高压加热器的设计

高压加热器的设计
一概述
火力发电厂的高压给水加热器（以下简称“高加”）是利用汽轮机的抽汽加热锅炉给水的装置。

电厂配置了给水加热系统以后，可以提高电厂热效率10~12%（高的可达15%左右）节省燃料，并有助于机组安全运行，这是采用汽轮机已作部分功的蒸汽来加热锅炉给水。

汽轮机在高压缸中间的抽气用作3#，2#高加进汽，在中压缸抽汽可提供1#高加进汽。

给水通过蒸汽及饱和水的加热后，在进入锅炉气包之前已加热到较高的温度，可减少燃煤的加热过程，使电厂热效率提高。

若高加发生故障而停运，届时给水就即改道旁路管道而进入锅炉，水在锅炉中吸收热量增加。

因此降低了锅炉的蒸汽蒸发量，造成过热器中的蒸汽过热度提高，有可能造成过热器被烧坏，高加停运，汽轮机的膨胀差增大，威胁汽轮机的安全。

因此，高加停运可能使电厂发电负荷降低10~15%。

二高加简介
2.1按压力分类（以高加给水侧压力划分）
1. 中压高加：中压 6.5Mpa；次高压 9.7Mpa。

2. 高压高加：高压 19Mpa；超高压 24Mpa（一般设计压力Pd=20Mpa）亚
临份 31Mpa（一般为Pd=28Mpa）；超临份=37Mpa 。

2.2 按结构分类：
1.管板式-----U形管管板式；
2.集箱式----螺旋管集箱式（俗称盘香管式）。

U形管管板式可分为：正置立式，倒置立式，卧式三种。

200MW的机组基本上都为正置立式居多；100MW~200MW有采用倒置式；300MW及以上大型机组高加几乎都采用卧式布置。

2按传热区段分类：
1.单纯凝结段；
2.凝结段和疏冷段二段式；
3.过热段和凝结段二段式；
4.过热段冷凝段和疏冷段三段式；
5.单一疏冷段（即外置独立的输水冷凝器）；
6.单一过热段（即外置独立的过热蒸汽冷却器）。

通常高加设计为二段式与三段式两种（外置式“疏冷”蒸冷“已很少采用）。

一般在小型机组设计成二段式，而大中型高加在结构上可能时，都装设”疏冷段“即按三段式设计。

三.高加的结构设计
由于集箱式高加结构在我国采用极少只有前苏联采用较多。

因此这里讨论的结构设计只有U形管管板式结构的高加。

它主要由管系、水室和壳体三大部件组成。

各部件的强度计算可按GB150与GB151的有关章节进行计算。

3.1水室的设计：水室有短节、封头、进出水接管、人孔及分程隔板组成。

3.1.1水室筒体：
近年来，直径大于DN1200mm左右的水室大多采用半球形水室与管板直接焊接。

由于大直径“球封”已能容纳人在水室内进行检修，而且“球封”受力好，可减薄钢板厚度或将富余的金属用于开孔补强，同时又能省去圆筒形的短节。

一般小机组的高加采用20R及16MnR的钢板；大中型机组的水室由于压力较高通常采用16MnR，19Mn6及采用13MnNiMoNbR(BHW35,13MnNiMo54,DIWA353)。

超临界机组进出口接管采用20MnMoNbⅢ再外接WB36（15NiCuMoNb5-5-4）接管与电站高压管道相连300MW机组高加水室“球封”采用DIWA353.t95厚.600MW 机组高加“球封”已采用t125mm厚的钢板冲压而成。

压临界机组人孔接管与进水接管一般采用20MnMoⅢ的锻件。

3.1.2人孔设计
人孔的设计结构目前有两种结构。

1.内压自紧式密封结构：国内外采用此结构的人孔设计结构形式较广泛，一般采用300×400mm椭圆形人孔配上专用工装，可将椭圆人孔盖拿出来以便更换密封垫。

该结构充分利用了内压的自紧力，使预紧的螺栓直径大大减小，一般采用4个M48×4的螺栓即可。

在内压超过预紧力时，可利用内压来压紧垫片，内压越高密封的轴向力越大。

2..伍德式自紧密封结构：
顶盖斜面的分力压紧密封垫。

它只需要不大的螺栓（如8个M30×3.5的牵制螺栓东锅及部分制造厂采用此种形式。

它亦是利用内压力来推动顶盖利用）来拉紧顶盖达到预紧密封。

当检修时，顶盖可以取出，增大了检修空间。

以上两种自紧式密封，使水室的人孔结构简洁，轻巧。

较之于平垫或双锥密封的大螺栓连接，结构上要简便许多，节省了大量金属，拆卸顶盖、检修亦方便；占用设备空间要小得多，密封也可靠。

因此，以上自紧式密封结构，已在高加设备设计上占据了绝对的地位。

3.1.3分程隔板设计：
分程隔板的盖板一般采用不锈钢。

提高其高温防冲刷磨损的能力及提高热强性。

若分程隔板不能密封，势必造成给水未经加热就旁路出口，降低了出水温度同时亦降低了电厂效率。

与封头相焊的隔板框架可采用碳钢，一般采用 16mm 厚的钢板。

3.2管系的设计：管系由管板、蒸汽出口管+短筒体、U形换热管、过热段、冷
凝段及疏冷段、空气抽出管等组成。

3.2.1管板的设计：管板是高加设备中最重要的的零件之一，一般为Ⅳ级大锻
件，成本较高。

若是600MW机组高加的管板，总厚度已达到660mm（中心部位亦需要600mm）加工这样的一块管板的成本达上百万元。

300MW机组高加的管板总厚度亦为420mm（中心厚度为380mm），钻孔数为 16.250+0.15的孔达2700个，粗糙度为，钻孔要求垂直，保证管桥距离以便
于装配时顺利穿管。

一般大机组的管板钻孔需要数控深孔钻床才能满足管板的加工精度要求。

其钻孔的钻具，一般是焊有硬质合金钻头的钻焊、俗称“枪钻”来加工孔眼。

管板与管子焊接的这一面在管板粗加工后还需堆焊软金属（在60万千瓦机组的管板表面堆焊奥氏体不锈钢，以提高堆焊层的热强性，抵抗高温、高压水的冲刷；在进水口一侧[管板下半部]管口还增设了不锈钢“防冲套管”，以防换热器管端部水流的冲刷破损）。

由于软金属的韧性较好在管子、管板焊接时，可吸收焊接残余应力，防止焊口产生裂纹（管板MnMo钢，管子C-Mn钢，焊后残余应力较大，易产生裂纹）。

因此，高加管板需要较多复杂而精细的加工工序才能完成，制造成本亦较高.它是重要而价贵的关键零件之一。

3.2.2换热管设计：
高加换热管一般采用优质碳素钢（如20G）或C-Mn钢的高压无缝钢管（如
SA-556MB
2，SA-556MC
2
），中低压机组可采用 16×2的20G。

高压亚临界机组可
采用 16×2、 16×2.12、 16×2.3的SA-556MC
2
U型无缝钢管。

一般钢管制
造厂均可按不同的弯管半径，弯好后供货。

例如：江苏宜兴精密钢管厂的国产化高加换热管，它的产品质量已经达到德国或日本的钢管质量水平，因此它已可替代进口管。

高加换热管是高加进行回热的重要界面，由于不断受到高温、高压水的冲刷；管内给水流速一般达2m/s。

特别是管板上表面至管内距离为100～125mm处，给水对管子的冲蚀尤为严重。

因此，最好在管口端加设“防冲套管”为好，以提高换热管的使用寿命。

假如管子与管板的连接采用焊接＋液压胀接。

那么对
管子的壁厚差需相应提出要求。

一般为+20
-0
% 假如有负偏差，容易造成液压胀管器胀杆前后的O形橡胶圈在升压时由于间隙过大而压力上不去。

因此不允许钢管有负偏差。

若正偏差太大则会造成胀杆插不进换热管或插入困难。

3.2.3过热段，冷凝段与疏冷段设计
3.2.3.1过热段——高温抽气进入过热段包壳内。

经过隔板造成蒸汽多道折
流后，使过热的蒸汽冷却至高于饱和温度25-30℃（通常取T
2=T
S
+25℃）时，出口
至冷凝段。

在高温蒸汽入口对冲部位应设有不锈钢防冲挡板。

以免高温蒸汽直接冲击换热管。

过热段出口高于饱和温度25℃是为了保持管子壁面的干燥。

若低于饱和温度时会凝结水，在高速的蒸汽带水的冲击下会引起冲刷磨蚀。

过热段内蒸汽的传热系数低，约为冷凝段的28%左右。

故蒸汽流速较高是为了改善热交换。

但过热段内蒸汽流速一般不超过25m/s。

冷凝段——不论是立式还是卧式筒体，在水位线以上均为蒸汽。

蒸汽与管外
壁面相接触，壁面温度低于蒸汽饱和温度，使蒸汽冷凝成水，在外壁面上形成一层液膜。

由于在筒体内蒸汽凝结为蒸汽流速不高，此液膜呈层流流动，成为液膜层流放热。

而卧式容器管束平均传热效果可能比立式好一些。

由于立式液膜距离长，液膜越积越厚，传热效果越差；而卧式管子水膜流下的距离短、水膜薄、传热效果较好。

在相同情况下的单根管子，卧式高加的蒸汽放热系数是立式高加的约为1.7倍，虽然卧式下面管排的水膜亦较厚，但平均传热效果卧式优于立式。

疏冷段——为了充分利用热量提高给水温度；设立疏冷段使疏水出口温度低于饱和温度，并使疏水初出口温度与高加给水温度之差为5.6℃~8.3℃大机组一般可取5.6℃（可确定为最小下端差）。

此端差称为下端差DCA（Drain Cnbcooler approach）.抽气压力下饱和温度与给水出口之温度差称为上端差TTD(Terminal Temperature Difference).疏冷段是由包壳与疏冷端板组焊而成的密封腔，假如疏冷段泄漏，则饱和水缩短了换热路程，造成给水温度降低，疏水出口温度升高，满足不了下端差的规定值。

疏冷端板为保证密封，一般设计厚度为δ70mm，端板孔径大小与公差与管板相同。

在端板靠最外侧可考虑开两条槽，在蒸汽进入换热管与端板孔的缝隙内后，利用槽内液膜的表面张力而加强密封效果；槽深0.5mm 槽宽3mm。

另一种设计是端板加工公差放松通过端板厚度70mm之内贴胀30-40mm 而达到密封效果。

这样需要采用长距离的液压胀杆内伸至需贴胀的部件进行胀接，但需要准确定位，否则会造成管子胀破的问题（已有前例）。

现东锅改为前一方案，即不再在端板处进行贴胀的办法。

空气抽出管——高加壳内的空气等不凝结气体的积聚与停滞在换热管区域会形成类似绝热层一样影响液膜的热交换以及对金属的侵蚀。

因此布置抽空气管，由蒸汽携带而排放至扩容器、除氧器或凝汽器内。

排放量约为0.5%进入高加的蒸汽量。

每台高加的空气抽出管应连续地排放空气，并各自单独连接到扩容器、除氧器或凝汽器中而不能将排气管接到下一级高加上。

否则造成最后一级高加的空气膜层太大增加，严重影响传热，降低了给水出口温度而电厂效率下降，还将降低管子使用寿命。

因此，这样系统设计是错误的。

整个管系由拉杆固定多层隔板后，用螺母固定后并点焊牢固。

隔板间距一般在400mm-550mm左右。

当管子外径为Φ16mm时，不支撑的直管长度不大于1200mm （即两块支撑隔板中间有一块是带缺口的隔板。

实际隔板间距为不大于600mm，这是HEI的规定）。

间距太大会造成管系振动，这是由于管系的刚度较差而产生振动的重要因素。

在U形管弯头中心线之外200mm范围内必须予以支撑。

否则需对弯头部份进行支撑。

东锅300MW及以上机组高加对弯头部位亦进行了加固支撑，采用夹板条框架拉紧（δ1.5mm的夹板条插入每排弯管的间隙，在外部用长螺栓定位固定）。

为了整个管系顺利装入壳体，在壳体上焊接角钢道规，管系隔板上装设滚轮，便于管系的装入以及在检修时，将筒体检修切割线割开后，电厂可将整个管系顺利抽出。

在切割线部位应予先衬以100×1.5mm的不锈钢扁钢条（卧式高加一般设在上半圆）以防切割时割伤换热管。

下半圆可不设扁钢圈，切割火焰向下吹割时，不会伤及换热管。

在高加的上级疏水进口的筒体内应装设不锈钢防冲挡板。

使疏水不直接冲击换热管，并45°的斜挡板能使水流引向筒体的无换热管空间，造成一个小的扩容室。

在疏水扩容闪蒸部分成为蒸汽时，有一格空间回路扩散，而不使蒸汽直冲管子。

3.3壳体的设计：
3.3.1壳体由筒体、底封头、支座、水位控制装置及安全附件等辅件组成。

立式高加一般配裙式支座。

卧式高加一般配固定支座（设置在管板处）与滚动支座。

滚动支座设置两个，在设备运行时为双支座支撑方式，中间的滚动支座仅供设备检修时，装上滚轮退出壳侧外壳用。

安全附件为筒体上装设安全阀。

在系统管路上装设安全阀、压力表与温度计。

水位控制装置有以下配置与接口——磁翻板式水位计与接口，单室平衡容器反接口，电接点信号管水位计及接口。

一般水位计、平衡容器与接口之间应配置截止阀，以便高加在不解列的条件下，只要关闭截止阀即可更换水位控制仪器。

现在磁翻板水位计供应商均可配置带电远传控制的水位计。

即水位计在现场可按红色翻板的高度知道水位的高度。

带电传控制的水位计则可将信号远传至集控室进行远地监视控制水位。

点接点信号管水位计上布置有电接点报警信号源。

它的各个报警标高电接点引出电路到二次仪表，再联锁至各报警装置。

例如：采用5个报警点。

高水位、高高水位报警，切除水位、低水位、低低水位报警。

水位到达报警水位时，可自动连接到声或光的报警装置进行报警，以引起操作人员的注意并及时处理。

四.高加系统
高加系统是个较复杂的系统，并是一个系统自动保护的流程，主要考虑以下情况的自动保护。

由于高加的给水压力很高，壳侧压力较低，它是由管道与汽轮机本体相连接。

假如一旦换热管破裂或管口焊缝严重泄漏，给水大量冲入高加汽侧壳体。

这时可能产生二种情况：第一种是使壳体内疏水水位剧烈上升和蒸汽压力迅速升高，同时使高加给水侧灌入汽轮机而造成严重的停机事故。

第二种情况是由于壳体蒸汽压力迅速升高，当安全阀来不及排放时，可能造成壳体超压甚至发生爆破事故。

而这两种情况可能是同时进行的。

因此，整个系统的安全保护是相当重要的。

当高加管子破裂或严重泄漏时，保护装置能立即动作；及时切断高加的给水，防止高压水进入汽轮机；同时开通旁通管，使给水不通过高加而流向锅炉，以防锅炉断水。

这一回路系统中应设置给水阀（进口阀），止回阀（出口阀）及控制给水阀的电磁阀组成。

电磁阀的功能是当疏水水位升高至“保护动作水位”的警界标高时，电接点接通电磁阀的电源，这些相应动作使得给水阀的阀瓣下移，关闭了给水阀的同时亦开启了旁路管通道，使给水流向旁通管。

疏水水位的控制可由信号通知“电动调节阀”来改变流通截面，以达到控制疏水流量的目的（即水位高时，放大流通截面；水位低时，加大流通截面）。

危急疏水口由电动截止阀来控制，当需要危急疏水时，就立即打开截止阀即可。

五.高加产品综述
高加是较典型的U形管式换热器，并随着电站机组的大型化，高加作为电厂回
热系统的重要部件也相应跟着大型化、高参数与复杂化，技术难度亦随着它的重要性而加大。

由于大电站若一旦停机时的经济损失将是巨大的。

例如：配1000MW 超临界机组的高加的制造难度及动用的大型加工设备已经很可观。

例如：1.DN1900×125mm，DIWA353球形封头的冲压，需要大型水压机冲压设备。

2.外径Φ2150×660（中心部位厚600mm）20M
n M
o
N
b
Ⅳ的大锻件管板，在管板上面需
堆焊8mm厚的不锈钢堆焊层，在管板上占4760个Φ16.25
+0.15的管孔。

单件管板重量达净重11.7吨，它需要数控深孔钻床设备以及自动旋转封口焊机，液压胀管机及氦检漏检查仪器等。

3.蒸汽进口段筒节尺寸为Φ2120/Φ1900×1400（高）的15C
r M
o
R厚板，其厚度达
到δ110mm，筒节重量为7634kg，它需要能卷制厚板的卷板机设备以及厚板探伤设备。

4.下部筒身尺寸为Φ2084/Φ1900×5660（长）δ90的16M
n
R钢板筒身重量达25吨。

5.整台HPI高加的总净重达91.6吨，它需要至少一百吨起重能力的吊车以及厂房才能匹配。

综上所述：随着技术的发展，机组的大型化，高加的设计与制造均有着很多课题需要研究和解决。

例如：超厚管板的有限之计算设计，使厚度降下来。

因此，需要一代又一代的技术人员的不断努力来逐步解决。

当然，制造大型化高加设备的加工制造能力与技术改造也必需不断跟进与提高才行。