上下管束布置组合式低压加热器

牛忠华 上海电气电站设备有限公司（201199）

牛忠华（1977年～），男，本科，高级工程师，现从事电站设备设计工作。

0 概述

目前，核电项目1000MW机组常规岛汽轮机-发电机包均采用统一招标，其中包括汽轮机、发电机、汽水分离再热器、凝汽器和凝汽器颈部低压加热器等设备。某工程的凝汽器由国外公司负责方案设计，而凝汽器颈部低压加热器则国内公司负责设计。凝汽器接颈内部的抽汽管道布置也属于国外公司的总体布置范围。而本项目的1、2号抽汽管道的通用口径达DN800以上，因此其布置与凝汽器颈部低压加热器休戚相关，直接影响到低压加热器蒸汽进口的布置，甚至可能涉及整个低压加热器的结构布置。

1 工作原理

低压加热器是电厂回热系统的重要辅机之一，它是一种利用汽轮机抽汽加热凝结水以提高效率的换热设备。工程上习惯根据抽汽级数定义低压加热器的编号。

在热力发电厂中，提高郎肯循环效率的方法有多种，其中之一是采用多级给水回热加热，即从汽轮机的中间级抽出一部份蒸汽，在给水加热器中对锅炉给水进行加热。与之相应的热力循环和热力系统称之为给水回热循环和给水回热系统。由于汽轮机抽汽在加热器中对给水进行加热，减少了在凝汽器中的热损失，从而使蒸汽的热量得到了充分的利用，提高了循环的热效率。给水回热系统是发电厂原则性热力系统的基础。根据回热加热器的型式、种类及其连接方式的不同，可以组成各种不同的回热系统以满足汽轮机组对运行经济性和安全可靠性等的要求。如果发生故障停运，给水只能通过旁路管道进入锅炉，这就会大大降低进入锅炉的给水温度，从而增加燃料消耗和发电成本，降低经济性。进入锅炉的给水温度降低，水在锅炉中的吸热量增加，相对于炉膛内热负荷的蒸发量就减少，蒸汽在锅炉过热器中被加热度提高，引起过热蒸汽温度过高，威胁锅炉安全。给水加热器停运，没有抽汽进入给水加热器，这部分蒸汽就会继续在汽轮机内流通，造成汽轮机缸体与转子间的膨胀差增大，威胁汽轮机的安全。因此电厂在给水加热器停运时往往降低发电负荷约10%~15%。

低压加热器的基本结构是一种内设U形管、管壳式换热器，传热管内(管程)是凝结水，传热管外(壳程)是抽汽(蒸汽)。蒸汽在加热器壳体里放出热量并凝结成疏水，由疏水口排出。一般而言，高、低压加热器的抽汽级数是唯一的。这是因为不同的抽汽对应不同的抽汽参数，而抽汽参数特别是抽汽压力将直接影响到整个加热器的给水端差(即加热器抽汽进口的抽汽压力下的饱和温度和加热器给水出口温度之差)，而凝汽器颈部低压加热器的抽汽来源于汽轮机低压缸的最末两级抽汽(1号抽汽、2号抽汽)。凝汽器颈部低压加热器从形式上来看，有2个不同的抽汽级数。汽轮机低压缸抽汽压力普遍较低，在这种情况下，即使压力上有较小的减少，对应的饱和温度也会大幅降低。比如：在2.08MPa下，饱和温度是214.4℃，2.02MPa下的饱和温度是212.8℃，相差仅1.6℃；而在0.08MPa下，饱和温度是93.5℃；0.02MPa下的饱和温度是60℃，相差33.5℃。因此为了有效提高管程出水温度，提高低压加热器性能，必须将两级抽汽分别引入低压加热器壳体的不同的、互相独立的2个腔室，以提高各腔室管程凝结水出水温度(每个腔室也有各自管束，管程的凝结水也因此能顺序流过这2个腔室)。从本质上来说，凝汽器颈部低压加热器其实是将1号低压加热器和2号低压加热器组合在一起，每个加热器都有自己独立的管束和壳体，水室部分则为共用。这种形式的低压加热器也称为组合式低压加热器。

2 结构描述

2.1 常规组合式低压加热器的结构

常规组合式低压加热器的管束布置采用左右布置，这是由凝汽器颈部1号、2号抽汽管道布置所决定的。常规凝汽器颈部1号抽汽管道采用4根DN600管道，2号抽汽管道采用2根DN500管道，呈左右布置，如图1所示，左边为2号抽汽管道，右边为1号抽汽管道，亦或反之。因此，组合式低压加热器的管束也是相应的采用左右布置的形式。

图1 常规机组抽汽管道的布置

图2 a、b为管束左右布置的低压加热器的结构示意图。管程主要由圆柱形水室、水室分隔板、管板、左侧管束、右侧管束组成。壳程通过在筒体中间设置1块分隔板，将整个筒体分为两个相互独立的腔室，见附图，腔室一内流动介质为1号抽汽及其疏水，该腔室的壳体完全将左侧U形管包裹住。腔室二内流动介质为2号抽汽及其疏水，该腔室的壳体完全将右侧U形管包裹住。

图2 常规机组组合式低压加热器的结构及水室流程

其主要工作过程如下：管程为被加热介质（凝结水）。壳程为加热介质（汽轮机最末两级抽汽）。管程为四流程，见图2b，凝结水从凝结水进口进入水室的左下方，流入左侧U形管，和1号抽汽进行换热后，返回水室左上方，再流入水室的右下方，进入右侧U形管，和2号抽汽进行换热，然后返回水室右上方，从凝结水出口管流出，流向上一级低压加热器。壳程：1号抽汽从腔室1的蒸汽进口管进入，进入腔室1，经换热放出热量后，凝结成水，经腔室1下部的疏水出口管排出加热器。2号抽汽从腔室2的蒸汽进口进入，进入腔室2，经换热放出热量后，凝结成水，由腔室2下部的疏水出口管排出加热器。

2.2 上下管束布置的组合式低压加热器的结构

图3 某项目抽汽管道的布置

上下管束布置的组合式低压加热器的管束布置采用上下布置，这是由凝汽器颈部1号、2号抽汽管道布置所决定的。该项目凝汽器颈部1号抽汽管道采用4根DN800管道，2号抽汽管道采用1根DN1200管道。2号抽汽管在中间，而1号抽汽管在其两侧，如图3所示。因此，组合式低压加热器的管束也必须相应的采用上下布置的形式。图中，1. 凝结水进口管

图4 上下管束布置的组合式低压加热器

2. 圆柱形水室

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. 腔室二蒸汽进口管

9. 支撑系

10. 滚轮系

11. 低压加热器壳体

12. 给水进口管

13. 腔室一壳体

14. 腔室一蒸汽进口管

15. 上部U形管

16. 凝结水出口管

17. 水室分隔板

图4a、b、c为管束左右布置的低压加热器的结构示意。管程主要由圆柱形水室、水室分隔板、管板、上部U形管，下部U形管组成。壳程分为两个相互独立的腔室，见图4b，腔室1内流动介质为2级抽汽，该腔室的壳体完全将上部U形管包裹住。腔室2内流动介质为1级抽汽，该腔室的壳体为整个低压加热器的壳体，完全将下部U形管和腔室一的壳体都包裹住。

其主要工作过程如下：管程为被加热介质（凝结水）。壳程为加热介质（汽轮机最末两级抽汽）。管程为四流程，凝结水从凝结水进口进入下水室的右侧，流入下部U形管，和最末级抽汽换热后，返回下水室的左侧，流入上水室的右侧，再进入上部U形管，和次末级抽汽进行换热，然后返回上水室左侧，从凝结水出口管流出，流向上一级低压加热器。壳程：次末级抽汽从腔室一的蒸汽进口管进入，进入腔室1，经换热放出热量后，凝结成水，经腔室1下部的疏水支管收集后，进入疏水母管后，经腔室1的疏水出口管统一排出加热器。最末级抽汽从腔室2的蒸汽进口进入，进入腔室2，经换热放出热量后，凝结成水，由加热器壳体下方的腔室2的疏水出口管排出加热器。

3 结构对比

上下管束布置的组合式低压加热器和常规机组组合式低压加热器的结构相比较，有几个较大的差异。

3.1 抽汽进口布置位置

常规机组由于凝汽器接颈内的1、2号抽汽管道分别沿低压加热器轴线方向布置在低压加热器左右两侧，因此组合式低压加热器上的抽汽进口接管都在壳体上部。而该工程的2号抽汽管在中间，1号抽汽管在其两侧，同时抽汽管道直径非常大（DN800和DN1200），远远超过常规机组，并且凝汽器接颈内部本身还有6号抽汽管道、3级减温减压装置等部件，因此在凝汽器接颈有限的空间，很难调整这5根抽汽管道的方位，所以该组合式低压加热器的2号抽汽进口管布置在壳体正上部，1号抽汽进口管布置在壳体下半部分的两侧。

3.2 常规机组组合式加热器采用同一个壳体，不同腔室；上下管束布置的加热器采用不同壳体，不同腔室

由于组合式低压加热器同时接受来自2个不同抽汽级数的抽汽，当采用上下管束布置时，温度高的2号抽汽从壳体上方进入，温度低的1号抽汽从壳体下方。如果共用一个壳体，壳体上下部分的温度不同，所引起的热膨胀也不同，会使壳体向上拱起，会向凝汽器接颈内的抽汽管道施加一个向上的力。由于左右壳体温度不同，中间分隔板与壳体筒身连接处也会产生热应力。采用2个独立壳体的设计，可以使各个壳体承受单一温度，避免上述情况的发生。由于2号低压加热器的壳体完全包含在1号低压加热器壳体内，也造成了2号低压加热器疏水系统、壳体的支撑系统、对外接管引出的问题，见图5a、b所示。

图5 两种加热器不同结构的对比

3.3 2号低压加热器的疏水系统

左右布置的低压加热器通过中间分隔板将整个壳体筒身分为左右两部分，2号低压加热器和1号低压加热器的疏水可直接连接到加热器外面。上下管束布置的低压加热器，其2号低压加热器包含在1号低压加热器的壳体内，其疏水管道必须从1号低压加热器壳体内走，直至接出1号低压加热器壳体，其间2号低压加热器的疏水是不能进入1号低压加热器的。2号低压加热器和1号低压加热器壳体内部均属于无水位设计。2号低压加热器壳体呈半圆形，其底部实际上为一平板结构。2号抽汽会在换热管表面凝结成水，最后滴落到底板上，对此必须设计一种结构能够将底板上收集到的疏水及时、快速地排出。为解决疏水问题，在该底板上均匀布置一系列小接管，通过这一系列的小接管收集这些疏水。这些接管的直径和数量，既要满足快速排放疏水的需要，又要便于布置，同时也要考虑底板和小接管之间焊接变形的问题。利用1号低压加热器最内排的U形管两直管段之间的空间，将这些接管延伸出整个1号低压加热器的管束，然后汇聚到一根母管上，最后接至A1壳体外。

3.4 2号低压加热器壳体的支撑系统

2号低压加热器包含在1号低压加热器的壳体内。在设计时，必须要考虑制造因素。产品制造时特别是进行筒身的终接焊缝焊接以及进行管板和水室的主环缝焊接时，将面临整个加热器筒身翻转的问题。在正常状态下，2号低压加热器的壳体完全架在1号低压加热器的隔板上，整个组合式低压加热器管束的重量均由1号低压加热器的隔板承担。1、2号低压加热器壳体之间由于装配的需要，客观上2号低压加热器和1号低压加热器壳体之间的上方存在较大空隙。当筒身翻转时，原来在壳体上方间隙转到了下方，1、2号低压加热器的所有内件就会向下移动，2号低压加热器的底板必然会移位、变形，进而引起底板和管板间焊缝的质量问题。为减少或防止2号低压加热器的底板移位，2号低压加热器、1号低压加热器的隔板互相对应。同时在2号低压加热器的上方设置导板作为翻转壳体时的支撑。1号低压加热器隔板下设置滚轮，便于壳体横套。

3.5 2号低压加热器对外接管的结构

因为2号低压加热器壳体完全包含在1号低压加热器壳体内，且2号低压加热器壳程的排气和疏水接管均需要独立排出加热器以外，所以2号低压加热器壳程所有对外接口均需穿过1号低压加热器筒身再与外界相连。而2号低压加热器、1号低压加热器的壳体承受不同的温度，尽管温度差较小，但是接管至固定端的距离较长，因此2号低压加热器、1号低压加热器相对热位移差也很可观。而且低加各接管尺寸相差较大，2号低压加热器蒸汽管口径达DN1200，放气口的口径仅DN50，针对不同的情况需要有不同的应变措施。

4 结语

上下管束布置的组合式低压加热器和常规机组组合式低压加热器结构相比在壳体结构设计上具有更好的温度适用性和合理性。其设计开发是专门应对于1000MW及其以上核电机组的某一特定凝汽器抽汽管道布置。在目前该抽汽管道布置已成为大容量核电机组的主流设计方案之一的形势下，该结构的低压加热器也将具有更高的应用价值。