1、171六 热交换器第一章 概述电厂热力系统是实现热能转变为电能的动力系统，它由一系列设备及系统组成。现以秦山核电厂一号机组二回路热力系统为例。图 21 表示其原则性热力系统。该热力系统的核心部分是由一台汽轮机高压缸（HP） 、两台低压缸（LP）和发电机（G）组成的汽轮发电机组。此外，为了提高汽轮机低压缸的蒸汽过热度，使其排汽终湿度处于允许范围内，以保证机组安全可靠和经济地运行，该机组采用了蒸汽中间再热系统；为了提高整个热力系统的热经济性，采用了给水回热系统；并且，为了保证蒸汽发生器的给水品质，采用了给水除氧系统。在蒸汽中间再热系统中，设置了两台汽水分离再热器（MSR） 。它的作用是，利用汽轮机
2、高压缸排汽经过汽水分离器后，由高压缸一级抽汽和蒸汽发生器来的主蒸汽进行两级再热，从而提高低压缸进汽的过热度，使排汽终湿度在允许范围内，以保证机组能安全可靠地运行。在给水回热系统中，利用高压缸的 1、2、3 级抽汽分别供给 1、2、3 级高压给水加热器；利用低压缸的5、6、7 级抽汽供给 1、2、3 级低压给水加热器。各级加热器的疏水均采用疏水逐级自流系统。即，利用相邻各级加热器之间的压力差，使压力较高的疏水逐级自流到下一级压力较低的加热器中去。高、低压给水加热器均为表面式换热器。给水加热器的作用是，利用汽轮机中已部分作过功的各级抽汽加热给水，提高蒸汽发生器的给水温度，以达到回热加热，提高系统热
3、经济性的目的。在给水回热系统中，位于凝结水泵以后、除氧器之前的给水加热器，其管内水侧处于凝结水泵出口压力下工作，称为低压给水加热器，通常称低压加热器，简称低加。位于除氧器之后的给水加热器，其管内的给水处于给水泵后的高压下工作，称为高压给水加热器，通常称高压加热器，简称高加。在给水除氧系统中，利用低压缸第 4 级抽汽作为除氧器的加热蒸汽。除氧器是一种混合式换热器，即蒸汽与给水直接接触加热。并且，为了汇集、贮存除氧后的给水和为给水泵提供稳定的水源，设置了给水箱。除氧器的作用是，通过加热驱除给水中的氧气（包括其它不凝性气体） ，以保证给水的品质；同时它又具有回热加热作用，有利于提高系统的经济性；并且
4、，在采用高压除氧器时，还能减少高压加热器的台数，有利于回热系统的安全运行。从核电厂二回路热力系统可看出，为了提高运行的安全性和热经济性，电厂中常采用中间再热器、高压加热器、低压加热器、除氧器等各种型式的热交换器。这里仅介绍高压加热器和除氧器。172173第二章 高压加热器2.1 高压加热器的分类和典型结构电厂中，为了提高机组运行的热经济性，均采用回热循环，而高压加热器则是回热循环中重要的加热设备。高压加热器的投入与否、运行情况好坏，对机组运行热经济性的影响很大。因此，作为电厂运行操作人员，必须了解高压加热器的结构、性能与工作原理，熟悉影响高压加热器运行的各种因数，掌握正确的运行操作方法，以确保
5、高压加热器和机组安全、经济地运行。2.1.1 高压加热器的分类我国电厂中的高压加热器均采用表面式加热器，并按其使用压力、结构型式、布置方式和传热区段设置等不同方法进行分类。2.1.1.1 按使用压力分类高压加热器按照不同的管侧（给水侧）压力可分为高压加热器和中压的高压加热器。在电厂中，凡属给水泵以后的加热器统称为高压加热器。但对制造厂而言，热交换器是按压力容器制造标准进行分类的。对于管侧设计压力大于 9.8 MPa 的加热器属于高压容器，在设计、制造中对材料、加工工艺等要求均很严格，故造价相应较高。而对管侧设计压力不大于 9.7MPa 的高压加热器属于中压容器，在设计制造中要求比高压容器类低得
6、多，造价也较低。这类加热器称为中压的高压加热器，或称为中压加热器。表 2-1 给出了电厂中各种参数机组配用的高压加热器的大致情况。表 2-1 高压加热器按压力分类的使用情况管侧（给水侧） 壳侧（蒸汽侧） 高压加热器分 类发电机组参 数 设计压力（Mpa）设计温度（）设计压力（Mpa）设计温度( )中 压 6.5 180 1.5 350 中压的高压加热器 次高压 9.7 200 2.5 380高 压 19 240 4 410超高压 24 250 4.5 460高压加热器亚临界 31 290 7 480注：在超临界压力机组中，高压加热器管侧设计压力可达 38（Mpa） 、壳侧设计温度可达 5001
7、742.1.1.2 按结构型式分类高压加热器按配水结构形式可分为管板式和联箱式两大类。管板式加热器设有水室进行配水，并按传热管采用直管还是 U 型管又可分为固定管板式与 U 型管管板式两种。为了简化结构，减少水室和管子与管板的连接，电厂中大多数采用 U 型管管板式加热器。管板式加热器的优点是：结构紧凑，外形尺寸小，材料消耗少，管束水阻小，管子损坏时容易堵漏。缺点是：管子与管板连接的工艺要求较高，加工管板和水室需要大型锻造和机械加工设备，而且管板厚、管孔多，加工工艺复杂；运行时对温度变化敏感，对操作要求较高，管子损坏后只能堵管，不能换管，从而降低传热效果和减少使用寿命。联箱式高压加热器没有水室，
8、用给水的进出口联箱管分别连接传热管的两端，联箱管起到给水的分配与汇集作用。联箱式高压加热器由于没有水室，也就不用管板，因而加工容易，不需要大型机械加工设备；而且所有构件的厚度差别较小，运行时对温度变化不敏感，局部热应力小，对操作要求较低，运行较可靠，适用于机组调峰运行。但缺点是外形尺寸较大，材料消耗较多，管束水阻较大，传热管损坏后堵管较困难，但能采取换管，使加热器整体寿命较长。联箱式高压加热器按联箱布置在高加体内与体外又分为内联箱式和外联箱式两类。由于外联箱式的管子要从壳体顶盖穿出，需解决密封问题，联箱在外增加了散热损失，而且一旦管口角焊缝泄漏，高压、高温给水将直接喷向工作场所的大气，会危害人
9、身安全。因此，电厂中很少使用外联箱式高压加热器。联箱式高压加热器的传热面有多种型式，其中有螺旋形管、腰圆形管和蛇形管等。表 2-2 列出高压加热器按结构型式分类的情况。表 2-2 高压加热器按结构分类水室配水形式 高 压 加 热 器 分 类管 板 式 U 形管管板式螺旋管集箱式（通常称盘香管式）腰圆形管集箱式 集 箱 式蛇形管集箱式外集箱式 蛇形管外集箱式（很少应用）各类高压加热器的结构示意列于图 2-2。不论是 U 形管管板式还是各种联箱式高压加热器，只要具备一定制造技术，能保证质量，对电厂运行和检修均能满足要求。各种结构型式均有各自的优缺点，不能一概而论，应根据国情、厂情和机组容量大小确定
10、合适的结构型式。175图 2-2 高压加热器的各种结构型式(a)U 形管管板式；(b) 螺旋管集箱式(c)腰圆形管集箱式；(d)蛇形管集箱式；(e)蛇形管外集箱式 前苏联大多采用螺旋管联箱式高压加热器，容量从 200 MW 到 800 MW 机组的高压加热器均采用联箱式。欧洲一些国家，如德国、法国、比利时等国近年来也生产了一些蛇形管联箱式加热器。我国姚孟电厂进口的 300 MW 机组配用了比时生产的蛇形管高压加热器，运行情况良好。我国的各制造厂，对 100MW 以下的中小型机组，过去一直沿用前苏联的习惯，采用螺旋管联箱式高压加热器；目前，U 形管管板式和螺旋管联箱式高压加热器都在制造，但已趋向
11、于生产 U 形管管板式高压加热器。对于 125MW 以上的大型机组，现在均采用 U 型管管板式高压加热器。2.1.1.3 按布置方式分类高压加热器按布置方式可分为立式和卧式两大类。立式高压加热器，按水室（或联箱管）位置在上部与下部又分为正置立式和倒置立式两种。立式高压加热器的优点是，占地面积小，厂房布置紧凑。缺点是，横截面积小，因而单位高度水位的疏水容积小，水位控制较困难；并且排气不充分，影响传热效果；正立式高加还不易安排疏水冷却段。卧式高压加热器的优点是，高度低，稳定性好，便于安装和维修；便于安排疏水冷却段；疏水的容积较大，有利于水位的调节和控制，因此具有较好的运行稳定性；并且排气较充分，传
12、热效果较好。缺点是，占用厂房面积大。因为不仅加热器本身占地面积比立式高压加热器大，而且为了检修抽出加热器外壳还要占用附加面积。2.1.1.4 按传热区段设置分类在高压加热器中，按蒸汽与给水之间的传热方式，可以有不同的区段。其中，利用蒸汽冷凝加热给水的区段称凝结段；利用过热蒸汽的过热度进一步加热给水的区段称过热蒸汽冷却段，简称过热段；利用蒸汽凝结后的疏水热量加热给水的区段称疏水冷却段，简称疏冷段。高压加热器按其设置的传热区段不同，可分为一段式、二段式和三段式加热器。并且，根据高压加热器的不176同设计，可有下列四种组合形式：(1) 单纯凝结段的高压加热器；(2) 过热蒸汽冷却段加凝结段的二段式高
13、压加热器；(3) 凝结段加疏水冷却段的二段式高压加热器；(4) 具有过热蒸汽冷却段、凝结段和疏水冷却段的三段式高压加热器。2.2 高压加热器的典型结构高压加热器有各种结构型式，现介绍几种常见的高加典型结构。2.2.1 正置立式螺旋管式高压加热器图 2-3 是一台有过热段和凝结段的正立螺旋管式高压加热器。它主要由壳体、螺旋管束、进水联箱（进水集管） 、出水联箱（出水集管） 、进水总管、出水总管、蒸汽进口接管和疏水出口接管等组成。其中，螺旋管束对称地分成四部分，每部分由若干组双层螺旋盘管组成，盘管的管端都焊接在邻近的进、出水联箱上，联箱管内装有分程隔板。进、出水联箱与穿过外壳盖上的进、出水总管连接
14、。整个管束又分为上、下两部分，上部为过热段，下部为凝结段。在过热段后的出水联箱管内装了分流用的缩孔，见图 2-4。正立螺旋管式高压加热器的工作原理：给水由进水总管送入，经一对直立的进水联箱，先进入凝结段的螺旋盘管组中，并经螺旋流动后由另外一对直立的出水联箱导出，由于缩孔的节流作用，使一部分给水流向过热段，大部分给水流向出水总管。加热蒸汽经加热器中部的进汽管送入，并在外壳内部先上升，然后再向下，顺着导向板不断改变方向，并冷却和凝结，疏水由壳体低部疏水出口接管流出。177图 23 联箱螺旋管式加热管 图 24 分流用的缩孔1进水总管弯头；2进水总管；3进水配水管；4出水总管弯头；5出水配水管；6双
15、层螺旋管；7进汽管；8蒸汽导管；9导向板；10抽空气管；11、12连接管；13排水管；14导轮；15、16配水管内隔板2.2.2 倒置立式 U 形管式高压加热器2.2.2.1 基本组成图 2-5 是一台具有过热段、凝结段和疏冷段的倒置立式 U 形管式高压加热器。它主要由壳体、半球形水室、管束、管板、隔板（折流板）过热段包壳和疏冷段包壳等组成。管束的右下部分为过热段，上半部分为凝结段，左下部分为疏冷段。178图 25 倒置立式 U 形管式高加 图 26 U 形管卧式高压加热器1半球形水室；2人孔；3管板； 1水室（图示半圆封头） ；2人孔；3水室分程隔板；4壳体短节；5抽空气管； 4给水接管；5
16、管板；6遮热板；7套管；8蒸汽接管；6过热段端板；7壳体; 9防冲挡板；10过热段同；11保护环；8管理子；9安全阀； 12圆筒（壳体部件） ；13隔板（折流板） ；10上级上级疏水引导装置； 14封头（壳体部件） ；15传热管；16 活动支座；11引导槽；12疏冷段端板 17拉杆；18定距管；19疏冷段端板；20过热段短节；21疏水接管；22固定支座；23疏水进口接管2.2.2.2 工作原理给水由进水接管进入水室，先经过疏冷段，再经凝结段和过热段，最后经水室由出水接管引出。加热蒸汽从右下部分进汽接管进入加热器，先经过热段，再经凝结段和疏冷段，最后由左下部分疏水出水接管引出。另外，上级疏水通过
17、上部的引导装置进入加热器，疏水经引导装置分为扩容蒸汽和疏水两股流体，其中，扩容蒸汽直接进入凝结段，而疏水经引导槽由上而下流入疏冷段。2.2.3 卧式 U 形管式高压加热器在电厂中，大型机组普遍采用卧式 U 形管式高压加热器，图 2-6 是一台典型的 U 形管卧式高压加热器的结构示意图。2.2.3.1 基本组成U 形管式高压加热器主要由管束、管板、半球形水室和壳体几部分组成。其中，传热面是由 U 形管组成的管束，管束与管板之间的连接可用焊接、胀接或焊接与胀接双重连接。水室由半球形封头与管板直接焊接而成，其中设置分程隔板，将水室分隔为进、出水两部分。水室还设置了检修用的可卸式人孔，给水进、出口接管
18、。外壳体由圆筒与尾端的椭圆形封头焊接组成；加热器内部有过热段包壳和疏冷段包壳将过热蒸汽、疏水与凝结段的179蒸汽隔开。在管束的过热段和疏冷段设置了折流板，在凝结段设置了隔板（折流板） 。折流板和隔板起到增强管束刚性，减小管束振动的作用；同时折流板能提高流体的流速，起到增强传热的作用。另外，在蒸汽进口和上级疏水进口处设置了防冲挡板，用以保护管束，使其免受高速抽汽或疏水扩容蒸汽的冲刷侵蚀。在过热段靠近管板处设置了遮热板，使高温过热蒸汽不致直接接触管板，减小管板的热应力，在过热段后的壳体处设置了保护环，当必须拆卸壳体时，可在此切割壳体，不致损坏管束。2.2.3.2 工作原理给水由进水接管进入水室，先
19、经过疏冷段，再经凝结段和过热段，最后经水室由出水接管引出。加热蒸汽从进汽接管进入加热器，先经过热段，再经凝结段和疏冷段，最后由疏水接管引出。上级疏水从疏水进口接管进入加热器，并在由防冲挡板 9 和封头 14 形成的扩容室内扩容。扩容后的蒸汽进入凝结段凝结，剩余部分与凝结段疏水汇合后进入疏冷段。为了保证高压加热器能安全、经济地运行，在高压加热器的壳体上设置了各种接管。图 2-7 是高压加热器各种接管的名称和在壳体上的布置情况。图 27 高加各接管2.3 高压加热器的传热、性能和特点2.3.1 传热过程与端差2.3.1.1 传热过程与分段高压加热器是一种利用汽轮机抽汽加热蒸汽发生器（或锅炉）给水的
20、换热器。在蒸汽与给水的传热过程中通常有三种形态。按蒸汽冷却过程的顺序分析，首先是以过热蒸汽的显热加热给水，这是汽、液单相流体之间的传热；接着是以饱和蒸汽凝结的潜热加热给水，这是有相变的汽、液之间的传热；最后是以蒸汽凝结后的疏水的显热加热给水，这是液、液单相流体之间的传热。因此，按照蒸汽冷却过程的不同形态可将整个传热面分为三段：180(1) 凝结段凝结段的作用是：利用饱和蒸汽或稍有一些过热度的蒸汽凝结放热，加热给水以达到回热、提高系统热效率的目的。凝结段是高压加热器的主要传热段，它的传热量和传热面积占据整个高压加热器的绝大部分，是高压加热器的主体。(2) 过热蒸汽冷却段，简称过热段（或蒸冷段）过
21、热段的作用是：利用蒸汽的过热度进一步提高给水温度和回热效果。(3) 疏水冷却段，简称疏冷段疏冷段的作用是：利用疏水的显热加热给水，一方面有利于给水回热，另一方面又使疏水的过冷度增加，有利于疏水系统的安全运行。图 28 各区段温度沿传热面的变化(a)单纯凝结段；(b)过热一凝结一疏冷段；(c)凝结段和外置蒸汽冷却器及疏水冷却器图 2-8 给出了高压加热器中各区段的温度沿传热面的变化情况。图 2-8（a）表示单纯凝结段的汽、水温度变化曲线；图 2-8（b）表示有过热段、凝结段、和疏冷段的三段式高压加热器中，汽、水温度变化曲线。图 2-8（c）表示带有外置独立过热蒸汽冷却器和外置独立疏水冷却器的单纯凝结段高压加热器的温度变化曲线。由于疏水阀的节流作用和管道阻力影响，疏水冷却器的进口压力和温度均低于高压加热器的冷凝压力和温度。因此，图中高加疏水出口与独立疏冷器进口的疏水温度出现突变。
