二次再熱機組高壓加熱器及蒸汽冷卻器的設計研發

胡 方

(上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海 200090)

二次再熱機組高壓加熱器及蒸汽冷卻器的設計研發

胡 方

(上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海 200090)

采用二次再熱技術的超超臨界機組，是燃煤機組中技術含量與運行效率較高的大容量機組。在二次再熱燃煤機組中，高壓加熱器和蒸汽冷卻器是工程配套中重要的輔機設備。介紹了二次再熱系統中高壓加熱器及蒸汽冷卻器的結構設計，以及對特殊材料的選用，并提出了確保設備安全運行的主要措施。

高壓加熱器； 二次再熱； 蒸汽； 冷卻器； 雙列； 設計； 冷卻段； 材料

0 概 述

二次再熱技術是利用汽輪機(高壓部分)內膨脹至某一中間壓力的蒸汽全部引出，再進入鍋爐的再熱器，通過再次加熱，然后回到汽輪機(中壓部分)內繼續作功。排汽經過二次再熱器加熱后，繼續進入汽輪機的二次再熱中壓部分內膨脹做功。

二次再熱機組是當今燃煤機組中技術含量較高的機組。由四級高壓加熱器(內設疏水冷卻段)、一級除氧器和五級低壓加熱器組成的十級回熱系統，汽機的2個低壓缸排汽被排入凝汽器。由于采用二次再熱技術，蒸汽參數比常規機組高許多，因此，在設計高壓加熱器和蒸汽冷卻器等設備時，對于設備的選材和制造，均遇到相當多的困難。

1 高壓加熱器與蒸汽冷卻器的作用

高壓加熱器的作用，是利用汽輪機的抽汽加熱鍋爐給水，可提高機組的熱效率。蒸汽冷卻器的作用，是利用給水加熱系統中該級蒸汽較高的過熱度，加熱末級高加的給水，以進一步提高給水出口溫度，從而提高機組的熱效率。

高壓加熱器和蒸汽冷卻器均采用U形換熱管，管程為雙流程，水室采用自密封結構。

2 高壓加熱器系統

二次再熱高壓加熱器系統，主要由雙列串聯布置的高壓加熱器與外置蒸汽冷卻器組合而成。每列有4臺高壓加熱器和1臺蒸汽冷卻器。雙列布置共計有10臺設備，如圖1所示。

圖1 高壓加熱器系統的布置

3 主要技術參數

根據二次再熱機組的運行工況，選定的高壓加熱器及蒸冷器的技術參數，如表1所示。

4 研究方向與關鍵技術

4.1 設計方案及換熱性能

4.1.1 高壓加熱器的設計研發

設備的熱工性能需要綜合考慮換熱效率與阻力的影響，通過結構迭代的方式，在蒸汽冷卻段和疏水冷卻段內選擇最佳的橫向與縱向流速，可提高傳熱效果，并降低流動阻力。設計中，對管系進行周密的振動計算，防止高加管束在不同工況下發生共振現象，從而影響換熱管的使用壽命。

鑒于二次再熱機組管側的設計壓力高達44 MPa，所以，高壓加熱器換熱管選用規格為?16 ×2.7/2.9的厚壁管。為此，通過工藝試驗，確定了厚壁管的脹接形式及脹接參數，提高了脹接接頭的密封壓力和拉脫力，確保管子與管板連接的可靠性。同時，1號高加的設計壓力高達13.3 MPa，設計溫度為460℃，短接直徑為2 000 mm，設計厚度達140 mm，在軋制短接筒身時較為困難，為了便于生產制造，還對高壓加熱器的設計方案進行了優化。

4.1.2 高壓加熱器的結構設計

采用我公司專有的熱力計算程序，根據機組的熱力平衡圖，按設計工況進行了熱力性能計算，確定了管束中各換熱段的換熱面積。由于系統中增加了兩級蒸汽冷卻器，考慮其中1臺對應的高壓加熱器過熱度不夠，為保證高壓加熱器和蒸汽冷卻器的匹配性和安全性，研發后發現，在系統中的3臺高壓加熱器內，可設置過熱蒸汽冷卻段(簡稱蒸冷段)、凝結段和疏水冷卻段(簡稱疏冷段)三個傳熱區段，而在1臺高加內，只能設置凝結段和疏冷段。

4.1.3 非正常運行工況下的校核

設計高壓加熱器時，除了滿足換熱性能的要求外，還需考慮設備的安全性。在各種工況下，高壓加熱器蒸冷段面積的大小，將影響設備運行的安全性。

高壓加熱器及蒸汽冷卻器的設計方案，一般按TMCR或VWO工況進行設計。為滿足此類工況計算所得的換熱面積(包括蒸冷段面積)比低負荷工況下所需的換熱面積大很多。但在低負荷運行工況下(介質流量、溫度、壓力均遠低于設計工況)，經校核發現，按設計工況設計的蒸汽冷卻器面積較大，如果在低負荷工況下，將使蒸汽的出口溫度降低，甚至有可能低于低負荷工況下在平衡圖上蒸冷器的蒸汽出口溫度，這樣其對應高壓加熱器的過熱度也隨之降低，蒸冷段面積的余量更大。高壓加熱器的蒸冷段面積余量過大，將在高壓加熱器蒸冷段的出口處出現汽水混流現象，會沖刷換熱管，引起管束振動，造成加熱器損壞。

表1 高壓加熱器及蒸冷器的技術參數

序號項目4號蒸冷器2號蒸冷器1號高加2號高加3號高加4號高加1加熱器殼側設計壓力/MPa2.477.6113.307.614.452.47設計溫度/℃565545460/340350/295465/260350/2302加熱器管側設計壓力/MPa444444444444設計溫度/℃3453603402952602303換熱管材料SA556GrC2

在二次再熱機組中，還有前置蒸冷器的高壓加熱器，如果過熱度偏低，會導致該高壓加熱器的蒸冷段出口處，出現汽水混流現象，導致換熱管沖刷減薄，或引起管束振動使換熱管損壞，影響加熱器的使用壽命。

4.2 蒸汽冷卻器的設計要點

4.2.1 蒸汽冷卻器材料的選用

在設計百萬火電二次再熱機組蒸汽冷卻器時，由于蒸汽冷卻器的運行溫度和壓力遠高于常規的百萬級機組，所以，選用的材料要具備耐高溫、耐高壓的性能。同時，在較高的溫度下，材料還應具有較高的許用應力值。如果材料的高溫性能低，所需筒體材料的厚度就較大，增加了材料在卷制、焊接、熱處理等加工制造中的難度。

蒸汽冷卻器的最高設計溫度為565℃。常規選用的耐熱鋼的溫度在565℃以下，如15CrMoR材料，但許用應力較低，無法滿足設計和制造要求。如果按GB150-2011標準進行選用，選用在該溫度下仍舊具備較高許用應力的Cr-Mo鋼，如12Cr1MoVR或12Cr2Mo1R材料，則殼側筒身的計算壁厚值，超過GB150.2-2011標準中規定的低合金鋼鋼板的許用范圍。故選用ASME標準中的材料SA387Gr91CL2鋼板制造蒸冷器的殼體筒身。12Cr2Mo1R及12Cr1MoVR鋼板的許用應力，如表2所示。SA387Gr91CL2鋼板的許用應力，如表3所示。

表2 12Cr2Mo1R及12Cr1MoVR鋼板的許用應力

牌號厚度/mm在各溫度下材料的許用應力/MPa500/℃525/℃550/℃575/℃12Cr2Mo1R6～1508961463712Cr1MoVR6～10095825941

表3 SA387Gr91CL2鋼板的許用應力

牌號厚度/mm在各溫度下材料的許用應力/MPa500/℃525/℃550/℃575/℃SA387Gr91CL2≤7512611710788.5>7512611810380.6

國內在壓力容器上使用SA387Gr91CL2材料，尚為首次。為此，需對該材料的化學成分含量及熱處理方式做出嚴格規定，并完成使用新材料的評審工作。

4.2.2 蒸汽冷卻器的設計方案

通過對蒸汽冷卻器不同蒸汽流道的研究，在綜合考慮各種因素后，確定了2臺蒸汽冷卻器各自的最佳設計方案。在設計方案中，既降低了殼側的壓力損失，又提高了蒸汽冷卻器的傳熱性能。

4.2.3 蒸汽冷卻器的結構設計

二次再熱蒸汽冷卻器的運行參數高于常規機組，管程與殼程的溫差更大。在運行狀態下，由于管板與遮熱板區域內存在的溫差，引起的熱膨脹差較大，使換熱管根部產生的熱應力分布狀態與常規機組相比，更為惡劣。故應按JB4732-2005標準，對該處熱應力進行應力評定及疲勞評定。確定遮熱板區的結構和尺寸，以解決高溫差引起的局部應力變化。

同時，由于蒸汽冷卻器的作用相當于高加的蒸冷段，因此，控制蒸汽冷卻器殼側的流速，防止管束的振動，至關重要。為此，需對蒸冷器進行振動分析和校核，確定合理的結構，保證設備的安全運行。

5 結 語

二次再熱機組的高壓加熱器及蒸汽冷卻器的技術開發成果，已成功應用于泰州電廠二期工程2臺百萬千瓦超超臨界二次再熱燃煤發電機組。泰州項目是我國自主設計和制造的首臺超超臨界二次再熱火電機組，作為我國燃煤發電的示范項目，也是國家科技部確定的“十二五”節能減排國家科技支撐計劃項目。該項目采用了新技術，新工藝，選用了新材料，具有制造難等特點。同時，對系統配置和調試提出了更高的要求。

當前，在節能減排和降低碳排放的大背景下，二次再熱技術無疑是提高機組熱效率切實可行的有效手段，也是大型燃煤機組的發展方向，符合我國低碳環保和節能減排的要求。同樣，二次再熱技術，也可在用于其它同類機組。

[1] GB150.1～150.4-2011,壓力容器[S].

[2] ASME鍋爐及壓力容器規范,第Ⅱ卷/材料/D篇/性能[S].

[3] JB4732-2005，鋼制壓力容器應力分析法設計標準[S].

[4] HEI，STANDARDS FOR CLOSED FEEDWATER HEATERS/第8版[S].

[5] ASME鍋爐及壓力容器規范第Ⅱ卷，A篇 鐵基材料[S].

Design and Development of HP Heater and Steam Cooler for Double Reheat unit

HU Fang

(Shanghai Power Station Auxiliary Equipment Works, Shanghai Electric Power Generation Equip. Co., Ltd., Shanghai, 200090, China)

Ultra supercritical unit with double reheat technology is a large capacity unit with high technical content and high operating efficiency in the coal-fired unit. High pressure heater and steam cooler is an important auxiliary equipment in engineering supporting of double reheat coal-fired unit. The structure design of the high pressure heater and the steam cooler in the double reheat system and the selection of the special materials are introduced in this paper, and the main measures to ensure the safe operation of the equipment are also put forward.

high-pressure heater; double reheat; steam; cooler; double row; design; desuperheating zone; material

1672-0210(2017)01-0009-03

2016-02-03

胡方(1968-)，本科，高級工程師，從事電站輔機設備的設計工作。

TK264.9

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