季敏东，余雏麟，李长胜

（东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川成都611731）

1 000 MW蛇形管集箱式高压加热器的自主开发设计

季敏东，余雏麟，李长胜

（东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川成都611731）

蛇形管集箱式高压加热器是一种较新形式的高压加热器，可提高大型组机给水系统的回热效率。为确保蛇形管集箱式高压加热器运行的安全性和使用性能，设计时，着重考虑了材料的选择，并对结构设计、热力计算、阻力计算、振动计算及制造方面存在的问题进行了探讨。

高压加热器；蛇形管；集箱式；开发；设计；材料；结构；计算

0　概述

高压加热器是电站汽轮机回热系统中的关键辅机设备［1］，对提高锅炉运行的经济性具有十分重要的作用。高压加热器主要有两种结构形式，一种是U形管管板式［2］，另一种是蛇形管集箱式［3］。目前，国内电站中应用最广泛的是U形管管板式高压加热器。近年来，随着电站建设不断向大型化和高参数方向发展，高压加热器也呈现大型化和高参数的发展趋势。以目前的二次再热机组的高压加热器为例，其管侧设计压力已经达到45 MPa，壳侧抽汽温度达540℃。同时，电站对高压加热器的快速启停和满足调峰运行的要求逐渐增加。因此，传统的U形管管板式高压加热器越来越难以满足电站发展的需求。

近年来，国内大型电站逐渐有采用蛇形管集箱式高压加热器的意向，但国内能够完全自主掌握蛇形管集箱式加热器设计技术的厂家却并不多。东方锅炉有限公司早在2004年就已对蛇形管集箱式高压加热器进行技术储备，通过对蛇形管集箱式高压加热器国际主流技术的分析和研究，东方锅炉已经通过自主研发，形成了具有东方特色的蛇形管集箱式高压加热器技术方案和施工图纸。为保障蛇形管集箱式高压加热器的安全稳定运行，现对蛇形管集箱式高压加热器在自主开发设计过程中的一些关键问题，如整体布置、材料选择、结构设计、热力计算、阻力计算、振动计算、制造等进行简要阐述。

1　蛇形管集箱式高压加热器的结构

典型卧式蛇形管集箱式高压加热器的结构，如图1所示。管束的三维模型，如图2所示。从图1、图2可知，蛇形管集箱式高压加热器主要由圆筒形壳体、椭圆形封头、圆筒形集箱、蛇形管等元件组成。锅炉给水通过蛇形管和集箱构成了管程，汽轮机抽汽通过集箱及蛇形管的外侧形成壳侧空间。同时，为检修方便，蛇形管集箱式高加在壳侧和管侧都设计了人孔。

图1　蛇形管集箱式高压加热器的结构

图2　蛇形管集箱式加热器管束三维模型

2　研发的关键点

2.1 整体布置

传统的U形管管板式高压加热器有卧式和立式布置之分，同样，蛇形管集箱式高压加热器也可分为立式布置和卧式布置。目前，大型U形管管板式高压加热器大多采用了卧式布置，但欧洲一些大型电站的蛇形管集箱式高压加热器的布置形式，常采用立式布置。

加热器的立式布置或卧式布置，不仅对厂房的结构有不同的要求，而且在热力计算、水位稳定性方面均有明显的不同。

2.2 材料选择

材料选择是产品设计中的重要内容。材料选择需要综合考虑安全性、经济性、可制造性和供货周期等方面的因素。蛇形管集箱式高压加热器的材料选择难点，主要集中在换热管的材料选取上。

蛇形管集箱式高压加热器换热管可供选用的材料牌号有SA—556C2、16Mo3、SA—213T11、SA—213TP304N等。SA—556C2是ASME标准中选用的材料牌号，是给水加热器常用的碳—锰钢小口径管，为珠光体热强钢，也是美国HEI给水加热器标准中推荐的专用高加管材，这种材料在国内、国外机组中被广泛采用，对此类材料已有丰富的使用经验和运行数据，但据电厂投运后的情况反馈，SA—556C2材料在使用工况下，抗冲刷能力差，管壁的减薄较严重，容易发生爆管现象。SA—213TP304N材料是奥氏体不锈钢，具有优良的耐高温和抗冲刷能力，但不锈钢的导热系数较小，将导致高压加热器的成本急剧增加。16Mo3材料是欧盟EN10216—2标准中选用的材料。SA—213T11材料也是美国ASME标准中选用的材料。虽然16Mo3材料和SA213T11材料在200～350℃时（该温度区间是高加实际使用温度范围）的强度较SA—556C2的低，但16Mo3材料和SA—213T11材料中含有Cr、Mo元素，使得16Mo3材料和SA—213T11材料有更好的抗冲刷及抗腐蚀性能。从蛇形管高压加热器的使用寿命、高可靠性和快速启停的要求进行考虑，综合了各方面性能和成本要求，蛇形管集箱式高压加热器的换热管材料牌号应选用16Mo3或SA—213T11。

2.3 结构设计

蛇形管集箱式高压加热器的结构设计，主要包括蛇形管管束的结构设计、集箱和壳体连接的结构设计等。

蛇形管管束的结构设计具有极大的灵活性，可以根据实际传热面积的需要，将管束布置成单管程、双管程、3管程或4管程等。

集箱和壳体的连接结构设计是结构设计中的重要内容。较简单的结构设计是将集箱和壳体连接在一起，这种结构设计，如图3所示。但是，这种结构在温度和压力的联合作用下，在集箱和筒体的连接处会产生较大的二次应力。对这种结构的应力场分析，如图4所示。为改善集箱和壳体连接处的应力分布情况，比较可行的处理方式，是在集箱上采用膨胀节结构。

图3　集箱和壳体的直接焊接结构

图4　集箱和壳体在温度和压力载荷作用下的应力云图/MPa

2.4 热力计算

热力计算的准确性对保障高压加热器安全和性能具有十分重要的意义［4］。蛇形管高加管束与U形管管板式高压加热器的管束的设计规则不同，蛇形管高加在集箱处的布管极不规则，这使得流体在集箱处的流动也极不规则，进而使得集箱处的传热计算与传统的U形管式高加有着本质不同。

HEI标准中规定［5］，对于设置有过热段的高压加热器，为保证过热蒸汽在过热段出口处不会凝结成水膜，高压加热器过热段出口管子壁温必须比饱和段相应工作压力下的饱和温度至少高1.1℃，否则水膜将在高速过热蒸汽流的带动下，对换热管产生冲刷磨蚀，造成换热管的失效破坏。对于蛇形管集箱式高加，如果传热计算不准确，极有可能发生HEI标准中提及的水膜对换热管的冲刷破坏。为此，较为可行的计算方法，是采用数值模拟，可准确地获得过热蒸汽的出口温度，确保换热管的安全性。通过数值模拟，得到了集箱处换热管外壁温度云图。某型蛇形管高加在集箱处换热管外壁温度云图，如图5所示。

图5　某型蛇形管集箱式高加集箱处换热管外壁温云图/℃

2.5 阻力计算

高压加热器的阻力计算，可分为壳侧阻力计算和管侧阻力计算。以U形管管板式高压加热器为例，在行业设计规范中，建议高加管侧压降一般≤0.1 MPa，壳侧压降一般≤0.07 MPa，且壳侧每段压降不大于0.035 MPa。对于蛇形管集箱式高压加热器，其管程阻力计算，也可找到相关的经典计算公式，但在壳侧阻力计算时，因集箱处独特的结构形式，没有计算公式或实验数据可供参考。以过热段的阻力计算为例，过热段的阻力计算值偏大或偏小，将对饱和段传热面积的计算产生影响，过热段阻力降计算值偏小，而实际值偏大，可能导致计算得到的饱和段面积不足，而过热段阻力降计算值偏大，而实际值偏小，又会导致换热面积的增加，增加产品的制造成本。

2.6 振动计算

换热器运行时的流致振动，将导致换热管发生弹性不稳定、漩涡抖振、声振等现象，严重时，可直接导致换热管的破坏。传统的U形管管板式高压加热器容易发生流体诱发振动失效［6］，在工程设计中，常按照GB151或TEMA标准对U形管进行振动校核。对于蛇形管高压加热器的振动校核，由于其独特的结构形式，目前仍无相关标准可供参考。

对蛇形换热管进行振动校核的前提，需获得蛇形管的固有频率，较为可行的方法是采用有限元法，通过建立蛇形管的物理模型，以获得准确的固有频率。单根3管程蛇形管的一阶振动模态，如图6所示。

图6　单根3管程蛇形管的一阶振动模态

2.7 制造工艺

在蛇形管集箱式高压加热器制造工艺方面，应注意某些方面的问题。

（1）为保证蛇形管与管座的焊接质量，对于蛇形管与管座焊接，宜采用内孔焊技术。

（2）对于壳体所有纵、环焊缝及接管D类焊缝，应采用自动焊焊接。厚壁筒体的纵、环焊缝，宜采用窄间隙埋弧自动焊接技术，以提高焊接质量，减少厚壁容器的焊缝金属填充量，最大限度的减轻焊缝的热影响区域。

（3）过热段或疏冷段包壳采用焊缝数量少，且易于保证焊接质量的带坡口整体压制成型焊接包壳。

（4）折流条采用精铣加工，保证安装精度。

（5）整体水压试验后，在蛇形管的低洼部分有水聚集，为避免引起腐蚀，应采用高压热空气对蛇形管进行吹扫。

3　结语

蛇形管集箱式高压加热器具有使用寿命长，可靠性高和易快速启停等特点，在高参数大型机组上具有广阔的应用前景。在蛇形管集箱式高压加热器自主开发设计过程中，应对本文所述的设计和工艺关键点予以关注。

［1］季敏东.超临界600 MW高加自主开发设计［J］.东方锅炉，2009 （4）：1-5.

［2］余雏麟，邓科，季敏东.加热器及除氧器接管许用外力和外力矩的计算［J］.电站辅机，2015，36（1），1-4.

［3］凌峰.蛇形管式高压加热器在大型火电机组中的应用［J］.电站辅机，2014，35（3），5-7.

［4］余雏麟，邓科，季敏东.多约束条件下三段式高压加热器传热面积优化［J］.东方电气评论，2015，29（1），29-31.

［5］Standards for closed feed water heaters［S］.8thEdition，2009.

［6］余雏麟，邓科，季敏东，王俊辉.带V型支撑的大型U形管式高压加热器固有频率计算［J］.石油和化工设备，2015，30（1），27-31.

Independent Development and Design of 1 000 MW Snake-shaped Tube and Header Type High Pressure Heater

JI Min-dong，YU Chu-lin，LI Chang-sheng
（Dongfang Boiler Group Co.，Ltd.Dongfang Electric Group，Chengdu 611731，Sichuan，China）

Snake-shaped tube and header type HP heater is a new type of heater to improve thermal efficiency of largescale unit.To guarantee its safety and performance，several key aspects in design such as material selection，structure design，thermal performance calculation，pressure loss calculation，vibration calculation and manufacturing etc.have been discussed.

HP heater；snake-shaped tube；header type；development；design；material；structure；calculation

TK264.9

A

1672-0210（2016）01-0001-03

2015-11-02

季敏东（1969-），男，学士，高级工程师，毕业于四川轻化工学院，从事压力容器的设计工作。