1000MW二次再熱機組高加選型研究

王亞軍，朱佳琪，李 林，陳仁杰

（華東電力設計院有限公司，上海 200063）

1000MW二次再熱機組高加選型研究

王亞軍，朱佳琪，李 林，陳仁杰

（華東電力設計院有限公司，上海 200063）

本文介紹國內外1000MW機組的高加配置情況，對二次再熱機組高壓加熱器配置情況進行分析，并對二次再熱配置單列高加和雙列高加做技術比較，提出適合二次再熱機組的高壓加熱器配置方案。

二次再熱；1000MW；高壓加熱器；單、雙列。

1　概述

目前國內600MW級常規超臨界及超超臨界機組高壓加熱器均采用100%（單列）高壓加熱器。國內1000MW級超超臨界參數100%（單列）高壓加熱器和50%（雙列）高壓加熱器均有運行業績，單列高加運行業績相對較少；日本超臨界和超超臨界電廠600MW級以上的大型機組多配置單臺容量為50%（雙列）高壓加熱器；歐洲600MW級以上的超臨界和超超臨界電廠大多配置單臺容量為100%（單列）高壓加熱器。

二次再熱增加了一級再熱，初參數更高，各級抽汽的參數及給水壓力與一次再熱相比都有了一定提升，對高壓加熱器的設計技術和制造水平提出了更高的要求。本文主要研究1000MW二次再熱高壓加熱器的選型研究。

2　加熱器的功能及配置

2.1加熱器的功能

加熱器的功能是利用在汽輪機內做完部分功的蒸汽，抽出其中一部分到回熱系統加熱器中用來加熱通往鍋爐的給水，提高給水的溫度，減少進入凝汽器的排汽量，達到提高機組循環熱效率，節省燃料的目的。

高壓加熱器是火電機組回熱系統的關鍵設備，對提高機組熱效率發揮著重要作用。高加的容量及工作參數隨著機組容量及初參數的不斷提升而提高，其設計制造難度也越來越大，已經成為制約火電機組進一步升級的關鍵因素之一。

2.2高壓加熱器容量的配置

國內外超臨界及超超臨界800～1000MW級電廠高壓加熱器的運行業績見表1。

表1　800～1000MW級高壓加熱器的運行業績

從表1看大容量超超臨界一次再熱機組高加單雙列均是可行的，目前國內在建或投運的1000MW二次再熱均采用雙列高加。

3　加熱器的結構型式及組成

加熱器有兩種基本結構型式，即表面式和混合式兩種?；旌鲜郊訜崞魇羌訜嵊玫恼羝苯优c通過加熱器的鍋爐給水相接觸，加熱蒸汽和溫度較低的鍋爐給水接觸后自身凝結成水，并將凝結放熱傳給鍋爐給水，使給水溫度升高，提高機組循環熱效率。表面式加熱器是通過受熱面的金屬管壁傳遞給管內的鍋爐給水，由于存在傳熱端差，所以蒸汽熱量在傳遞過程中有損失。雖然表面式加熱器比混合式加熱器傳熱效果差，但由于表面式加熱器組成的回熱系統簡單，運行可靠和維修方便，所以在汽輪機回熱系統中得到廣泛采用。

加熱器采用表面式換熱形式，根據換熱管的形狀可分為U型管、蛇形管。

U型管加熱器的管程及殼程是通過管板實現分隔的，管程為二程；而蛇形管高加的集管和管子將給水和蒸汽分隔在2個獨立腔室里，管子通常在殼體內彎成三程或四程。高加主要由水室、換熱管系、外殼、支座四大部分組成。

（1）水室

水室為半球型封頭加自緊密封人孔結構。水室內部裝分程隔板組件，給水進口端的換熱管裝有不銹鋼防沖套管。水室封頭上部設啟動放氣口，并兼作設備出廠前及現場水壓試驗滿水檢查和運輸存放期間充氮保護用接口。水室封頭底部設放水口，供水壓試驗后排水和停機檢修排水用。

水室分程隔板組件由水室隔板、三塊蓋板（左、中、右）、門板及緊固件等組成，蓋板與門板的連接采用螺紋連接形式，通過通用工具即可實現水室進出水兩側的檢修。

（2）換熱管系

加熱器采用表面式換熱型式，根據換熱管的形狀可分為“U”型管、螺旋管（又稱為盤香式管或蛇形管）。

螺旋管式的加熱器加工制造復雜、水阻大，而且成本比較高。U型管加熱器的管程及殼程是通過管板實現分隔的，在機組熱啟動時加熱器的殼體及管板之間應力較大。

大型機組高壓加熱器換熱管基本上都采用碳鋼管，國內的600～1000MW超（超）臨界機組高壓加熱器都采用碳鋼管作為傳熱管。雖然不銹鋼管相對于碳鋼管其防沖蝕、防腐、耐高溫的性能更好，但不銹鋼傳熱管價格昂貴，傳熱系數低，許用應力小。從金屬的導熱率上，碳鋼的導熱率為49 W/m.℃，而不銹鋼的導熱率僅為17 W/m℃，在同等參數情況下，碳鋼管加熱器所需換熱面積要比不銹鋼少20%～30%，因此不銹鋼加熱器體積、重量均遠遠大于碳鋼管加熱器。對于二次再熱汽輪機參數為600℃/620℃/620℃的機組，其高壓加熱器的管側設計溫度最高不超過340℃，而HEI標準推薦的碳鋼傳熱管（SA-556C2）的最高使用溫度可達425℃，遠大于高壓加熱器的管側設計溫度。從制造工藝上，碳鋼管束具有較成熟的制造工藝經驗，也有較好的使用業績，而不銹鋼管束用在高加上，目前尚無成熟的制造工藝。因此，碳鋼管完全可以用作超超臨界機組高加的傳熱管。

目前國內外用的最多的換熱管的形狀為“U”型管，由管板、U形管、隔板（折流板及支撐板）、定距管、拉桿、中心管式抽空氣管（不凝氣體抽出管）、管束抗振結構等組成。

U形管選用成型優質碳鋼管材料SA-556C2，這是美國ASME標準中加熱器專用鋼管，國內各個加熱器廠家普遍選用此材料。換熱管采用100%無損檢測，逐根進行水壓試驗，并進行消除應力熱處理。脹接采用液壓脹，焊接采用自動氬弧焊，焊后進行高靈敏度氦檢漏，保證換熱管與管板連接和密封可靠。

為了減少高壓加熱器管板的熱應力，在高壓加熱器過熱段采用了封閉式的包殼，使過熱蒸汽與管板不接觸，使管板兩側的溫差降到最小，從而可以減少熱應力對高壓加熱器管板的影響。

在蒸汽入口和上級疏水入口處均設置不銹鋼擋板，分別防止蒸汽和上級疏水直接沖刷傳熱管。

（3）殼體

殼體由筒節、筒身、封頭和若干管接頭組成。各高加殼體均設置蒸汽進口、正常疏水出口、危急疏水出口、殼側安全閥接口、運行排氣口、啟動放氣口、啟動放水口等。

高加過熱段筒節根據加熱蒸汽的溫度，選擇相適應的材料。外殼受壓部件間的焊接均采用雙面、全焊透型式。殼體管座均采用厚壁管整體補強。

（4）設備支座采用鞍式支座

通常每個加熱設置有一個固定支架和兩個滑動支架，一只固定支座位于管板下側、兩只滾動支座分別位于外殼尾部和中部。兩支滾動支座均配有特制滾輪，現場安裝時，僅裝靠近外殼尾部的滾輪。檢修、殼體移出時才將外殼中部的滾動支座的滾輪裝上。

圖1　水室結構圖

4　1000MW一次再熱與二次再熱機組高加設計參數差異

1000MW一次再熱與二次再熱高加參數分別見表2、表3。

表2　1000MW一次再熱高加設計參數（3高加+1前置蒸汽冷卻器）

表3　1000MW二次再熱高加設計參數（4高加+2前置蒸汽冷卻器）

從表2、表3可以看出，二次再熱增加了一級再熱，初參數更高，各級抽汽的參數與一次再熱相比都有了一定提升，管側的設計壓力由39 MPa提升到了44 MPa，最高殼側壓力從9.27 MPa提升至13.3 MPa，溫度最高的前置蒸汽冷卻器殼側設計溫度從483℃左右提升至552～565℃，最高管側設計溫度從335℃提升到350℃。

5　1000MW機組二次再熱單列高壓加熱器加工制造情況

從上述參數變化情況分析，1000MW二次再熱單列高加設計制造的關鍵課題有：

（1）材質對參數提升的適應性。

（2）管板、封頭、殼體厚度增加導致的加工裝備制約和采購可得性。

（3）厚度增加導致的溫度應力分析及變工況運行適應性。

（4）異種鋼焊接及熱處理方案可行性。

（5）工廠起吊和大件運輸的解決方案。

5.1國內三大主要高加制造廠情況

5.1.1上海動力設備有限公司

上海動力設備有限公司（技術源于美國F.W.）是國內具有制造大型高壓加熱器能力的制造廠，是國內最早具備生產1000MW機組單列高加的制造商，為外高橋三期工程設計制造的100%容量、臥式U型管高加，是利用引進的美國F.W.公司技術自行設計制造；目前也是1000MW二次再熱機組高加的唯一投運業績的廠家，其制造的二次再熱機組泰州二期高加已經開始投運。

針對二次再熱機組高加設計制造中的難點給出的意見如下：

（1）二次再熱單列高加的管板材料擬采用20MnMo，經強度核算管板的有效厚度超過GB150.2 表9 《碳素鋼和低合金鋼鍛件許用應力》20MnMo鋼最大公稱厚度700 mm的要求。因此，設計采用的許用應力缺乏標準依據。

因管板規格已超過標準規范，鋼廠能否提供超標準的材料，上動采購部門正在征詢中。

超過標準的材料需向國家質檢總局提供文件與本規程基本安全要求的符合性申明，申報備案，能否批準有著不確定的因素。設備制造、現場安裝需向所在地國家質檢局監檢。

（2）半球形封頭材料擬采用13MnNiMoR，封頭的工藝厚度～170 mm，材料門幅展開尺寸超標不能滿足。

由于球形封頭、管板壁較厚，封頭與管板連接處易產生裂紋，針對高加關鍵部件進行了強度計算及球形封頭與管板連接處的有限元應力分析計算，認為設備運行中溫度控制要求高、風險難以控制。

（3）二次再熱高加的U形管材料牌號與一次再熱相同，強度能夠滿足要求；蛇形管方案需要技術引進目前溝通中，希望下一步能通過蛇形管的引進，增加二次再熱單列高加設計生產的可行性。

最終給出的結論：目前設計、制造二次再熱單列高加的材料采購條件不夠成熟，設備運行中溫度控制要求高、風險難以控制，不建議采用單列模式。

5.1.2東方鍋爐廠有限公司

東方鍋爐廠有限公司依托引進技術（日本日立技術），積極進行全容量高加的研發。經過對1000MW二次再熱機組單列高加設計參數、系統配置、管板封頭及殼體材料選擇、殼體和管板異種鋼焊接處理、啟停及變工況運行溫度應力分析、管板鉆孔厚度精度等裝備能力、鍛件材料采購可得性、工廠加工起吊能力、高加外形尺寸及重量對工程運輸能力要求等方面的深入研究論證和設計研發，證明1000MW二次再熱機組采用單列高加技術上是可行的。

東鍋認為對二次再熱機組而言，無論單列還是雙列高加，對材料的要求是一致的：半球形封頭材料擬采用13MnNiMoR與上動一致；管板材料擬采用20MnMoNb鍛件，認為20MnMoNb比20MnMo許用應力約高30%，具有更好適應性；換熱管道亦采用U型管；其他部分材質基本與上動一致。

針對二次再熱機組單列高加，東鍋主要材料加工情況為：管板材料選擇為20MnMoNbⅣ級鍛件，國內如無錫宏達、一重、二重等廠商均可以實現鍛造。管板毛坯需要起吊能力39 t，我公司擁有75 t跨可以滿足管板的起吊。

管板初車在5M立車上加工。

管板孔采用我公司進口數控深孔鉆，該設備數控深孔鉆最大鉆孔深度1100 mm，鉆孔直徑12～40 mm，水平移動有效鉆孔范圍為4 m，垂直有效鉆孔范圍為3.8 m，完全可以保證管板的鉆孔加工。東鍋二次再熱單列高加方案的管板采用20MnMoNb材料，可研階段設計與目前已投運的外三、平二采用的20MnMo厚度相當（均為總厚800），鋼種類別均為碳錳鋼，膨脹系數相當，其余筒體壁厚也基本相當。加熱器啟停時，溫升、溫降控制速率參照外三、平二項目運行經驗，完全可以保證設備的安全運行。

水室封頭采用13MnNiMoR，認為對該板材采用定尺采購，整板沖壓成形，不拼接，熱沖壓后進行正火加回火熱處理，國內舞陽鋼廠可以供貨。與管板連接采用窄間隙對接連接，并進行熱處理，作100%RT和100%UT檢測，管板與封頭對接處采用內碗形設計、合理設計管板轉

角處尺寸設計，可以降低應力集中的問題。

東鍋最終給出的推薦意見：1000MW機組二次再熱單列高加在設計、關鍵部件材料采購、加工、制造均沒有制約性的因素， 東鍋等生產廠家已經完全具備這樣的能力。1000MW二次再熱機組采用單列高加是完全可行的。但是設計采用的許用應力缺乏標準依據，其未能給出明確答復，需要進一步考證。

5.1.3哈爾濱鍋爐廠有限公司

哈爾濱鍋爐廠也依托引進技術（日本東芝技術），積極進行全容量高加的研發，目前百萬機組一次再熱機組已有臺二的訂貨業績。針對二次再熱1000MW單列高加，其管板及封頭的材料選擇基本與東鍋一致，換熱管道亦采用U型管。

哈鍋認為管板材料的采購、加工和起重能力能夠滿足單列高加球形封頭要求。球形封頭與雙列高加相比較，厚度增加30 mm左右，球形封頭與管板采用焊接。球形封頭及管板的受力會采用應力分析，避免局部高應力的產生。但是也認為：設備筒身、球形封頭、管板厚度大，如管板、球形封頭的材料厚度往往超出了標準規定的范圍，需要單獨采購。

因此，1000MW的二次中間再熱高壓加熱器設計制造在技術上是可行的，但是對于板材的選擇及壁厚超標問題，亦不能給出明確答復。

5.2國外主要高加制造廠情況

歐洲600MW 級以上的超臨界和超超臨界電廠大多配置單臺容量為100%（單列）高壓加熱器。單列高加大多采用蛇形管高加，其中德國DB公司為主要生產廠家。

蛇形管高加的集管和管子將給水和蒸汽分隔在2個獨立腔室里，管子通常在殼體內彎成三程或四程。

圖2　蛇形管高加基本結構

相比U形管高加，蛇形管高加的優點主要體現在以下幾個方面。

（1）蛇形管高加抗熱沖擊能力較高

大型機組高壓加熱器的設計壓力等參數較高，若采用管板式U形管高加，通常需要較大的管板直徑和厚度，機組的啟停會造成較大的熱應力引起殼體和管板連接處的熱裂紋。蛇形管高加的集管厚度一般在70～120 mm，僅有管板厚度的15%左右，具有較好的抗熱沖擊性能，未有過熱疲勞斷裂情況，提高了溫升速率限制和變工況運行次數。U形管高壓加熱器允許的溫升速率限制為5～10 K/min，設計壽命小于15年；蛇形管高壓加熱器允許的溫升速率大于＞25 K/min，設計壽命達35～50年。

（2）可靠性高，運行壽命較長

通常蛇形管高加可以運行50年以上，管子損壞率極低。據BD公司統計，從1935年開始生產的1200臺蛇形管高加超過100萬根管子的損管率僅為0.013%，過去40年中僅有30根損壞，其中第一根管子損壞發生在運行20年后。

蛇形管高加目前國內無制造廠家，部分廠家已經在引進技術，上海電站輔機廠引進德國DB公司技術已經簽訂國內合同，即將進行生產制造環節，除第一臺蛇形管完全在DB公司生產，國內組裝外，第二臺由上海電站輔機廠生產，DB公司技術指導， 隨后蛇形管高加將完全在上海電站輔機廠自主生產，其價格將大幅度減少，為1000MW二次再熱機組單列高加選擇創造有利的條件。

圖3　U形管高加和蛇形管高加熱應力分布

6　選型參考意見

對于汽輪機參數為31 MPa（a）/600℃/620℃/ 620℃的超超臨界二次再熱機組，其高壓加熱器的管側設計溫度仍在350℃以下，而采用U型管技術的SA556GrC2材料的最高使用溫度為800℉（427℃），遠大于高壓加熱器的管側設計溫度。從制造工藝上，碳鋼管束具有較成熟的加工制造工藝，也有較多的使用業績，因此碳鋼管可以用于超超臨界二次再熱機組高壓加熱器。

由于與1000MW超超臨界一次再熱機組相比，1000MW超超臨界二次再熱機組的給水設計壓力更高，對高壓加熱器的設計技術和制造水平提出了更高的要求。對1000MW超超臨界二次再熱機組高壓加熱器采用單列和雙列配置，各主要制造廠意見如下：

（1） 上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠：建議采用雙列高壓加熱器。如采用單列高壓加熱器，一是管板采購困難，質量控制無保證，同時存在超出規范的問題（GB 150中20MnMo厚度700 mm以上查不到許用應力）；二是市場調研表明厚度170 mm的封頭板材可以采購到，但沖壓不出來；三是汽側存在厚壁筒體問題，如果涉及到進口材料，汽側封頭需要在國外壓制。

（2）哈爾濱鍋爐廠有限責任公司：雖然推薦采用單列高壓加熱器，但認為設備直徑大，水室半球形封頭和管板厚，板材和鍛件采購困難，制造難度大。

（3）東方鍋爐股份有限公司：推薦采用單列高壓加熱器，可以節省占地面積、方便系統控制、優化熱經濟效益，且單列高壓加熱器本體成本比雙列高壓加熱器略低1%～2%，機組整體造價應比雙列配置方案低；設備的制造與組裝全部在其新建成的德陽核電、輔機、容器制造基地完成，球形封頭考慮熱壓成型，外委廠家進行沖壓。但至今還沒有二次高壓加熱器設計和供貨業績，在二次再熱機組雙列高加還未完成設計的情況下，就認為具備單列能力，需要一定的評估。

蛇形管高壓加熱器由于技術引進的專利費用較高，同時其制作工藝相對復雜，因此其價格為同等容量單列、U形管高壓加熱器的約1.5倍，如果采用整套進口的蛇形管高壓加熱器，其價格為U形管高壓加熱器的3倍以上，但是隨著蛇形管高壓加熱器引進消化吸收，其價格將進一步下降至可控范圍。

目前國內正在實施的國電泰州和華能萊蕪1000MW超超臨界二次再熱機組均采用雙列高壓加熱器（均由上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠供貨），結合各主要制造廠的咨詢意見，以及泰州二期高加已經投運情況；同時結合國外高加配置及運行情況。推薦二次再熱1000MW高壓加熱器的選型：若選用現有U型管技術，建議采用雙列配置，以保證機組運行安全性；若采用蛇形管技術，建議采用單列配置。

［1］ GB 50660-2011，大中型火力發電廠設計規范［S］.

［2］ GB150-2011，壓力容器［S］.

［3］ GB151-1999，管殼式換熱器［S］.

［4］ GB50764-2012，電廠動力管道設計規范［S］.

HP-heaters Selection Research of 1000MW Double Reheat Unit

WANG Ya-jun， ZHU Jia-qi， LI Lin， CHENG Ren-jie
（East China Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200063， China）

The article describes the configuration of domestic and foreign HP-heaters for 1000MW units. The HP-heaters configuration of double reheat units is analyzed and technology comparison of single or double row HP heater configuration. A scheme of HP-heaters is proposed for double reheat units.

double reheat； 1000MW； HP-heaters； single double raw.

TM621

A

1671-9913（2016）03-0001-06

2016-02-17

王亞軍（1974- ），男，安徽舒城人，高級工程師，從事電站熱機專業的設計。