上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论1第一章绪论1.1研究背景1.1.1电厂高压加热器简介火力发电厂的高压给水加热器是利用汽轮机的抽汽加热锅炉给水的装置，它可以提高电厂热效率，节省燃料，并有助于机组安全运行。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。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［1］。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。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。现代大型火电机组的回热系统运行优劣将直接影响到机组的效率。理论上说，回热抽汽级数越多，则发电机组热经济性越好，但设备的投资要增加，系统也随之变得复杂。给水加热器的设置是根据等焓分配原则结合电厂投资成本综合技术经济分析比较确定的，因而具有最佳经济性。实践证明，在一台机组中如果所有高压加热器不投运，将使机组净热耗增加，煤耗增加，出力减少。并且将迫使锅炉燃烧部分受热面在不正常工况下运行，过热器超温，设备故障率上升［2］。但国内以至国外制造的一些高压加热器仍存在可用系数不高、频繁泄漏损坏、附件故障以及使用寿命不长等问题。电厂辅助设备出现故障的数量甚至可能超过主机，而高压加热器故障仍是电厂设备故障的一个重要方面。在高压加热器的每一个上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论2环节都做好工作，特别是设计（热力计算）环节的面积优化方面，将有助于高压加热器顺利发挥效能。1.1.2高压加热器的工作原理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［2］。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［1］。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135MW火电机组由四台低加、一台除氧器和两台高加组成。随着近年来各电厂的装机容量不断增加，机组参数不断增大，一些超高压汽轮机组采用四台低加、一台除氧器和三台高加，称为八级回热系统［1］。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。
电厂用表面式给水加热器的形式如图1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型式［2］。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。上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论3图1给水加热器［7］Fig.1Feedwaterheater1.1.3660MW超超临界机组高压加热器主要结构1.设计特点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。上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论4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.结构特点壳体：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流动的分隔板以及带密封垫圈的人孔盖、人孔座等。 1.2 公司背景 换热器是一种广泛使用的工艺设备，在炼油、化工行业中是主要的工艺设备之一。因此换热器的研究备受重视。从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的试验研究一直都在进行。特别是上世纪七十年代初发生能源危机以来，各国都纷纷寻找新的能源及节约能源的途径，而换热器是节约能源的有效设备。 随着我国电力工业的迅速发展，高参数、大容量机组数量不断增加。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。660MW 超超临界机组在近几年也得到了大力的发展，因为其有效地提高了机组的效率。 我公司设计的 660MW 超超临界机组高压给水加热器 U 形管采用光管型式。对于过热蒸汽冷却段，传热管内是给水，传热管外是过热蒸汽；主要是水与过热蒸汽的热交换过程。对于凝结段，传热管内是给水，传热管外是饱和蒸汽；主要是水与饱和蒸汽的热交换过程。
对于疏水冷却段，传热管内是给水，传热管外是疏水；主要是水与水的热交换过程。根据各段的换热机理不同，其传热计算公式和每段的 5个热阻的取值也不同，应针对每个过程分别进行分析、研究、计算，得出合理、简便的计算公式。 我公司作为全国最大的专业电站辅机制造厂，在高压加热器的热力计算方面已积累了相当的经验，建立了一定的能力。对660MW超超临界机组高压加热器进行优化设计，可使加热器的设计更经济合理，加热面积更接近电厂实际需要，生产制造成本下降。为我公司大力拓展中外辅机市场创造更有利的条件。上海交通大学工程硕士学位论文第一章 绪论 5 1.3 研究问题的提出及意义 根据国家的宏观经济调控政策以及我国各省市的实际电力需求情况，每个电厂对回热系统的要求各不相同。各设计院按用户实际需要对汽轮机热力系统参数提出要求，由汽轮机制造厂计算热力平衡图并提供给高加制造厂。对于高压加热器的制造厂来说，热力计算是居于第一位的，因为只有对加热器进行了良好的热力计算，才能充分利用汽轮机的抽汽，逐步加热给水温度，最终达到锅炉所要求的给水温度。 因为汽轮机热力平衡图的多样性，导致了各机组所需的高压加热器的结构复杂性。有的高压加热器由 3 段（过热蒸汽冷却段、凝结段和疏水冷却段）组成，有的高压加热器由 1 段（纯凝结段）组成，有的高压加热器由 2 段（凝结段加过热蒸汽冷却段或疏水冷却段）组成。
各段的设置由加热器的端差决定，而各段所需面积大小就与汽轮机热力系统参数有关，合理的布置加热器各段面积，能使加热器充分发挥效能，提高加热器的投运能力，减少煤耗，降低电厂的生产成本。 1.4 国内外现状综述为了提高煤炭能源的利用率，改善环境质量，世界上许多国家都积极开发效率更高、污染物排放更少的洁净煤发电技术。这些技术主要有配有污染物排放控制技术的超临界和超超临界发电技术、常压循环流化床燃烧（CFBC）发电技术、增压循环流化床联合循环（PFBC-CC）发电技术以及整体煤化气联合循环（IGCC）发电技术等［3］。 超超临界发电技术是在超临界发电技术基础上发展起来的一种成熟、先进、高效的发电技术，其工质——水蒸汽的压力、温度均大大超过水蒸汽的临界参数，可以大幅度提高机组的热效率［3］。表 1 是不同参数火电机组的热效率和供电煤耗的比较，可见，超超临界机组在经济方面较亚临界和超临界机组有较大的提高。上海交通大学工程硕士学位论文第一章 绪论 6 表1 不同参数机组的热效率和供电煤耗［3］机组类型 蒸汽压力 MPa 蒸汽温度 ℃ 热效率 % 供电煤耗 g/kWh 超高压 13 535/535 34 360 亚临界 17 540/540 38 324 超临界 25.5 567/567 41 300 高温超临界 25 600/600 44 278 超超临界 30 600/600/600 48 256 高温超超临界 30 700 57 214 超700℃ ＞700 60 205 注：供电煤耗是用标煤量统计 超超临界机组在国际上已经是商业化的成熟发电技术，在可用率、可靠性、运行灵活性和机组寿命等方面可以和亚临界机组相媲美。近十几年来，世界上许多发达国家都在积极开发和应用超超临界参数发电机组，研究和应用该技术较好的国家主要有美国、日本、德国、丹麦等。 目前，超超临界机组的最大容量已经达到1300MW（美国，1972 年投运），最高
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