開題報告-U形管高壓加熱器結構設計和熱力計算

1、上海應用技術學院城市建設與安全工程學院畢業(yè)設計（論文）開題報告 課 題 名 稱： U形管高壓加熱器結構設計和熱力計算 專 業(yè)： 熱能與動力工程 班 級： 10106511 學 號： 1010650109 學 生 姓 名： 劉凱奇 指 導 教 師： 鄧劍 2014 年 3 月 1 日本課題的目的和意義、國內外研究現狀、水平和發(fā)展趨勢課題的目的和意義隨著生產的發(fā)展和人民生活的提高，迫切需要更多的能源，尤其是電力的供應，而火力發(fā)電則是電力生產的重要組成部分。目前火力發(fā)電機組正向高參數、大容量方向發(fā)展，提高發(fā)電廠的效率、經濟性、可靠性就成為人們迫切需要解決的新課題。在火力發(fā)電廠生產過程中，除了鍋爐、汽

2、輪機、發(fā)電機三大主機起著主導作用以外，還有著各種輔助設備對電廠的運行可靠行和經濟性也起著非常重要的作用。給水回熱系統(tǒng)作為發(fā)電廠熱力系統(tǒng)的核心，它對電廠的熱經濟性起著決定性的作用。目前發(fā)電廠普遍采用了回熱抽汽來加熱鍋爐給水，以提高吸熱的平均溫度，減少吸熱的不可逆損失；同時降低排汽參數，使蒸汽能夠最大限度地在汽輪機中膨脹做功，減少冷源損失。于是在朗肯循環(huán)基礎上采用回熱循環(huán)，提高循環(huán)效率和熱經濟性。回熱循環(huán)是提高電廠效率的措施之一，現代大型熱電廠毫無例外的采用了回熱循環(huán)，回熱循環(huán)是由回熱加熱器、回熱抽氣管道、水管道、疏水管道等組成的一個加熱系統(tǒng)，而回熱加熱系是該系統(tǒng)的核心。高壓加熱器是利用在汽輪機內

3、已作過一部分功的蒸汽來加熱給水，以減少排汽在凝汽器中的熱損失，從而提高循環(huán)熱效率。它可以提高電廠熱效率，節(jié)省燃料，并有助于機組安全運行。因此，研究回熱抽汽系統(tǒng)以及高壓加熱器的設計對提高電廠的熱經濟性具有重大的理論和實踐意義在回熱系統(tǒng)中，高壓加熱器是接在高壓給水泵之后的加熱給水的表面式加熱器。高壓加熱器一般由筒體、管板、U形管束和隔板等主要部件組成，筒體的右側是加熱器水室。它采用半球形，小開孔的結構形式。水室內有一分流隔板，將進出水隔開。給水是由給水進口處進入水室下部，通過U形管束吸熱升溫后從水室上部出水口處離開加熱器，加熱蒸汽由入口進入筒體，進過蒸汽冷卻段，冷凝段，疏水冷卻段后蒸汽由氣態(tài)變?yōu)橐?/p>

4、態(tài)，最后由疏水出口流出。高壓加熱器是汽輪機最重要的輔助設備之一，如果發(fā)生故障，高壓加熱器一旦停運，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，從而增加燃料耗量，增加發(fā)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(fā)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，過熱器可能被燒壞，威脅鍋爐安全。高壓加熱器停運，沒有抽汽進入高壓加熱器，這部分蒸汽就繼續(xù)在汽輪機內流通，造成汽輪機缸體與轉子間的膨脹差增大，威脅汽輪機安全。因此電廠在高壓加熱器停運時往往降低發(fā)電負荷約為10%15%。由此可見，高壓加熱器是汽輪機車間熱力系統(tǒng)中

5、不可缺少的環(huán)節(jié)，如果運行中發(fā)生故障或操作失誤，都會影響安全經濟發(fā)電，甚至損壞設備和造成人身事故。國內外研究現狀與水平在40年代以前，世界上火電機組大都采用中壓一下的小機組，高壓加熱器（簡稱高加）幾乎都是U形管管板式、正置立式布置，螺栓連接可拆結構。自40年代起，鍋爐，汽輪機向高溫、高壓、大容量發(fā)展，高加的給水壓力和加熱溫度也隨之不斷提高，外形尺寸不斷增大。目前高壓加熱器可按水室配水和傳熱管的不同形式以及兩者的結合進行結構分類，按水室配水形式可分為管板式和集箱式兩種，管板式的傳熱面均為U形管式，稱為U形管管板式，一般稱為U形管式。國內制造廠多采用U形管式，對于不大于100MW的高壓機組，高加也有

6、采用螺旋管式和腰圓管式的。美國、日本西歐大都采用U形管式，到目前為止，U形管式已經成為高壓加熱器設計中的主流方案。U形式高壓加熱器有臥式和立式兩種，現代一般大容量機組采用臥式的較多。臥式加熱器因其換熱管橫向布置，在相同凝結放熱條件下，其凝結水膜較豎管薄，其單管放熱系數約高1.7倍，同時在筒體內易于布置蒸汽冷卻段和疏水冷卻段，在低負荷時可借助于布置的高程差來克服自流壓差小的問題，因此，臥式熱經濟性高于立式，但是他的占地面積則較立式大。目前我國300、600MW以上機組高加往往采用臥式結構。以哈爾濱第三電廠600MW亞臨界壓力、一次中間再熱、單軸、反動式、四缸四排汽機組為例。該機組回熱系統(tǒng)由三臺高

7、壓加熱器、一臺除氧器和4臺低壓加熱器組成。汽輪機的主凝結水由凝結水泵送出，依次流過軸封加熱器、4臺低壓加熱器，進入除氧器。然后由氣動給水泵升壓，經三級高壓加熱器加熱，最終給水溫度達到274.1 ，進入鍋爐。其中高壓加熱器采用臥式布置，三段式U形管結構，疏水方式為逐級自流，水室則采用半球型封頭。表1 高加回熱系統(tǒng)抽汽參數項目單位H1H2H3抽氣壓力PjMpa5.8943.5931.612抽氣溫度tj380.9316.9429.1抽氣焓hjKJ/kg3132.930163317.7加熱器上端差t-1.700加熱器下端差t15.55.55.5水側壓力pwMpa20.1320.1320.13抽汽管道壓

8、損pj%333發(fā)展趨勢從40年代起，高加的設計、制造、檢驗等技術條件經過幾十年的發(fā)展完善，已趨成熟，目前不論是U形管管板式高加還是各種集裝箱式高加，只要控制制造技術和質量合適，都能運行良好，在運行可靠性、檢修等方面滿足要求。各種形式也各有缺點，也不能斷言哪種形式一定占有絕對優(yōu)勢。近年來，隨著國民經濟的發(fā)展、技術經濟水平的提高，我國已把節(jié)約能源放在重要地位。且高溫高壓設備存在技術難度，因此電廠對高壓加熱器的投運情況已引起高度的重視。我國電力工業(yè)的不斷迅速發(fā)展，高參數、大容量機組數量也在不斷增加。參數提高，容量增大，也使高壓加熱器的尺寸越來越大，同時也增加了設計、制造的難度。為了提高機組的效率，減

9、少煤耗，降低電廠的生產成本，近年來我國已關閉多個50MW、100MW、125MW 機組，并改擴建了一大批600MW、1000MW 機組，集裝箱式高加已不能滿足基本運行要求而被淘汰。U形管式高加則憑借優(yōu)異的熱力性能及良好的適應性逐漸成為發(fā)展的趨勢。文獻查閱、調研情況文獻綜述給水加熱器是電廠回熱系統(tǒng)的重要輔機之一，它是一種利用汽輪機抽汽加熱給水以提高熱效率的換熱設備。從汽輪機中抽出一定數量的做過了一部分功的蒸汽稱為抽汽，用它加熱主凝結水和給水的過程稱為回熱過程，此過程中的汽、水的熱力系統(tǒng)稱為回熱循環(huán)或回熱系統(tǒng)。回熱系統(tǒng)中的熱交換設備主要是給水加熱器和除氧器。位于凝結水泵以后和除氧器以前的給水加熱器

10、處于凝結水泵出口壓力下工作，稱為低壓給水加熱器。為防止給水在被加熱過程中沸騰，要求給水壓力大于給水加熱溫度所相應的飽和壓力，而除氧器出水溫度已達到該壓力相應的飽和溫度，必須經給水泵升壓后才能再用蒸汽加熱它，位于給水泵出口以后的給水加熱器，其管內給水處于給水泵后高壓力下工作，稱為高壓給水加熱器。從汽輪機抽出到加熱器去的抽汽的壓力一般是不加調節(jié)的，它隨著負荷大小而改變。從汽輪機不同段位抽出的抽汽，其壓力、溫度等參數各不相同，所以各給水加熱器的進汽參數也都不同，被加熱后的給水溫度也就不同，它經各級加熱器逐步加熱，最終達到鍋爐所要求的給水溫度。最簡單的回熱系統(tǒng)只有一臺加熱器，稱為單級回熱系統(tǒng)。為提高機

11、組循環(huán)熱效率，都采用多臺加熱器，即多級回熱系統(tǒng)。一般600MW 火電機組由四臺低加、一臺除氧器和三臺高加組成。圖1 回熱系統(tǒng)示意圖表面式給水加熱器的特點是加熱工質（汽輪機的抽汽）與被加熱工質（鍋爐給水）相互不混合，通過管壁來傳遞熱量。電廠用表面式高壓給水加熱器的形式如圖2 所示。傳熱管內是給水，傳熱管外是蒸汽。蒸汽在加熱器里放出熱量并凝結成疏水，由疏水口排出。由于加熱蒸汽通常都具有一定的過熱度，為使給水溫度達到所期望的值，同時加熱面積盡可能的少，可設置一個過熱蒸汽冷卻段，以充分利用抽汽的過熱度。蒸汽由汽相變?yōu)轱柡退瑫r放出汽化潛熱的過程是在凝結段里完成的。這是給水加熱器的主要換熱區(qū)段，管內給

12、水大部分的焓升是由這一段提供的。因此，具有凝結段的加熱器是電廠用給水加熱器的最基本形式。為進一步降低熱耗并使疏水安全、順利地排入下一級低壓容器，有的加熱器還設置疏水冷卻段，使飽和疏水在一區(qū)段里進一步放出熱量，以過冷水排出。表面式給水加熱器的特點是加熱工質（汽輪機的抽汽）與被加熱工質（鍋爐給水）相互不混合，通過管壁來傳遞熱量。電廠用表面式高壓給水加熱器的形式如圖2 所示。傳熱管內是給水，傳熱管外是蒸汽。蒸汽在加熱器里放出熱量并凝結成疏水，由疏水口排出。由于加熱蒸汽通常都具有一定的過熱度，為使給水溫度達到所期望的值，同時加熱面積盡可能的少，可設置一個過熱蒸汽冷卻段，以充分利用抽汽的過熱度。蒸汽由汽

13、相變?yōu)轱柡退?，同時放出汽化潛熱的過程是在凝結段里完成的。這是給水加熱器的主要換熱區(qū)段，管內給水大部分的焓升是由這一段提供的。因此，具有凝結段的加熱器是電廠用給水加熱器的最基本形式。為進一步降低熱耗并使疏水安全、順利地排入下一級低壓容器，有的加熱器還設置疏水冷卻段，使飽和疏水在一區(qū)段里進一步放出熱量，以過冷水排出。圖2 U形管式高壓加熱器的結構示意圖高加采用臥式雙流程U 形管結構，分為三段，即過熱蒸汽冷卻段、凝結段和疏水冷卻段。過熱蒸汽冷卻段位于給水出口流程側，并用包殼板密閉。從進口接管進入的過熱蒸汽在一組隔板的導向下以適當的線速度和質量速度均勻地流過管子，并使蒸汽保留有足夠的過熱度以保證蒸汽離

14、開該段時呈干燥狀態(tài)，這樣，當蒸汽離開該段進入凝結段時，可防止?jié)裾羝麤_蝕和水蝕的損害。凝結段內一組隔板使蒸汽沿著加熱器長度方向均勻地分布，起支撐傳熱管的作用。進入該段的蒸汽，根據氣（汽）體冷卻原理，自動平衡，直至由飽和蒸汽冷凝成飽和的凝結水，并匯集在加熱器的底部，然后流向疏水冷卻段。位于殼體上的排氣接管口，可排除非凝結氣體，收聚非凝結氣體的排氣管置于管束最低壓力處以及殼體內容易集聚非冷凝氣體處。非冷凝氣體的集聚影響了有效傳熱，降低了傳熱效率并造成傳熱管的腐蝕。疏水冷卻段位于給水進口流程側，并有包殼板密閉。疏水溫度降低后，當流向下一個壓力較低的加熱器時，減弱了在管道內發(fā)生汽化的趨勢。包殼板在內部與

15、加熱器殼側的總體部分隔開，從端板和吸入口或進口端保持一定的疏水水位，使該段密閉。疏水進入該段，由一組隔板引導流動，從疏水出口管疏出。調研情況由于高加的設計制造較為成熟，通過文獻查閱，資料的整理分析，參考既有600MW 高壓加熱器的具體技術參數及高加給水設計標準。600MW機組回熱系統(tǒng)高壓加熱器一般采用臥式雙流程U 形管結構，分為三段，即過熱蒸汽冷卻段、凝結段和疏水冷卻段。水室設計采用半球形封頭，疏水方式為逐級自流。殼體是鋼板焊接構件，材料SA516Gr70。為保證其焊縫質量，焊縫都經100%無損檢測。殼體和水室是焊接連接。為了便于殼體的拆移，還安裝了牽引吊耳及殼體滾輪，并使其在運行時能自由膨脹

16、。殼體組件還包括蒸汽接管、疏水接管、安全閥接管等。水室由半球形封頭（材料SA516Gr70）和管板（材料20MnMo）組成，管板鉆有孔，以便插入U 形管。水室組件還包括給水進口接管、出口接管、排氣接管和引導水流按規(guī)定動的分隔板以及帶密封墊圈的人孔蓋、人孔座等。圖3 球形封頭水室結構示意圖本課題的基本內容、重點、難點本課題的基本內容本機組高加采用管板、U形管全焊接結構，內部設有過熱蒸汽冷卻段、蒸汽凝結段和疏水冷卻段三段。高加主要部件包括：殼體、水室、管板、換熱管、支撐板、防沖板、隔板等。殼體為全焊接結構。殼體進行焊后熱處理和無損檢驗，除安全閥接管外，高加的所有部件均為全焊接的非法蘭結構。當高加需

17、拆除殼體時，須沿著所附裝配圖殼體上的切割線切割。高加的水室由鍛件與厚板焊接而成，封頭為耐高壓的半球形結構。水室上設橢圓形人孔以便于進行檢修。橢圓形人孔為自密封結構，采用帶加強環(huán)的不銹鋼石墨纏繞墊。水室內設有將球體分開的密閉式分程隔板，為防止高加水室內給水短路，在給水出口側設有膨脹裝置，以補償因溫差引起的變形及瞬間水壓突變引起的變形與相應的熱應力。給水進口側設置有防沖蝕裝置。高加的管板采用與水室相連的鍛件作為管板。高加使用U形管作為加熱管，U形管的材料采用SA-556Gr.C2。高加管子與管板采用焊接加脹接結構。管子支撐板在換熱管的全長上布置有一定數量的支撐板，使蒸汽流能垂直沖刷管子以改進傳熱效

18、果，并增加管束的整體剛性，防止振動，并且保證管子受熱能自由膨脹。支撐板用拉桿和定位管固定在規(guī)定的位置處。防止由蒸汽和上級疏水的沖擊引起換熱管的損壞，在蒸汽和上級疏水入口處均設有不銹鋼防沖板。為了把過熱段、疏水段與凝結段隔離開，設置有包殼板，且確保過熱段、疏水段的密封性和獨立性。本課題的重點根據汽輪機的系統(tǒng)熱平衡圖數據，先計算傳熱量，校核抽氣需要量，對于三段式的U形管高壓加熱器，先計算各分段的傳熱面積，最終求出傳熱總面積。按照給水流量和選定的流速，管子的直徑及壁厚，計算管子根數及行程數，并按照上述預估的總面積計算管子的平均長度，然后初步布置傳熱面，安排管板上管控和水室內徑。根據上述布置的結構，計

19、算各段的傳熱面積，如何原預估面積基本符合，即為布置合理；如果有所差別，則重新布置管子等結構，直至計算域預估面積基本符合為止本課題的難點高壓加熱器的熱力計算較為復雜，傳熱分系數的計算對傳熱面積有決定性的影響，在同樣的換熱工況下，傳熱面積越小，經濟形越高，熱力性能越好。這就要求傳熱系數的計算誤差不能太大，利用現有的更好的擬合優(yōu)化公式，盡量減小人為誤差。對于高加的結構設計，是在非常完整且精度較高的熱力計算下完成的，對于結構細節(jié)的把握也會在很大程度上影響高加的熱力性能，這就需要查閱更多的文獻資料進行更多的計算。解決問題的方法、手段、措施等擬采取的方法和技術大量資料與理論知識的學習，了解高壓加熱器技術知

20、識，完成初步準備；文獻的大量閱讀，查閱具體設計標準，獲得設計依據和了解設計流程；根據原始數據開始具體的設計：高壓加熱器采取臥式布置，雙流程，三段式結構，疏水方式為逐級自流；水室采用球形封頭；U形管采用采用SA-556Gr.C2，殼體是鋼板焊接構件，材料采用SA516Gr70；使用AutoCAD繪制系統(tǒng)及主要裝置設計圖紙；Office軟件撰寫論文。選擇的工具Office軟件編輯論文，AutoCAD繪制設計圖，設計技術標準工作進度安排第1-2周，畢業(yè)實習，撰寫開題報告第3-4周，按需查資料，編寫論文第5-6周，提出計算方法，基礎數據第7-8周，確定設計參數第9-10周，確定最終數據第11-12周，繪制裝配圖及零件圖第13-16周，畢業(yè)論文的撰寫，整理，完善第17周，提交畢業(yè)報告和論文。論文提綱主要為以下內容目錄摘要緒論（研究背景，研究現狀及發(fā)展）正文結論和展望（總結，工作展望）參考文獻致謝附錄主要參考文獻楊明勇U形管式高壓加