百萬千瓦二次再熱機組高壓加熱器配置研究

李延雷，劉靜茹

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

百萬千瓦超超臨界一次再熱機組多采用單列U形管式高壓加熱器。對于百萬千瓦超超臨界二次再熱機組，由于其設(shè)計參數(shù)提升，加熱器設(shè)計壓力提高到約45 MPa，單列U形管式的高壓加熱器無法滿足設(shè)計要求，因而國內(nèi)投運的二次再熱機組均采用雙列U形管式高壓加熱器。隨著目前蛇形管高壓加熱器設(shè)計與制造技術(shù)的提高，使得百萬千瓦超超臨界二次再熱機組采用單列高壓加熱器成為可能［1-6］。

1 高壓加熱器配置方案

1.1 高壓加熱器結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)傳熱管形狀不同，大型火力發(fā)電機組中的高壓加熱器通常有U形管式和蛇形管式。兩種型式高壓加熱器的主要區(qū)別在于管殼程的分隔形式和換熱管的設(shè)計。兩者的主要特點比較見表1。

表1 蛇形管和U形管高加的主要特點比較

相比U形管式高加，蛇形管式高壓加熱器的優(yōu)勢主要體現(xiàn)為：1）抗熱沖擊能力高。蛇形管式高壓加熱器采用在集管上開孔來代替U形管式高壓加熱器上傳統(tǒng)的管板設(shè)計，熱應(yīng)力分布比較均勻，集管厚度一般僅有管板厚度的15%左右，見圖1，具有較好的抗熱沖擊性能，提高了溫升速率限制和變工況運行次數(shù)。2）可靠性高，檢修維護方便。蛇形管式高壓加熱器集管外形見圖2，U形管式高壓加熱器的管板與U形管采用角焊縫和脹接連接，通常采用氦檢漏，當機組頻繁啟停、熱沖擊運行中易發(fā)生管口泄漏。而蛇形管式高壓加熱器通過集管上的短接頭與蛇形管焊接連接，對焊縫進行100%射線檢測工藝，確保了焊接質(zhì)量。U形管式高壓加熱器堵管需要人進入水室內(nèi)部進行操作；蛇形高加堵管為機器臂伸入集管，人員在高壓加熱器外部操作，工作環(huán)境較好。蛇形管高加可以順利實現(xiàn)單根堵管，集箱前后均有人孔，檢修維護比U形管式加熱器有所簡化。

圖1 蛇形管式高壓加熱器集管

圖2 蛇形管式高壓加熱器集管外形

1.2 二次再熱機組高壓加熱器配置現(xiàn)狀

在1 000 MW超超臨界二次再熱機組中，U形管式高壓加熱器的管板厚度隨著設(shè)計參數(shù)的提高而顯著增加，相關(guān)試驗及制造經(jīng)驗表明，管板厚度的臨界值約為500 mm。當管板厚度超過500 mm時，瞬時溫度梯度將在管板和水室筒身連接處產(chǎn)生應(yīng)力峰值，在此連接區(qū)域容易產(chǎn)生裂紋，在啟動、汽機跳閘或者高參數(shù)運行時，加熱器遭受熱應(yīng)力沖擊。

根據(jù)目前相關(guān)制造廠提供的參考資料，管板的設(shè)計厚度隨著應(yīng)力增加而增厚，而厚度取決于設(shè)計壓力、尺寸和選材，不能無限的增加管板。U形管高壓加熱器管板見圖3，根據(jù)制造廠初步計算，單列布置的U形管高壓加熱器的管板厚度已超過700 mm，目前的設(shè)計制造能力無法實現(xiàn)，這也是U形管式高壓加熱器在1 000 MW超超臨界機組中通常采用雙列布置的原因。

圖3 U形管高壓加熱器管板

近年來，1 000 MW超超臨界二次再熱機組管程的設(shè)計壓力提高至45 MPa，設(shè)計溫度為500℃以上。設(shè)計單列U形管式高壓加熱器時，水室半球形封頭的板材規(guī)格以及管板鍛件已超過標準允許范圍，管板鍛件若采用20 MnMo鍛件，則超過GB 150.2—2011中“碳素鋼和低合金鋼鍛件許用應(yīng)力”20 MnMo材料最大公稱厚度700 mm的要求。

由此可見，隨著機組容量的增大，設(shè)計參數(shù)的不斷提高，傳統(tǒng)U形管式高壓加熱器的設(shè)計難度越來越高。在國外，考慮到熱疲勞開裂風(fēng)險和設(shè)計壽命等因素，當壓力超過35 MPa時，不建議采用U形管式高壓加熱器，而采用蛇形管式高壓加熱器。百萬千瓦二次再熱機組高壓加熱器典型運行業(yè)績見表2。

1.3 設(shè)備制造廠的加工制造能力

對于1000MW超超臨界二次再熱機組所采用的雙列高壓加熱器，由于其容量仍在U形管式高壓加熱器設(shè)計允許的臨界值范圍內(nèi)，通過技術(shù)改進、產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化等措施，國內(nèi)的制造廠也具備了一定的設(shè)計研發(fā)和制造能力。隨著國內(nèi)1 000 MW超超臨界二次再熱機組在建及投運臺數(shù)的不斷增加，雙列U形管式高壓加熱器的訂貨及運行業(yè)績也在不斷增加。

表2 百萬千瓦二次再熱機組高壓加熱器典型運行業(yè)績

國內(nèi)具備設(shè)計和制造1 000 MW機組雙列高壓加熱器能力的制造廠家主要有上海電站輔機廠 （原上海動力設(shè)備有限公司）、蘇州天沃科技有限公司（原張化機）、哈爾濱鍋爐廠、杭州鍋爐廠和東方鍋爐廠等。

國外能夠生產(chǎn)如此大容量、高參數(shù)高壓加熱器的廠家，有德國 Hamon Sobeleco、巴克-杜爾（BDT）和法國阿爾斯通等，這些制造廠家均具有設(shè)計和制造800~1 000 MW超超臨界機組單臺100%容量高壓加熱器的業(yè)績。但由于國外二次再熱實際運行機組較少，目前暫無1 000 MW超超臨界二次再熱機組單列高壓加熱器運行的實際工程案例。

經(jīng)與上述國內(nèi)高壓加熱器廠家溝通，哈爾濱鍋爐廠表示不推薦采用蛇形管式高壓加熱器，且暫時不具備該容量蛇形管高壓加熱器的加工制造條件；上海電站輔機廠表示能夠生產(chǎn)適應(yīng)該參數(shù)的蛇形管高壓加熱器，已經(jīng)擁有大唐東營2×1 000 MW新建工程超超臨界二次再熱機組（2016年）單列蛇形管高壓加熱器訂貨業(yè)績；蘇州天沃科技有限公司（原張化機）結(jié)合自主研發(fā)與技術(shù)引進，具備生產(chǎn)制造蛇形管式高壓加熱器的能力，已經(jīng)擁有廣東陸豐甲湖灣電廠新建工程2×1 000 MW超超臨界一次再熱機組（2015年）、華電句容發(fā)電廠二期工程2×1 000 MW超超臨界二次再熱機組（2016年）和華電山東萊州二期工程2×1 000 MW超超臨界二次再熱機組（2016年）單列蛇形管高壓加熱器等訂貨業(yè)績。東方鍋爐廠表示可以選用適合二次再熱1 000 MW機組的高加材料，單列U形管式和單列蛇形管式高加都有設(shè)計與制造能力。

調(diào)查表明，對于1000 MW超超臨界二次再熱機組的單列蛇形管式高壓加熱器，國內(nèi)已經(jīng)具備了一定的生產(chǎn)制造條件。由于蛇形管式高壓加熱器已在歐洲等地的電廠中運行多年，其可靠性與穩(wěn)定性得到了長期的實踐驗證，能夠滿足實際運行的要求。

2 高壓加熱器配置方案經(jīng)濟性分析

2.1 高壓加熱器設(shè)備初投資

經(jīng)過與相關(guān)設(shè)備制造廠家進行了解，對于1 000 MW超超臨界二次再熱機組，其雙列U形管式高壓加熱器的設(shè)備初投資約為6 500萬元。

對于單列蛇形管式高壓加熱器，由于目前國內(nèi)暫無實際工程運行業(yè)績，且由于該技術(shù)受到專利轉(zhuǎn)讓保護以及其他制造因素的限制，其設(shè)備初投資存在較大浮動空間。根據(jù)上海電站輔機廠的估算，其設(shè)備初投資在7 500~7 800萬元之間。而根據(jù)現(xiàn)有資料，華電句容發(fā)電廠二期工程2×1 000 MW超超臨界二次再熱機組合同中設(shè)備初投資約為7 000萬元。由于該項設(shè)備初投資參考資料較少，暫取兩臺機組高壓加熱器共7 800萬元作為計算臥式單列蛇形管式高壓加熱器初投資。

2.2 給水、疏水及抽汽系統(tǒng)管道及管件初投資

在優(yōu)化比選的過程中，對采用雙列U形管式高壓加熱器和單列臥式蛇形管式高壓加熱器的方案進行了實際的布置與比較。兩種方案的初投資如表3所示（兩臺機組）。

表3 單列與雙列高加抽汽、疏水及給水管道初投資對比萬元

由表3可知，對于采用單列蛇形管式高壓加熱器的方案，其抽汽、疏水及給水管道和閥門等初投資較采用雙列U形管式高壓加熱器降低約780萬元。

2.3 高壓加熱器配置方案經(jīng)濟性對比

技術(shù)經(jīng)濟的比較采用電力行業(yè)認可的最小年費法。其表達式為

式中：NF為年費用；f為固定費用率，電力規(guī)劃總院為了投標橫向比較有可比性，避免標準不一致，除招標書有明確指定之外，規(guī)定固定費用率統(tǒng)一取f＝0.17，至今仍可適用，因此也取 f=0.17；Z0為設(shè)備投資，但省略相同的設(shè)備運輸、安裝工程費用等；U0為運行費，按定義應(yīng)包含電耗費、小修費、用水費、材料費等。

單列蛇形管高壓加熱器和雙列U形管高壓加熱器配置方案的運行費用及初投資差異的比較見表4。

表4 高壓加熱器配置方案經(jīng)濟性對比（兩臺機組）萬元

由表4可知，采用單列蛇形管式高壓加熱器配置的方案雖然初投資較高，但考慮到U形管式高壓加熱器在電廠全壽命周期內(nèi)更換的費用，仍具有略好的經(jīng)濟性，臥式單列高壓加熱器配置方案的年費用較雙列U形管式高壓加熱器配置方案低約11萬元。

3 結(jié)語

雙列U形管式高壓加熱器技術(shù)較為成熟可靠，可切除一列高壓加熱器運行，但系統(tǒng)較復(fù)雜，且對于1 000 MW超超臨界二次再熱機組，由于給水及汽輪機回熱抽汽的參數(shù)較高，U形管式高壓加熱器的壽命及可靠性明顯低于蛇形管式高壓加熱器，后期檢修和更換加熱器的費用較高。

單列蛇形管式高壓加熱器系統(tǒng)簡單，運行及維護較為方便，運行經(jīng)濟性稍好，且單列高壓加熱器在1 000 MW超超臨界一次再熱機組中已有較多成功的應(yīng)用業(yè)績。隨著輔機生產(chǎn)能力的提高以及技術(shù)的進步，1 000 MW超超臨界二次再熱機組單列高壓加熱器的設(shè)計和制造水平將日趨成熟，能夠滿足實際工程的需要。經(jīng)過分析比較，采用臥式單列蛇形管式高壓加熱器方案的經(jīng)濟性優(yōu)于雙列U形管式高壓加熱器的方案。

蛇形管高壓加熱器在國外已有良好的運行業(yè)績，但僅局限于1 000 MW及以下容量的機組，對于二次再熱機組，國內(nèi)外尚無投產(chǎn)的業(yè)績，需要加強生產(chǎn)監(jiān)造，對蛇形管、集管和殼體等關(guān)鍵部件按行業(yè)標準、規(guī)范的要求進行沖擊、探傷等試驗，以保證設(shè)備質(zhì)量。

推薦采用系統(tǒng)簡單、運行經(jīng)濟性好、壽命及可靠性高的臥式單列蛇形管式高壓加熱器，并設(shè)置外置蒸汽冷卻器，提高給水溫度、降低機組熱耗，使機組獲得更好的經(jīng)濟性。

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