【论文摘要】300MW火电机组中具有过热蒸汽冷却段、蒸汽凝结段以及疏水冷却段的三段式换热器设计，所涉及的知识面较广且深，许多技术目前仍在探索中。通过中州汽轮机厂对三门峡华阳发电有限责任公司300MW机组1#机4#低压加热器实际设计改造情况的介绍，谈谈其采取的设计措施。
1前言
三门峡华阳发电有限责任公司(即三门峡火电厂)300MW机组1#机4#低压加热器(以下简称“低加”)，自投入运行起，就不断发生管束泄漏。这台具有3个传热段的600m2低加仅断断续续运行2年左右，就因堵管严重被迫退役。1998年11月，中州汽轮机厂与三门峡华阳发电有限责任公司签订了该台低加的设计改造合同。合同规定：新设计的JD600低加外形尺寸、安装方式及对外接管均保持与原1#机4#低加相同，以利电厂安装，而内部结构由中州汽轮机厂重新设计。1999年3月，经改造设计后的新JD600低加运到电厂安装投运。目前已连续运行近1年半，各项指标均达到设计要求，整台设备运行平稳、无振动、无泄漏，用户反映良好。
2设计规范
新设计的JD600低加采用GB150《钢制压力容器》、GB151《钢制管壳式换热器》、GB10764《汽轮机低压给水加热器技术条件》、《压力容器安全技术监察规程》等规程规范，其中热力计算参考1991年版《热工技术手册》第3分册(水利电力出版社发行)。
3产品设计
3.1JD600低加主要技术特性
3.2原始热力参数及热平衡
见图1。
3.3结构概述
本JD600低加为卧式，U形管，双流程并具有3个传热段的管壳式换热器，主要由水室、管束和壳体3部分组成。详见图2。
3.4水室
水室由DN1300mm×24mm标准椭圆封头、DN500mm人孔、24mm厚的筒体以及分程隔板组焊而成。封头与筒体的材料均为20R，在筒体上装焊有进、出水接管，分程隔板则直接装焊在筒体与管板上，同时省去了筒体与管板间的法兰连接，降低了成本，也使密封更可靠。
3.5管束
管束分为过热蒸汽冷却段、凝结段、疏水冷却段，主要由管板、U形管、隔板、防冲板及中心抽气管等组成。
3.5.1管板与U形管
管板总厚210mm，有效厚度140mm,其中包括堆焊层8mm。管板基材为20MnMoⅣ级锻件(用户指定)，复层为20#钢(堆焊)。复层堆焊后去应力处理，并按JB4730进行100%超声检测，Ⅰ级合格，以确保基层和复层连接可靠。基材上堆焊20#钢的意义在于减小20MnMo与换热管焊接时的焊接应力，改善接头组织，避免焊缝开裂，特别是运行中的开裂。原1#机4#低加管板材质为20MnMo锻件，直接与碳钢换热管焊接，从而成为运行中管口泄漏的原因之一。
新JD600低加U形管共725根，在管板上按管间距25mm、正三角形方式排列。U形管的材质为TP304，由规格为ø 19×1.5的国产不锈钢焊管弯制而成，并逐根进行4.95MPa水压试验，保压时间不少于10s。
本次JD600低加大胆选用TP304国产不锈钢焊管作为传热管，敲开了有缝焊管在电站行业换热器中广泛应用的大门，对降低产品成本，推动国产焊管发展意义颇大。随着设备向大型化发展，需要的换热管长度不断增加，管子制造难度进一步加大，报废率也跟随提高，造成价格昂贵，且壁厚不够均匀。中州汽轮机厂采用的焊管是利用生产线将轧制的钢带经成型、不填充金属焊接，然后热处理、再经无损检测而成。优点是：壁厚均匀，管材长度不受定尺供货限制，可订到各种长度的管材，成材率高，价格低。不足之处是：耐压能力还较低，目前只推荐用于设计压力不超过6.4MPa的换热器。
现今我国多数电厂因不锈钢无缝管价格昂贵，一般多采用碳钢管。但碳钢管耐冲蚀能力远不如不锈钢管，尤其是在过热蒸汽冷却段和疏水冷却段更加明显，直接影响到整台设备的使用寿命。若使用不锈钢焊管，虽然价格比碳钢无缝管高，但比不锈钢无缝管价格低得多。另外采用不锈钢比采用碳钢管子壁厚可减薄2.0～2.5倍，在重量上有较大优势。总之，综合考虑单台产品价格和整台设备的使用寿命，从长远经济效益上讲，不锈钢焊管很有推广价值。
本次JD600低加管板与换热管采用强度焊加强度胀的双保险连接方式，胀管时管壁减薄率控制在4%～8%范围，以确保其连接的强度和密封要求。详见图3。
3.5.2过热蒸汽冷却段(以下简称：过热段)
过热段由半径为R624mm，厚8mm，长1174mm的碳钢半圆包壳筒与壳内的3块8mm厚碳钢隔板及防冲板焊接而成(详见图2)。其中靠近管板的隔板无缺口，设计时让它与管板保持100mm间距，用以阻挡高温蒸汽直接冲刷管板，以免造成管板温差应力及热应力过大，而给管板本身强度及换热管与管板的胀焊接头造成危害。
过热段设计得是否合理，对换热器的安全运行和热经济性致关重要，它直接关系到设备的寿命和投运率。在JD600低加过热段设计中，中州汽轮机厂主要从以下几个方面进行了重点设计和改进：
(1)首先，避免采用过高的蒸汽冲刷速度。经过测算，电厂原600m2低加为追求高换热系数，过热段蒸汽流速高达50m/s，极易引起管束振动，造成管子磨损和冲刷以至引起破裂泄漏。为此大胆将原设计中上下布置的共5块折流板改为只有2块左右布置的折流板。这里采用左右布置的原因是经实际计算发现，左右布置比上下布置的流通面积大，有利于降低汽流速度。改进后的过热段蒸汽流速从原来的50m/s降到17.3m/s，大大减轻了蒸汽对换热管的冲刷作用，降低了管子振动及蒸汽流动压损。过热段蒸汽压损的降低，提高了蒸汽凝结放热时的饱和蒸汽温度，减小了凝结段的理论需要换热面积，从而使换热性能得到提高。
(2)合理选择过热段蒸汽出口温度,确保具有25～30℃的过热度,以免发生过热段带水,冲蚀子。JD600低加过热段蒸汽出口计算温度为176℃，过热度实际为26℃。
(3)确定恰当的过热段传热面积，严防造成过热段蒸汽出口处过热度太小甚至没有而引起蒸汽夹带水珠冲蚀换热管。为此在计算过热段传热面积时，没有按常规增加10%左右的富裕量，甚至因考虑到低负荷运行时，实际所需传热面积减小而在理论计算数值的基础上，人为地有所减少，JD600低加过热段传热系数计算值为370W/m2·℃，计算需要面积为57m2，实际选取传热面积为51m2。
(4)过热段传热采用了优于顺流布置的逆流流动布置方式。
3.5.3凝结段
凝结段由6块支撑板、4只滚轮、10块防短路挡板及中心抽汽管等组成。
凝结段肩负着最主要的换热任务，它的换热好坏，结构是否合理,直接关系到管侧出水温度能否达到设计要求。JD600低加各传热段理论传热量为：过热段1570kW；凝结段16098kW；疏水冷却段646kW。
JD600低加凝结段没有采用传统的折流板结构，而是在管束的中心区,沿整个管束长度设置了一根ø 57mm×5mm，长6505mm的抽汽管，抽汽管上断续钻了70个ø 8mm的小抽汽孔，小孔总面积约为抽汽管通流面积的2倍，这样就可以利用压差，引导蒸汽沿直径方向在管束全长上均匀向管束中心流动，同时连续不断地抽出不凝结气体。这种中心抽汽管结构，不仅换热效率高，蒸汽流动阻力小，而且由于换热管由整块隔板支撑，无支撑跨距小，因而管束振动小,安全可靠性高。另外,在凝结段的中间一块隔板及最后一块较厚隔板(厚20mm)下部，分别安装了两只滚轮，使管束热胀冷缩时，能自由地在壳体内沿轴线伸缩。
3.5.4疏水冷却段
疏水冷却段的作用是，将饱和水的显热传给管侧被加热水的进水侧，它一方面提高了热利用率；另一方面降低了换热器疏水出口的水温，使疏水保持一定的过冷度，避免疏水在疏水管道内及疏水阀后，因压损造成汽水两相共流，引起振动和阀门、弯头等的冲蚀损坏。
疏水冷却段设计中，在安全上应注意的关键问题是防止饱和疏水流动阻力过大，引起疏水汽化产生两相流。JD600低加疏水冷却段由上下布置的3块8mm厚折流板、一块70mm厚端板及8mm厚半圆包壳筒，再加上管板组焊而成(见图2)。折流板平均间距300mm，疏水的设计流速为0.15m／s，使得疏水在引起汽化的任何压力损失发生之前，就被冷却到低于相应的饱和温度，从而不会产生汽化。为了保证疏水冷却段的密封，防止凝结段的蒸汽漏入疏水冷却段造成危害，设计选用了较厚的端板，并配以较高的管孔精度和表面粗糙度，确保了密封要求。
3.6壳体
壳体由筒体、封头、活动支座等组焊而成(见图2)。筒体、封头的材质均为12mm厚20R板材，经强度计算，壁厚由原来的14mm降为现在的12mm，减少了产品的材料消耗。其它外形结构及控制系统按用户要求均与电厂原1#机4#低加保持一致，不再赘述。
4产品特点及运行情况
中州汽轮机厂本次设计的JD600低加，管板采用20MnMo堆焊低碳钢，提高了换热管与管板的焊接接头质量。其U形管大胆采用了国产焊接不锈钢管，为今后提高低加产品耐冲蚀能力和降低成本做了一次有益的尝试。在过热段设计中，首先将原低加上下布置的5块折流板，果断改为左右布置的2块折流板结构，增大了折流板间距，减少了蒸汽折流次数，使蒸汽流速从原来的50m/s降至17.3m/s，压损同时也大幅度下降。其次过热段采用逆流布置形式，合理选择了过热段蒸汽出口过热度数值，并采用计算传热面积时，不增加任何裕度措施，防止过热面积太大。在凝结段设计中，采用了中心抽汽管结构，引导蒸汽向心流动并连续不断抽去不凝结气体。在疏水冷却段设计中，采用0.15m/s的低流速疏水，流过上下布置的折流板，确保疏水在引起汽化的任何压力损失发生之前，就被冷却到低于相应的饱和温度，提高了疏水冷却段的安全可靠性。
改进设计后的JD600低加经1999年3月至今的运行证明，其换热效果好，运行平稳、无振动、噪声小、无泄漏，受到用户好评。
