高秀志

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

0 概 述

在大型汽輪發(fā)電機組的回熱系統(tǒng)中，加熱器的級數(shù)越來越多，級間的壓差越來越小，最末一級低壓加熱器的抽汽壓力越來越低，這是當前設計回熱系統(tǒng)時的發(fā)展趨勢。低壓加熱器疏冷段的作用，是利用飽和凝結水在冷卻過程中釋放的顯熱，加熱系統(tǒng)中的給水。因疏冷段內凝結水的強制流動，疏冷段內將產(chǎn)生較大的壓力損失（相對于抽汽壓力）。壓損嚴重時，會導致疏水不暢，從而導致殼側液面高度無法調節(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，對疏冷段的設計結構、疏水管道布置、疏水調節(jié)閥門的選型及安裝等方面，進行了較多改進。比如，將虹吸式疏冷段改為全浸沒式疏冷段；將疏水調節(jié)閥安裝至下一級低壓加熱器的疏水入口處；降低下級低加疏水入口高度等。為了進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的橫流引起管束振動，從而造成換熱管的損壞。

1 折流柵與折流板的設計

1.1 折流板的作用及布置結構

疏冷段中折流板的作用是支撐管束和引導殼側介質的流動。在殼側的介質流動中，折流板屬于固體壁面，不允許介質通過，故折流板在殼側的交叉布置中，均會在某側留有缺口，以便介質的縱向流動。通過折流板交替向上或向下的阻檔作用，可連續(xù)地改變介質的流動方向，介質流線與管子軸線總體上呈橫向流動。虹吸式折流板在疏冷段內的結構布置，如圖1所示。浸沒式折流板在疏冷段的結構布置，如圖2所示。在折流板的配置設計時，主要是控制相鄰折流板的間距，這些參數(shù)直接影響介質的橫流速度，還會間接影響管束的傳熱系數(shù)與流動阻力，同時會對管系的振動產(chǎn)生影響。在殼程介質流量給定的情況下，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，換熱管的振動風險相對降低。但在設計時，還應比較實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的結構布置

1.2 折流柵的作用及布置結構

折流柵在疏冷段中的作用，同樣是支撐管束和引導殼側介質的流動。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，還允許殼程介質通過，故折流柵不需要留缺口。折流柵不改變介質縱向流動方向，而是通過對介質節(jié)流產(chǎn)生加速，射流引起擾動，以提高殼側傳熱系數(shù)。折流柵疏冷段的結構布置，如圖3所示。折流柵的設計要素，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，擾動次數(shù)越多，傳熱系數(shù)越高，壓力損失越大。由于殼程介質基本上呈縱向變速流動，故不會引起換熱管的橫向振動，引起管束振動的風險大大降低。

圖3 折流柵在疏冷段內的結構布置

1.3 折流柵的優(yōu)點

將折流柵與折流板相比，折流柵的主要優(yōu)點：（1）介質流動的壓力損失較小。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，介質流動的縱向速度不大，沿程流動阻力較小，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，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，強有力的擾動有利于提高傳熱效率。（3）不易引發(fā)管束的振動，降低了換熱管損壞的風險。在折流柵支撐的模式下，殼程中介質呈縱向流動，消除了引起振動的振動源（即橫流速度）。（4）在加熱器殼體中，由于折流柵允許殼程介質通過，不需設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，可使疏冷段的結構布置較為緊湊。

1.4 折流柵的選型過程

與折流板相比，折流柵的主要缺點是折流柵的設計與制造加工難度較大。因此，在加熱器疏冷段的結構設計中，是選擇折流板還是選擇折流柵，應根據(jù)系統(tǒng)要求，權衡得失后再進行選擇。推薦的選擇方法為：（1）先按折流板方案，設計折流板的幾何尺寸及間距。（2）計算疏冷段的傳熱系數(shù)，計算疏冷段內的傳熱面積和壓力損失。（3）對照HEI標準，評判壓力損失的絕對值及相對于抽汽壓力的相對值是否滿足標準要求，假如評定不合格，或者風險較高，則建議采用折流柵方式。（4）壓力損失值滿足標準要求后，再進行管系的振動計算，假如不能滿足振動標準的要求，則建議采用折流柵方式。（5）綜合考慮加熱器中凝結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構布置的要求，結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70年代研發(fā)的。目前，折流桿式換熱器已被廣泛應用。折流桿式換熱器的結構，如圖4所示。對于低壓加熱器的疏冷段，不建議采用折流桿的結構形式，這是因為：（1）內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，導致殼程中介質的流速不高，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構，稱為連排孔折流柵。連排孔折流柵的結構，如圖5所示。將相鄰的3個孔分成一組，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，在折流柵上應留下橫縱方向的支撐骨架。殼程中介質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圓弧，實現(xiàn)換熱管兩個方向的定位與支撐，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，從外層至中心層采用了三種布管形式，分別對應第I層、第II層和第III層?！暗葯M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的特點，使蒸汽邊流動邊凝結，同時，邊凝結邊減小體積流量，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構連續(xù)性和介質流動的連續(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，具有很大有應用空間，尤其是蒸汽在管束內凝結換熱時，隨著蒸汽的凝結，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行分析，等間距布管法不利于蒸汽進入，增加了流動阻力。采用常規(guī)分支導流方法，強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而引起的碰撞。

4 結 語

利用創(chuàng)新思維，提出了一種新穎的結構布置方式。目前，已完成連排孔折流柵實驗平臺的設計，希望通過實驗數(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阻力計算公式，整理出一套有針對性的、與幾何結構相關和與流速相關的實用公式。可以預計，這種設計方法和結構布置，將應用在未來產(chǎn)品的設計中。如在內置式疏冷段的低壓加熱器應用該類設計，可使設備的結構緊湊，疏水更暢通，在蒸汽流量的合理分配和防止管子振動方面，將更容易地滿足設計上的要求。