連排孔折流柵在低壓加熱器疏冷段的應(yīng)用

高秀志

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

0 概 述

在大型汽輪發(fā)電機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)中，加熱器的級(jí)數(shù)越來越多，級(jí)間的壓差越來越小，最末一級(jí)低壓加熱器的抽汽壓力越來越低，這是當(dāng)前設(shè)計(jì)回?zé)嵯到y(tǒng)時(shí)的發(fā)展趨勢。低壓加熱器疏冷段的作用，是利用飽和凝結(jié)水在冷卻過程中釋放的顯熱，加熱系統(tǒng)中的給水。因疏冷段內(nèi)凝結(jié)水的強(qiáng)制流動(dòng)，疏冷段內(nèi)將產(chǎn)生較大的壓力損失（相對(duì)于抽汽壓力）。壓損嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致疏水不暢，從而導(dǎo)致殼側(cè)液面高度無法調(diào)節(jié)、疏冷段不能投入使用，產(chǎn)生大量的熱量損失。為解決該類問題，對(duì)疏冷段的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、疏水管道布置、疏水調(diào)節(jié)閥門的選型及安裝等方面，進(jìn)行了較多改進(jìn)。比如，將虹吸式疏冷段改為全浸沒式疏冷段；將疏水調(diào)節(jié)閥安裝至下一級(jí)低壓加熱器的疏水入口處；降低下級(jí)低加疏水入口高度等。為了進(jìn)一步減少疏水壓力損失，現(xiàn)提出了一種新穎連排孔折流柵，取代常規(guī)的折流板。目的就是降低壓損，并避免因折流板間介質(zhì)的橫流引起管束振動(dòng)，從而造成換熱管的損壞。

1 折流柵與折流板的設(shè)計(jì)

1.1 折流板的作用及布置結(jié)構(gòu)

疏冷段中折流板的作用是支撐管束和引導(dǎo)殼側(cè)介質(zhì)的流動(dòng)。在殼側(cè)的介質(zhì)流動(dòng)中，折流板屬于固體壁面，不允許介質(zhì)通過，故折流板在殼側(cè)的交叉布置中，均會(huì)在某側(cè)留有缺口，以便介質(zhì)的縱向流動(dòng)。通過折流板交替向上或向下的阻檔作用，可連續(xù)地改變介質(zhì)的流動(dòng)方向，介質(zhì)流線與管子軸線總體上呈橫向流動(dòng)。虹吸式折流板在疏冷段內(nèi)的結(jié)構(gòu)布置，如圖1所示。浸沒式折流板在疏冷段的結(jié)構(gòu)布置，如圖2所示。在折流板的配置設(shè)計(jì)時(shí)，主要是控制相鄰折流板的間距，這些參數(shù)直接影響介質(zhì)的橫流速度，還會(huì)間接影響管束的傳熱系數(shù)與流動(dòng)阻力，同時(shí)會(huì)對(duì)管系的振動(dòng)產(chǎn)生影響。在殼程介質(zhì)流量給定的情況下，折流板的間距越小，橫流速度越高，傳熱系數(shù)越大，壓力損失也越大。換熱管的一階固有頻率越高，臨界流速越大，換熱管的振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)降低。但在設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)比較實(shí)際橫流速度與臨界流速的大小。

圖2 浸沒式折流板在疏冷段內(nèi)的結(jié)構(gòu)布置

1.2 折流柵的作用及布置結(jié)構(gòu)

折流柵在疏冷段中的作用，同樣是支撐管束和引導(dǎo)殼側(cè)介質(zhì)的流動(dòng)。但折流柵與折流板不同，折流柵不全是固體壁面，除允許換熱管穿過外，還允許殼程介質(zhì)通過，故折流柵不需要留缺口。折流柵不改變介質(zhì)縱向流動(dòng)方向，而是通過對(duì)介質(zhì)節(jié)流產(chǎn)生加速，射流引起擾動(dòng)，以提高殼側(cè)傳熱系數(shù)。折流柵疏冷段的結(jié)構(gòu)布置，如圖3所示。折流柵的設(shè)計(jì)要素，是控制節(jié)流比和折流柵之間的間距。通常情況下，節(jié)流比越大，縱向速度的增加倍率越大，射流擾動(dòng)效果越好，傳熱系數(shù)越高，壓力損失越大；折流柵的間距越小，擾動(dòng)次數(shù)越多，傳熱系數(shù)越高，壓力損失越大。由于殼程介質(zhì)基本上呈縱向變速流動(dòng)，故不會(huì)引起換熱管的橫向振動(dòng)，引起管束振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

圖3 折流柵在疏冷段內(nèi)的結(jié)構(gòu)布置

1.3 折流柵的優(yōu)點(diǎn)

將折流柵與折流板相比，折流柵的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）介質(zhì)流動(dòng)的壓力損失較小。折流柵采用了變速流模式，雖然在節(jié)流處存在較大的局部壓力損失，但在通常范圍內(nèi)，介質(zhì)流動(dòng)的縱向速度不大，沿程流動(dòng)阻力較小，且在射流滯止過程中，有一部分速度能又回歸到壓力能。（2）傳熱系數(shù)較高。折流柵通過射流擾動(dòng)，提高了傳熱系數(shù)。在通常情況下，射流速度是平均速度的4倍以上，強(qiáng)有力的擾動(dòng)有利于提高傳熱效率。（3）不易引發(fā)管束的振動(dòng)，降低了換熱管損壞的風(fēng)險(xiǎn)。在折流柵支撐的模式下，殼程中介質(zhì)呈縱向流動(dòng)，消除了引起振動(dòng)的振動(dòng)源（即橫流速度）。（4）在加熱器殼體中，由于折流柵允許殼程介質(zhì)通過，不需設(shè)置專門的向上或向下的縱流通道，所以，在疏冷段中采用折流柵，可使疏冷段的結(jié)構(gòu)布置較為緊湊。

1.4 折流柵的選型過程

與折流板相比，折流柵的主要缺點(diǎn)是折流柵的設(shè)計(jì)與制造加工難度較大。因此，在加熱器疏冷段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，是選擇折流板還是選擇折流柵，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)要求，權(quán)衡得失后再進(jìn)行選擇。推薦的選擇方法為：（1）先按折流板方案，設(shè)計(jì)折流板的幾何尺寸及間距。（2）計(jì)算疏冷段的傳熱系數(shù)，計(jì)算疏冷段內(nèi)的傳熱面積和壓力損失。（3）對(duì)照HEI標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)判壓力損失的絕對(duì)值及相對(duì)于抽汽壓力的相對(duì)值是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，假如評(píng)定不合格，或者風(fēng)險(xiǎn)較高，則建議采用折流柵方式。（4）壓力損失值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求后，再進(jìn)行管系的振動(dòng)計(jì)算，假如不能滿足振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，則建議采用折流柵方式。（5）綜合考慮加熱器中凝結(jié)段和疏冷段的布置方式與占空比，分析加熱器的總體尺寸與結(jié)構(gòu)布置的要求，結(jié)合材料成本和制造成本，最終決定選用折流板形式或折流柵形式。

2 連排孔折流柵

在殼程縱流換熱器中常采用的折流元件是折流桿，是由美國某石油公司在20世紀(jì)70年代研發(fā)的。目前，折流桿式換熱器已被廣泛應(yīng)用。折流桿式換熱器的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。對(duì)于低壓加熱器的疏冷段，不建議采用折流桿的結(jié)構(gòu)形式，這是因?yàn)椋海?）內(nèi)置疏冷段只占管束截面的一部分，疏冷段的包殼形狀類似倒梯形，而不是圓，非圓形折流柵在受力后不太穩(wěn)定，易變形。（2）對(duì)折流桿的直徑大小有要求，不能采用過小直徑的折流桿，但較大直徑的折流桿所占據(jù)的截面面積較大，導(dǎo)致殼程中介質(zhì)的流速不高，節(jié)流加速的效果不明顯。本文作者提出了一種新穎折流柵結(jié)構(gòu)，稱為連排孔折流柵。連排孔折流柵的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。將相鄰的3個(gè)孔分成一組，開槽后連接成長腰形孔，這種長腰形孔簡稱為“連排孔”。注意連排孔的布置，保證加工完所有連排孔后，在折流柵上應(yīng)留下橫縱方向的支撐骨架。殼程中介質(zhì)可從連排孔之間的間隙通過。前后2塊折流柵的連排孔中心線，在空間位置中呈90°夾角，利用連排孔中四段交錯(cuò)圓弧，實(shí)現(xiàn)換熱管兩個(gè)方向的定位與支撐，換熱管的定位與支撐形式，如圖6所示。

3 連排孔折流柵低壓加熱器管板的布孔

如圖5所示，除去換熱管占據(jù)截面和殼程疏水縱流通道外，連排孔折流柵還必須留下足夠的金屬截面，以支撐換熱管，相鄰折流柵要在交錯(cuò)90°方位完成換熱管的定位，故連排孔折流柵上的換熱管只能采用45°布管方式，且孔距還不能太小。假如整個(gè)布管區(qū)都采用45°布管，則布管區(qū)的直徑加大，增加換熱器的制造成本，為解決這個(gè)難題，才提出了“等橫變縱”布管法。

常規(guī)低壓加熱器管板上的管孔布置，常采用30°或60°布管法，而帶有連排孔折流柵的低壓加熱器采用較為獨(dú)特的布管法，即為“等橫變縱”布管法。管板的管孔布置，如圖7所示。排孔時(shí)，從外層至中心層采用了三種布管形式，分別對(duì)應(yīng)第I層、第II層和第III層。“等橫變縱”的布管法，如圖8所示。第I層排管采用45°布管法，布管的橫向與縱向的間距相等，換熱管中心距取1.35倍換熱管直徑；第II層排管采用“等橫變縱”的布管法，布管的橫向間距與第I層相等，縱向間距小于橫向間距，換熱管的中心距取1.3倍換熱管直徑；第III層排管也采用“等橫變縱”布管法，布管的橫向間距與第I層相等，縱向間距小于橫向間距，換熱管的中心距取1.25倍換熱管直徑。“等橫變縱”布管法符合向心流蒸汽凝結(jié)的特點(diǎn)，使蒸汽邊流動(dòng)邊凝結(jié)，同時(shí)，邊凝結(jié)邊減小體積流量，這有利于維持一定的蒸汽流速；“等橫變縱”的布管法采用相等的橫向間距，保證了分層排管間的結(jié)構(gòu)連續(xù)性和介質(zhì)流動(dòng)的連續(xù)性，采用變縱向間距，有利于減小管束整體的縱向尺寸，使布管更為緊湊。

“等橫變縱”布管法是一種開拓創(chuàng)新的方法，跳出了常規(guī)30°、45°、60°和90°布管法的思維束縛，跳出了常規(guī)等間距布管法的思維束縛，具有很大有應(yīng)用空間，尤其是蒸汽在管束內(nèi)凝結(jié)換熱時(shí)，隨著蒸汽的凝結(jié)，蒸汽的體積流量將隨之減小，而等間距布管法明顯不利于流量分配。從管束的外形輪廓線進(jìn)行分析，等間距布管法不利于蒸汽進(jìn)入，增加了流動(dòng)阻力。采用常規(guī)分支導(dǎo)流方法，強(qiáng)行改變蒸汽量的分配，則可能產(chǎn)生過高的流速滯止壓頭，從而引起管子的振動(dòng)破壞。變間距布管法有利于蒸汽流量分配，管束外輪廓線上的大間距布管，有利于防止因管子振動(dòng)而引起的碰撞。

4 結(jié) 語

利用創(chuàng)新思維，提出了一種新穎的結(jié)構(gòu)布置方式。目前，已完成連排孔折流柵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，希望通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理，參照折流桿換熱器的傳熱和流動(dòng)阻力計(jì)算公式，整理出一套有針對(duì)性的、與幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)和與流速相關(guān)的實(shí)用公式。可以預(yù)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)布置，將應(yīng)用在未來產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中。如在內(nèi)置式疏冷段的低壓加熱器應(yīng)用該類設(shè)計(jì)，可使設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊，疏水更暢通，在蒸汽流量的合理分配和防止管子振動(dòng)方面，將更容易地滿足設(shè)計(jì)上的要求。