开题报告-U形管高压加热器结构设计和热力计算

开题报告-U形管高压加热器结构设计和热力计算本文简介：城市建设与安全工程学院毕业设计（论文）开题报告上海应用技术学院城市建设与安全工程学院毕业设计（论文）开题报告课题名称：U形管高压加热器结构设计和热力计算专业：热能与动力工程班级：10106511学号：1010650109学生姓名：刘凯奇指导教师：邓剑2014年3月1日1本课题的目的和意义、国内外研究

开题报告-U形管高压加热器结构设计和热力计算本文内容：

城市建设与安全工程学院

毕业设计（论文）开题报告

上海应用技术学院

城市建设与安全工程学院

毕业设计（论文）开题报告

课

题

名

称：

U形管高压加热器结构设计和热力计算

专

业：

热能与动力工程

班

级：

10106511

学

号：

1010650109

学

生

姓

名：

刘凯奇

指

导

教

师：

邓剑

2014

年

3

月

1

日

1

本课题的目的和意义、国内外研究现状、水平和发展趋势

1.1

课题的目的和意义

随着生产的发展和人民生活的提高，迫切需要更多的能源，尤其是电力的供应，而火力发电则是电力生产的重要组成部分。目前火力发电机组正向高参数、大容量方向发展，提高发电厂的效率、经济性、可靠性就成为人们迫切需要解决的新课题。

在火力发电厂生产过程中，除了锅炉、汽轮机、发电机三大主机起着主导作用以外，还有着各种辅助设备对电厂的运行可靠行和经济性也起着非常重要的作用。

给水回热系统作为发电厂热力系统的核心，它对电厂的热经济性起着决定性的作用。目前发电厂普遍采用了回热抽汽来加热锅炉给水，以提高吸热的平均温度，减少吸热的不可逆损失；同时降低排汽参数，使蒸汽能够最大限度地在汽轮机中膨胀做功，减少冷源损失。于是在朗肯循环基础上采用回热循环，提高循环效率和热经济性。

回热循环是提高电厂效率的措施之一，现代大型热电厂毫无例外的采用了回热循环，回热循环是由回热加热器、回热抽气管道、水管道、疏水管道等组成的一个加热系统，而回热加热系是该系统的核心。高压加热器是利用在汽轮机内已作过一部分功的蒸汽来加热给水，以减少排汽在凝汽器中的热损失，从而提高循环热效率。它可以提高电厂热效率，节省燃料，并有助于机组安全运行。因此，研究回热抽汽系统以及高压加热器的设计对提高电厂的热经济性具有重大的理论和实践意义

在回热系统中，高压加热器是接在高压给水泵之后的加热给水的表面式加热器。高压加热器一般由筒体、管板、U形管束和隔板等主要部件组成，筒体的右侧是加热器水室。它采用半球形，小开孔的结构形式。水室内有一分流隔板，将进出水隔开。给水是由给水进口处进入水室下部，通过U形管束吸热升温后从水室上部出水口处离开加热器，加热蒸汽由入口进入筒体，进过蒸汽冷却段，冷凝段，疏水冷却段后蒸汽由气态变为液态，最后由疏水出口流出。

高压加热器是汽轮机最重要的辅助设备之一，如果发生故障，高压加热器一旦停运，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，从而增加燃料耗量，增加发电成本，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，过热器可能被烧坏，威胁锅炉安全。高压加热器停运，没有抽汽进入高压加热器，这部分蒸汽就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，威胁汽轮机安全。因此电厂在高压加热器停运时往往降低发电负荷约为10%～15%。由此可见，高压加热器是汽轮机车间热力系统中不可缺少的环节，如果运行中发生故障或操作失误，都会影响安全经济发电，甚至损坏设备和造成人身事故。

1.2

国内外研究现状与水平

在40年代以前，世界上火电机组大都采用中压一下的小机组，高压加热器（简称高加）几乎都是U形管管板式、正置立式布置，螺栓连接可拆结构。自40年代起，锅炉，汽轮机向高温、高压、大容量发展，高加的给水压力和加热温度也随之不断提高，外形尺寸不断增大。目前高压加热器可按水室配水和传热管的不同形式以及两者的结合进行结构分类，按水室配水形式可分为管板式和集箱式两种，管板式的传热面均为U形管式，称为U形管管板式，一般称为U形管式。

国内制造厂多采用U形管式，对于不大于100MW的高压机组，高加也有采用螺旋管式和腰圆管式的。美国、日本西欧大都采用U形管式，到目前为止，U形管式已经成为高压加热器设计中的主流方案。

U形式高压加热器有卧式和立式两种，现代一般大容量机组采用卧式的较多。卧式加热器因其换热管横向布置，在相同凝结放热条件下，其凝结水膜较竖管薄，其单管放热系数约高1.7倍，同时在筒体内易于布置蒸汽冷却段和疏水冷却段，在低负荷时可借助于布置的高程差来克服自流压差小的问题，因此，卧式热经济性高于立式，但是他的占地面积则较立式大。目前我国300、600MW以上机组高加往往采用卧式结构。

以哈尔滨第三电厂600MW亚临界压力、一次中间再热、单轴、反动式、四缸四排汽机组为例。该机组回热系统由三台高压加热器、一台除氧器和4台低压加热器组成。汽轮机的主凝结水由凝结水泵送出，依次流过轴封加热器、4台低压加热器，进入除氧器。然后由气动给水泵升压，经三级高压加热器加热，最终给水温度达到274.1℃

，进入锅炉。其中高压加热器采用卧式布置，三段式U形管结构，疏水方式为逐级自流，水室则采用半球型封头。

表1

高加回热系统抽汽参数

项目

单位

H1

H2

H3

抽气压力P’j

Mpa

5.894

3.593

1.612

抽气温度tj

℃

380.9

316.9

429.1

抽气焓hj

KJ/kg

3132.9

3016

3317.7

加热器上端差δt

℃

-1.7

0

0

加热器下端差δt1

℃

5.5

5.5

5.5

水侧压力pw

Mpa

20.13

20.13

20.13

抽汽管道压损Δpj

%

3

3

3

1.3

发展趋势

从40年代起，高加的设计、制造、检验等技术条件经过几十年的发展完善，已趋成熟，目前不论是U形管管板式高加还是各种集装箱式高加，只要控制制造技术和质量合适，都能运行良好，在运行可靠性、检修等方面满足要求。各种形式也各有缺点，也不能断言哪种形式一定占有绝对优势。

近年来，随着国民经济的发展、技术经济水平的提高，我国已把节约能源放在重要地位。且高温高压设备存在技术难度，因此电厂对高压加热器的投运情况已引起高度的重视。我国电力工业的不断迅速发展，高参数、大容量机组数量也在不断增加。参数提高，容量增大，也使高压加热器的尺寸越来越大，同时也增加了设计、制造的难度。为了提高机组的效率，减少煤耗，降低电厂的生产成本，近年来我国已关闭多个50MW、100MW、125MW

机组，并改扩建了一大批600MW、1000MW

机组，集装箱式高加已不能满足基本运行要求而被淘汰。U形管式高加则凭借优异的热力性能及良好的适应性逐渐成为发展的趋势。

2

文献查阅、调研情况

2.1

文献综述

给水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给水以提高热效率的换热设备。从汽轮机中抽出一定数量的做过了一部分功的蒸汽称为抽汽，用它加热主凝结水和给水的过程称为回热过程，此过程中的汽、水的热力系统称为回热循环或回热系统。

回热系统中的热交换设备主要是给水加热器和除氧器。位于凝结水泵以后和除氧器以前的给水加热器处于凝结水泵出口压力下工作，称为低压给水加热器。为防止给水在被加热过程中沸腾，要求给水压力大于给水加热温度所相应的饱和压力，而除氧器出水温度已达到该压力相应的饱和温度，必须经给水泵升压后才能再用蒸汽加热它，位于给水泵出口以后的给水加热器，其管内给水处于给水泵后高压力下工作，称为高压给水加热器。

从汽轮机抽出到加热器去的抽汽的压力一般是不加调节的，它随着负荷大小而改变。从汽轮机不同段位抽出的抽汽，其压力、温度等参数各不相同，所以各给水加热器的进汽参数也都不同，被加热后的给水温度也就不同，它经各级加热器逐步加热，最终达到锅炉所要求的给水温度。最简单的回热系统只有一台加热器，称为单级回热系统。为提高机组循环热效率，都采用多台加热器，即多级回热系统。一般600MW

火电机组由四台低加、一台除氧器和三台高加组成。

图1

回热系统示意图

表面式给水加热器的特点是加热工质（汽轮机的抽汽）与被加热工质（锅炉给水）相互不混合，通过管壁来传递热量。电厂用表面式高压给水加热器的形式如图2

所示。传热管内是给水，传热管外是蒸汽。蒸汽在加热器里放出热量并凝结成疏水，由疏水口排出。由于加热蒸汽通常都具有一定的过热度，为使给水温度达到所期望的值，同时加热面积尽可能的少，可设置一个过热蒸汽冷却段，以充分利用抽汽的过热度。蒸汽由汽相变为饱和水，同时放出汽化潜热的过程是在凝结段里完成的。这是给水加热器的主要换热区段，管内给水大部分的焓升是由这一段提供的。因此，具有凝结段的加热器是电厂用给水加热器的最基本形式。

为进一步降低热耗并使疏水安全、顺利地排入下一级低压容器，有的加热器还设置疏水冷却段，使饱和疏水在一区段里进一步放出热量，以过冷水排出。

表面式给水加热器的特点是加热工质（汽轮机的抽汽）与被加热工质（锅炉给水）相互不混合，通过管壁来传递热量。电厂用表面式高压给水加热器的形式如图2

所示。传热管内是给水，传热管外是蒸汽。蒸汽在加热器里放出热量并凝结成疏水，由疏水口排出。由于加热蒸汽通常都具有一定的过热度，为使给水温度达到所期望的值，同时加热面积尽可能的少，可设置一个过热蒸汽冷却段，以充分利用抽汽的过热度。蒸汽由汽相变为饱和水，同时放出汽化潜热的过程是在凝结段里完成的。这是给水加热器的主要换热区段，管内给水大部分的焓升是由这一段提供的。因此，具有凝结段的加热器是电厂用给水加热器的最基本形式。

为进一步降低热耗并使疏水安全、顺利地排入下一级低压容器，有的加热器还设置疏水冷却段，使饱和疏水在一区段里进一步放出热量，以过冷水排出。

图2

U形管式高压加热器的结构示意图

高加采用卧式双流程U

形管结构，分为三段，即过热蒸汽冷却段、凝结段和疏水冷却段。

过热蒸汽冷却段位于给水出口流程侧，并用包壳板密闭。从进口接管进入的过热蒸汽在一组隔板的导向下以适当的线速度和质量速度均匀地流过管子，并使蒸汽保留有足够的过热度以保证蒸汽离开该段时呈干燥状态，这样，当蒸汽离开该段进入凝结段时，可防止湿蒸汽冲蚀和水蚀的损害。

凝结段内一组隔板使蒸汽沿着加热器长度方向均匀地分布，起支撑传热管的作用。进入该段的蒸汽，根据气（汽）体冷却原理，自动平衡，直至由饱和蒸汽冷凝成饱和的凝结水，并汇集在加热器的底部，然后流向疏水冷却段。位于壳体上的排气接管口，可排除非凝结气体，收聚非凝结气体的排气管置于管束最低压力处以及壳体内容易集聚非冷凝气体处。非冷凝气体的集聚影响了有效传热，降低了传热效率并造成传热管的腐蚀。

疏水冷却段位于给水进口流程侧，并有包壳板密闭。疏水温度降低后，当流向下一个压力较低的加热器时，减弱了在管道内发生汽化的趋势。包壳板在内部与加热器壳侧的总体部分隔开，从端板和吸入口或进口端保持一定的疏水水位，使该段密闭。疏水进入该段，由一组隔板引导流动，从疏水出口管疏出。

2.2

调研情况

由于高加的设计制造较为成熟，通过文献查阅，资料的整理分析，参考既有600MW

高压加热器的具体技术参数及高加给水设计标准。600MW机组回热系统高压加热器一般采用卧式双流程U

形管结构，分为三段，即过热蒸汽冷却段、凝结段和疏水冷却段。水室设计采用半球形封头，疏水方式为逐级自流。

壳体是钢板焊接构件，材料SA516Gr70。为保证其焊缝质量，焊缝都经100%无损检测。壳体和水室是焊接连接。为了便于壳体的拆移，还安装了牵引吊耳及壳体滚轮，并使其在运行时能自由膨胀。壳体组件还包括蒸汽接管、疏水接管、安全阀接管等。

水室由半球形封头（材料SA516Gr70）和管板（材料20MnMo）组成，管板钻有孔，以便插入U

形管。水室组件还包括给水进口接管、出口接管、排气接管和引导水流按规定动的分隔板以及带密封垫圈的人孔盖、人孔座等。

图3

球形封头水室结构示意图

3

本课题的基本内容、重点、难点

3.1

本课题的基本内容

本机组高加采用管板、U形管全焊接结构，内部设有过热蒸汽冷却段、蒸汽凝结段和疏水冷却段三段。

高加主要部件包括：壳体、水室、管板、换热管、支撑板、防冲板、隔板等。

壳体为全焊接结构。壳体进行焊后热处理和无损检验，除安全阀接管外，高加的所有部件均为全焊接的非法兰结构。当高加需拆除壳体时，须沿着所附装配图壳体上的切割线切割。

高加的水室由锻件与厚板焊接而成，封头为耐高压的半球形结构。水室上设椭圆形人孔以便于进行检修。椭圆形人孔为自密封结构，采用带加强环的不锈钢石墨缠绕垫。水室内设有将球体分开的密闭式分程隔板，为防止高加水室内给水短路，在给水出口侧设有膨胀装置，以补偿因温差引起的变形及瞬间水压突变引起的变形与相应的热应力。给水进口侧设置有防冲蚀装置。

高加的管板采用与水室相连的锻件作为管板。

高加使用U形管作为加热管，U形管的材料采用SA-556Gr.C2。高加管子与管板采用焊接加胀接结构。

管子支撑板在换热管的全长上布置有一定数量的支撑板，使蒸汽流能垂直冲刷管子以改进传热效果，并增加管束的整体刚性，防止振动，并且保证管子受热能自由膨胀。支撑板用拉杆和定位管固定在规定的位置处。

防止由蒸汽和上级疏水的冲击引起换热管的损坏，在蒸汽和上级疏水入口处均设有不锈钢防冲板。

为了把过热段、疏水段与凝结段隔离开，设置有包壳板，且确保过热段、疏水段的密封性和独立性。

3.2

本课题的重点

根据汽轮机的系统热平衡图数据，先计算传热量，校核抽气需要量，对于三段式的U形管高压加热器，先计算各分段的传热面积，最终求出传热总面积。按照给水流量和选定的流速，管子的直径及壁厚，计算管子根数及行程数，并按照上述预估的总面积计算管子的平均长度，然后初步布置传热面，安排管板上管控和水室内径。根据上述布置的结构，计算各段的传热面积，如何原预估面积基本符合，即为布置合理；如果有所差别，则重新布置管子等结构，直至计算域预估面积基本符合为止

3.3

本课题的难点

高压加热器的热力计算较为复杂，传热分系数的计算对传热面积有决定性的影响，在同样的换热工况下，传热面积越小，经济形越高，热力性能越好。这就要求传热系数的计算误差不能太大，利用现有的更好的拟合优化公式，尽量减小人为误差。对于高加的结构设计，是在非常完整且精度较高的热力计算下完成的，对于结构细节的把握也会在很大程度上影响高加的热力性能，这就需要查阅更多的文献资料进行更多的计算。

4

解决问题的方法、手段、措施等

4.1

拟采取的方法和技术

大量资料与理论知识的学习，了解高压加热器技术知识，完成初步准备；文献的大量阅读，查阅具体设计标准，获得设计依据和了解设计流程；根据原始数据开始具体的设计：高压加热器采取卧式布置，双流程，三段式结构，疏水方式为逐级自流；水室采用球形封头；U形管采用采用SA-556Gr.C2，壳体是钢板焊接构件，材料采用SA516Gr70；使用AutoCAD绘制系统及主要装置设计图纸；Office软件撰写论文。

4.2

选择的工具

Office软件编辑论文，AutoCAD绘制设计图，设计技术标准

4.3

工作进度安排

第1-2周，毕业实习，撰写开题报告

第3-4周，按需查资料，编写论文

第5-6周，提出计算方法，基础数据

第7-8周，确定设计参数

第9-10周，确定最终数据

第11-12周，绘制装配图及零件图

第13-16周，毕业论文的撰写，整理，完善

第17周，提交毕业报告和论文。

5

论文提纲

主要为以下内容

一．

目录

二．

摘要

三．

绪论（研究背景，研究现状及发展）

四．

正文

五．

结论和展望（总结，工作展望）

六．

参考文献

七．

致谢

八．

附录

6

主要参考文献

[1]

杨明勇．U形管式高压加热器水室设计．

四川锅炉厂，2006

[2]

蔡锡琮．高压给水加热器［Ｍ］．北京：水利电力出版社，1995．

[3]

叶涛．热力发电厂（第四版）．中国电力出版社

2012

[4]

钱颂文．换热器设计手册［Ｍ］．北京：化学工业出版社，2002．

[5]

杨世铭．传热学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，1987．

[6]

刘瑞梅．200MW

机组三段卧式高压加热器设计．锅炉制造，2012

[7]

虞佶．660MW超超临界机组高压加热器优化设计研究

上海交通大学，

2012

[8]

毛申允，许天民

给水加热设备

上海电站辅助厂

，1995

[9]

何雨花，张华，杨书英．高压加热器热力计算及强度结构设计，2006

[10]

傅敏．高压加热器的结构及运行

华能上系石洞口第二电厂，

1995

[11]

于海波，刘方中，国金莲．浅谈卧式U管高加几个重点部位

哈尔滨哈锅锅炉容器工程有限责任公司，2006

[12]

表面式给水加热器标准

第四版热交换学会，

1984

[13]

JB/T

4717-92

U形管式换热器型式与基本参数

中华人民共和国行业标准，

1992

[14]

JB-T8190-1999

高压加热器技术条件.

中华人民共和国行业标准

，1999

[15]

JB-T5862-1991

汽轮机表面式给水加热器性能试验规程

中华人民共和国行业标准，

1991

指导教师意见：

开题报告已经按计划完成前期文献调研和基础知识的学习，并且针对拟开展的设计工作提出可行的方案。基础资料准备较充分，技术路线合理，目标明确，600MW凝汽式发电机组高压加热器设计的总体思路具有可行性。不足之处是设计计算和设备选型方面的资料准备还不完善，在此后的工作中作为重点突破。同意开题。

指导教师：

邓剑

2014

年

3

月

1

日

毕业设计（论文）指导小组意见

：

审核人：*年*月*日

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