱器組合在一起，每個加熱器都有自己獨立的管束和殼體，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 結構描述

2.1 常規組合式低壓加熱器的結構

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

圖1 常規機組抽汽管道的布置

圖2 a、b為管束左右布置的低壓加熱器的結構示意圖。管程主要由圓柱形水室、水室分隔板、管板、左側管束、右側管束組成。殼程通過在筒體中間設置1塊分隔板，將整個筒體分為兩個相互獨立的腔室，見附圖，腔室一內流動介質為1號抽汽及其疏水，該腔室的殼體完全將左側U形管包裹住。腔室二內流動介質為2號抽汽及其疏水，該腔室的殼體完全將右側U形管包裹住。

圖2 常規機組組合式低壓加熱器的結構及水室流程

其主要工作過程如下：管程為被加熱介質（凝結水）。殼程為加熱介質（汽輪機最末兩級抽汽）。管程為四流程，見圖2b，凝結水從凝結水進口進入水室的左下方，流入左側U形管，和1號抽汽進行換熱后，返回水室左上方，再流入水室的右下方，進入右側U形管，和2號抽汽進行換熱，然后返回水室右上方，從凝結水出口管流出，流向上一級低壓加熱器。殼程：1號抽汽從腔室1的蒸汽進口管進入，進入腔室1，經換熱放出熱量后，凝結成水，經腔室1下部的疏水出口管排出加熱器。2號抽汽從腔室2的蒸汽進口進入，進入腔室2，經換熱放出熱量后，凝結成水，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構

圖3 某項目抽汽管道的布置

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、2號抽汽管道布置所決定的。該項目凝汽器頸部1號抽汽管道采用4根DN800管道，2號抽汽管道采用1根DN1200管道。2號抽汽管在中間，而1號抽汽管在其兩側，如圖3所示。因此，組合式低壓加熱器的管束也必須相應的采用上下布置的形式。圖中，1. 凝結水進口管

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. 腔室二蒸汽進口管

9. 支撐系

10. 滾輪系

11. 低壓加熱器殼體

12. 給水進口管

13. 腔室一殼體

14. 腔室一蒸汽進口管

15. 上部U形管

16. 凝結水出口管

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構示意。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。殼程分為兩個相互獨立的腔室，見圖4b，腔室1內流動介質為2級抽汽，該腔室的殼體完全將上部U形管包裹住。腔室2內流動介質為1級抽汽，該腔室的殼體為整個低壓加熱器的殼體，完全將下部U形管和腔室一的殼體都包裹住。

其主要工作過程如下：管程為被加熱介質（凝結水）。殼程為加熱介質（汽輪機最末兩級抽汽）。管程為四流程，凝結水從凝結水進口進入下水室的右側，流入下部U形管，和最末級抽汽換熱后，返回下水室的左側，流入上水室的右側，再進入上部U形管，和次末級抽汽進行換熱，然后返回上水室左側，從凝結水出口管流出，流向上一級低壓加熱器。殼程：次末級抽汽從腔室一的蒸汽進口管進入，進入腔室1，經換熱放出熱量后，凝結成水，經腔室1下部的疏水支管收集后，進入疏水母管后，經腔室1的疏水出口管統一排出加熱器。最末級抽汽從腔室2的蒸汽進口進入，進入腔室2，經換熱放出熱量后，凝結成水，由加熱器殼體下方的腔室2的疏水出口管排出加熱器。

3 結構對比

上下管束布置的組合式低壓加熱器和常規機組組合式低壓加熱器的結構相比較，有幾個較大的差異。

3.1 抽汽進口布置位置

常規機組由于凝汽器接頸內的1、2號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，因此組合式低壓加熱器上的抽汽進口接管都在殼體上部。而該工程的2號抽汽管在中間，1號抽汽管在其兩側，同時抽汽管道直徑非常大（DN800和DN1200），遠遠超過常規機組，并且凝汽器接頸內部本身還有6號抽汽管道、3級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號抽汽進口管布置在殼體正上部，1號抽汽進口管布置在殼體下半部分的兩側。

3.2 常規機組組合式加熱器采用同一個殼體，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接受來自2個不同抽汽級數的抽汽，當采用上下管束布置時，溫度高的2號抽汽從殼體上方進入，溫度低的1號抽汽從殼體下方。如果共用一個殼體，殼體上下部分的溫度不同，所引起的熱膨脹也不同，會使殼體向上拱起，會向凝汽器接頸內的抽汽管道施加一個向上的力。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產生熱應力。采用2個獨立殼體的設計，可以使各個殼體承受單一溫度，避免上述情況的發生。由于2號低壓加熱器的殼體完全包含在1號低壓加熱器殼體內，也造成了2號低壓加熱器疏水系統、殼體的支撐系統、對外接管引出的問題，見圖5a、b所示。

圖5 兩種加熱器不同結構的對比

3.3 2號低壓加熱器的疏水系統

左右布置的低壓加熱器通過中間分隔板將整個殼體筒身分為左右兩部分，2號低壓加熱器和1號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號低壓加熱器包含在1號低壓加熱器的殼體內，其疏水管道必須從1號低壓加熱器殼體內走，直至接出1號低壓加熱器殼體，其間2號低壓加熱器的疏水是不能進入1號低壓加熱器的。2號低壓加熱器和1號低壓加熱器殼體內部均屬于無水位設計。2號低壓加熱器殼體呈半圓形，其底部實際上為一平板結構。2號抽汽會在換熱管表面凝結成水，最后滴落到底板上，對此必須設計一種結構能夠將底板上收集到的疏水及時、快速地排出。為解決疏水問題，在該底板上均勻布置一系列小接管，通過這一系列的小接管收集這些疏水。這些接管的直徑和數量，既要滿足快速排放疏水的需要，又要便于布置，同時也要考慮底板和小接管之間焊接變形的問題。利用1號低壓加熱器最內排的U形管兩直管段之間的空間，將這些接管延伸出整個1號低壓加熱器的管束，然后匯聚到一根母管上，最后接至A1殼體外。

3.4 2號低壓加熱器殼體的支撐系統

2號低壓加熱器包含在1號低壓加熱器的殼體內。在設計時，必須要考慮制造因素。產品制造時特別是進行筒身的終接焊縫焊接以及進行管板和水室的主環縫焊接時，將面臨整個加熱器筒身翻轉的問題。在正常狀態下，2號低壓加熱器的殼體完全架在1號低壓加熱器的隔板上，整個組合式低壓加熱器管束的重量均由1號低壓加熱器的隔板承擔。1、2號低壓加熱器殼體之間由于裝配的需要，客觀上2號低壓加熱器和1號低壓加熱器殼體之間的上方存在較大空隙。當筒身翻轉時，原來在殼體上方間隙轉到了下方，1、2號低壓加熱器的所有內件就會向下移動，2號低壓加熱器的底板必然會移位、變形，進而引起底板和管板間焊縫的質量問題。為減少或防止2號低壓加熱器的底板移位，2號低壓加熱器、1號低壓加熱器的隔板互相對應。同時在2號低壓加熱器的上方設置導板作為翻轉殼體時的支撐。1號低壓加熱器隔板下設置滾輪，便于殼體橫套。

3.5 2號低壓加熱器對外接管的結構

因為2號低壓加熱器殼體完全包含在1號低壓加熱器殼體內，且2號低壓加熱器殼程的排氣和疏水接管均需要獨立排出加熱器以外，所以2號低壓加熱器殼程所有對外接口均需穿過1號低壓加熱器筒身再與外界相連。而2號低壓加熱器、1號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，因此2號低壓加熱器、1號低壓加熱器相對熱位移差也很可觀。而且低加各接管尺寸相差較大，2號低壓加熱器蒸汽管口徑達DN1200，放氣口的口徑僅DN50，針對不同的情況需要有不同的應變措施。

4 結語

上下管束布置的組合式低壓加熱器和常規機組組合式低壓加熱器結構相比在殼體結構設計上具有更好的溫度適用性和合理性。其設計開發是專門應對于1000MW及其以上核電機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組的主流設計方案之一的形勢下，該結構的低壓加熱器也將具有更高的應用價值。