连排孔折流栅在低压加热器疏冷段的应用

高秀志

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000）

0 概 述

在大型汽轮发电机组的回热系统中，加热器的级数越来越多，级间的压差越来越小，最末一级低压加热器的抽汽压力越来越低，这是当前设计回热系统时的发展趋势。低压加热器疏冷段的作用，是利用饱和凝结水在冷却过程中释放的显热，加热系统中的给水。因疏冷段内凝结水的强制流动，疏冷段内将产生较大的压力损失（相对于抽汽压力）。压损严重时，会导致疏水不畅，从而导致壳侧液面高度无法调节、疏冷段不能投入使用，产生大量的热量损失。为解决该类问题，对疏冷段的设计结构、疏水管道布置、疏水调节阀门的选型及安装等方面，进行了较多改进。比如，将虹吸式疏冷段改为全浸没式疏冷段；将疏水调节阀安装至下一级低压加热器的疏水入口处；降低下级低加疏水入口高度等。为了进一步减少疏水压力损失，现提出了一种新颖连排孔折流栅，取代常规的折流板。目的就是降低压损，并避免因折流板间介质的横流引起管束振动，从而造成换热管的损坏。

1 折流栅与折流板的设计

1.1 折流板的作用及布置结构

疏冷段中折流板的作用是支撑管束和引导壳侧介质的流动。在壳侧的介质流动中，折流板属于固体壁面，不允许介质通过，故折流板在壳侧的交叉布置中，均会在某侧留有缺口，以便介质的纵向流动。通过折流板交替向上或向下的阻档作用，可连续地改变介质的流动方向，介质流线与管子轴线总体上呈横向流动。虹吸式折流板在疏冷段内的结构布置，如图1所示。浸没式折流板在疏冷段的结构布置，如图2所示。在折流板的配置设计时，主要是控制相邻折流板的间距，这些参数直接影响介质的横流速度，还会间接影响管束的传热系数与流动阻力，同时会对管系的振动产生影响。在壳程介质流量给定的情况下，折流板的间距越小，横流速度越高，传热系数越大，压力损失也越大。换热管的一阶固有频率越高，临界流速越大，换热管的振动风险相对降低。但在设计时，还应比较实际横流速度与临界流速的大小。

图2 浸没式折流板在疏冷段内的结构布置

1.2 折流栅的作用及布置结构

折流栅在疏冷段中的作用，同样是支撑管束和引导壳侧介质的流动。但折流栅与折流板不同，折流栅不全是固体壁面，除允许换热管穿过外，还允许壳程介质通过，故折流栅不需要留缺口。折流栅不改变介质纵向流动方向，而是通过对介质节流产生加速，射流引起扰动，以提高壳侧传热系数。折流栅疏冷段的结构布置，如图3所示。折流栅的设计要素，是控制节流比和折流栅之间的间距。通常情况下，节流比越大，纵向速度的增加倍率越大，射流扰动效果越好，传热系数越高，压力损失越大；折流栅的间距越小，扰动次数越多，传热系数越高，压力损失越大。由于壳程介质基本上呈纵向变速流动，故不会引起换热管的横向振动，引起管束振动的风险大大降低。

图3 折流栅在疏冷段内的结构布置

1.3 折流栅的优点

将折流栅与折流板相比，折流栅的主要优点：（1）介质流动的压力损失较小。折流栅采用了变速流模式，虽然在节流处存在较大的局部压力损失，但在通常范围内，介质流动的纵向速度不大，沿程流动阻力较小，且在射流滞止过程中，有一部分速度能又回归到压力能。（2）传热系数较高。折流栅通过射流扰动，提高了传热系数。在通常情况下，射流速度是平均速度的4倍以上，强有力的扰动有利于提高传热效率。（3）不易引发管束的振动，降低了换热管损坏的风险。在折流栅支撑的模式下，壳程中介质呈纵向流动，消除了引起振动的振动源（即横流速度）。（4）在加热器壳体中，由于折流栅允许壳程介质通过，不需设置专门的向上或向下的纵流通道，所以，在疏冷段中采用折流栅，可使疏冷段的结构布置较为紧凑。

1.4 折流栅的选型过程

与折流板相比，折流栅的主要缺点是折流栅的设计与制造加工难度较大。因此，在加热器疏冷段的结构设计中，是选择折流板还是选择折流栅，应根据系统要求，权衡得失后再进行选择。推荐的选择方法为：（1）先按折流板方案，设计折流板的几何尺寸及间距。（2）计算疏冷段的传热系数，计算疏冷段内的传热面积和压力损失。（3）对照HEI标准，评判压力损失的绝对值及相对于抽汽压力的相对值是否满足标准要求，假如评定不合格，或者风险较高，则建议采用折流栅方式。（4）压力损失值满足标准要求后，再进行管系的振动计算，假如不能满足振动标准的要求，则建议采用折流栅方式。（5）综合考虑加热器中凝结段和疏冷段的布置方式与占空比，分析加热器的总体尺寸与结构布置的要求，结合材料成本和制造成本，最终决定选用折流板形式或折流栅形式。

2 连排孔折流栅

在壳程纵流换热器中常采用的折流元件是折流杆，是由美国某石油公司在20世纪70年代研发的。目前，折流杆式换热器已被广泛应用。折流杆式换热器的结构，如图4所示。对于低压加热器的疏冷段，不建议采用折流杆的结构形式，这是因为：（1）内置疏冷段只占管束截面的一部分，疏冷段的包壳形状类似倒梯形，而不是圆，非圆形折流栅在受力后不太稳定，易变形。（2）对折流杆的直径大小有要求，不能采用过小直径的折流杆，但较大直径的折流杆所占据的截面面积较大，导致壳程中介质的流速不高，节流加速的效果不明显。本文作者提出了一种新颖折流栅结构，称为连排孔折流栅。连排孔折流栅的结构，如图5所示。将相邻的3个孔分成一组，开槽后连接成长腰形孔，这种长腰形孔简称为“连排孔”。注意连排孔的布置，保证加工完所有连排孔后，在折流栅上应留下横纵方向的支撑骨架。壳程中介质可从连排孔之间的间隙通过。前后2块折流栅的连排孔中心线，在空间位置中呈90°夹角，利用连排孔中四段交错圆弧，实现换热管两个方向的定位与支撑，换热管的定位与支撑形式，如图6所示。

3 连排孔折流栅低压加热器管板的布孔

如图5所示，除去换热管占据截面和壳程疏水纵流通道外，连排孔折流栅还必须留下足够的金属截面，以支撑换热管，相邻折流栅要在交错90°方位完成换热管的定位，故连排孔折流栅上的换热管只能采用45°布管方式，且孔距还不能太小。假如整个布管区都采用45°布管，则布管区的直径加大，增加换热器的制造成本，为解决这个难题，才提出了“等横变纵”布管法。

常规低压加热器管板上的管孔布置，常采用30°或60°布管法，而带有连排孔折流栅的低压加热器采用较为独特的布管法，即为“等横变纵”布管法。管板的管孔布置，如图7所示。排孔时，从外层至中心层采用了三种布管形式，分别对应第I层、第II层和第III层。“等横变纵”的布管法，如图8所示。第I层排管采用45°布管法，布管的横向与纵向的间距相等，换热管中心距取1.35倍换热管直径；第II层排管采用“等横变纵”的布管法，布管的横向间距与第I层相等，纵向间距小于横向间距，换热管的中心距取1.3倍换热管直径；第III层排管也采用“等横变纵”布管法，布管的横向间距与第I层相等，纵向间距小于横向间距，换热管的中心距取1.25倍换热管直径。“等横变纵”布管法符合向心流蒸汽凝结的特点，使蒸汽边流动边凝结，同时，边凝结边减小体积流量，这有利于维持一定的蒸汽流速；“等横变纵”的布管法采用相等的横向间距，保证了分层排管间的结构连续性和介质流动的连续性，采用变纵向间距，有利于减小管束整体的纵向尺寸，使布管更为紧凑。

“等横变纵”布管法是一种开拓创新的方法，跳出了常规30°、45°、60°和90°布管法的思维束缚，跳出了常规等间距布管法的思维束缚，具有很大有应用空间，尤其是蒸汽在管束内凝结换热时，随着蒸汽的凝结，蒸汽的体积流量将随之减小，而等间距布管法明显不利于流量分配。从管束的外形轮廓线进行分析，等间距布管法不利于蒸汽进入，增加了流动阻力。采用常规分支导流方法，强行改变蒸汽量的分配，则可能产生过高的流速滞止压头，从而引起管子的振动破坏。变间距布管法有利于蒸汽流量分配，管束外轮廓线上的大间距布管，有利于防止因管子振动而引起的碰撞。

4 结 语

利用创新思维，提出了一种新颖的结构布置方式。目前，已完成连排孔折流栅实验平台的设计，希望通过实验数据收集和数据处理，参照折流杆换热器的传热和流动阻力计算公式，整理出一套有针对性的、与几何结构相关和与流速相关的实用公式。可以预计，这种设计方法和结构布置，将应用在未来产品的设计中。如在内置式疏冷段的低压加热器应用该类设计，可使设备的结构紧凑，疏水更畅通，在蒸汽流量的合理分配和防止管子振动方面，将更容易地满足设计上的要求。