1 000 MW二次再熱雙機回熱機組加熱器配置探討

孫德創 周雅君 楊騰

摘要：介紹了帶有雙機回熱系統的百萬二次再熱機組的加熱器配置方案，對加熱器型式、布置方式進行了方案比選，提出了適應性強、可靠性高、經濟性好的配置方案，對同類機組的加熱器選型具有一定的參考意義。

關鍵詞：單列布置;蛇形管加熱器;混合式加熱器

0? ? 引言

隨著資源日益緊缺和環境污染加劇，保障煤電清潔高效利用與高質量生存發展迫在眉睫。在新的歷史條件下，以節能減排技術為核心，開發高效率高參數的汽輪機設備成為電力行業不可推卸的歷史使命。從國內外的發展情況來看，大容量高參數超臨界和超超臨界機組是目前世界火電發展的重要趨勢[1]。

對于超超臨界機組，由于蒸汽參數較高（尤其是再熱蒸汽），導致超高壓缸、高壓缸抽汽過熱度較高，若將抽汽直接用于回熱加熱器的加熱汽源，將產生較大的不可逆損失[2]。目前行業內對于這一問題的解決辦法主要有兩種：一種是給在再熱后的部分抽汽增設外置式蒸汽冷卻器，來降低回熱抽汽的過熱度;另一種是采用特殊的熱力系統結構——雙機回熱系統，此方法理論上能夠大幅降低再熱后所有回熱抽汽的換熱過熱度，可以大幅提高回熱抽汽能級利用效率。

1? ? 雙機回熱系統

百萬二次再熱機組雙機回熱系統示意圖如圖1所示。部分超高壓缸排汽作為小汽輪機的進汽，小汽輪機抽汽代替高壓缸、中壓缸抽汽，作為回熱系統的熱源蒸汽，加熱給水。小汽輪機設置6段抽汽，分別加熱2號、3號、4號、5號、6號高壓加熱器中的給水和除氧器中的凝結水，小機排汽進入8號和9號低壓加熱器。8號低壓加熱器進汽部分通過管道連通9號低壓加熱器，剩余的排汽溢流進入9號低壓加熱器。

以小機抽汽代替主機抽汽，加熱回熱系統有以下優點：

（1）解決常規系統下再熱后抽汽溫度高、過熱度增大的問題，化解高壓加熱器高溫風險，提高系統安全可靠性，也降低了熱耗，提高了能源利用率。采用雙機回熱方案可使當前的超超臨界1 000 MW機組發電效率提高約0.23%，熱耗降低30～35 kJ/kWh[3]。

（2）與常規系統相比，減少了主機一次再熱、二次再熱蒸汽流量，再熱管道等尺寸變小，節省了造價，提高了安全性。

（3）取消了外置蒸汽冷卻器，節省了設備投入，提高了熱力循環能級效率，安全性提高。

（4）主機無抽汽、汽缸無開孔，有利于提高高中壓模塊安全可靠性，提高了汽機高、中壓缸效率。

（5）回熱式小汽機除了驅動給水泵外，還有小電機發電，供廠用電等使用，降低了廠用電率[4]。

2? ? 雙機回熱系統設計方案

對于百萬級二次再熱機組，與常規機組相比，又增加了一次再熱，機組初參數更高，各級抽汽參數、給水參數與常規一次再熱相比，也會提高，這對高壓加熱器的選型和設計就有了更高的要求。

2.1? ? 布置方式

目前高壓加熱器配置方式一般有100%容量單列和50%容量雙列兩種。國內1 000 MW級超超臨界參數機組對于以上兩種方式均有運行業績，單列高加運行業績相對較少;日本超臨界和超超臨界電廠600 MW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600 MW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[5]。

單雙列高加優點分別如下：

單列布置優點：

（1）對于高壓給水系統，布置相對簡單，管道少，配套閥門和相應的儀表控制數量也少;

（2）減少了管道阻力損失和設備維護工作量[6];

（3）節省廠房用地，減小投資;

（4）有利于給水泵組等其他設備的靈活布置。

雙列布置優點：

（1）因為只有50%容量，加熱器本體換熱面積小、體積小，設計制造容易;

（2）汽、水容量大，受熱沖擊、流體誘導振動、局部應力集中、大流量的疏水波動等影響大;

（3）如果系統出現問題，可以只解列一列，對鍋爐的給水進口溫度不會造成很大沖擊，有利于保證鍋爐的運行安全。

對于1 000 MW雙機回熱機組來說，回熱系統設6級高壓加熱器，若采用雙列高加布置，整個系統會非常復雜，占地面積大，投資也會大大增加。所以，建議本文中機組選用單列高加布置。對于單列布置一旦出現問題就會解列全部高加，對機組運行影響大的缺點，可采用高加三三分組切除或兩兩分組切除的小旁路設計，當任何一臺高加因為事故停運時，只需要切除同組的高加，其他正常運行。

2.2? ? 高壓加熱器結構形式

現代大型火力發電機組的回熱系統中，高壓加熱器使用的結構型式通常有兩種：U形管式和蛇形管式。

早期傳統的高壓加熱器大多采用U形管式，U形管式高壓給水加熱器主要由管系、水室、殼體三大部件組成[7]，其結構示意如圖2所示。由汽機抽汽來的高壓蒸汽首先進入加熱器的“過熱蒸汽加熱段”，沿“S”形管道流動，給水通過管板進入U形管，與管外蒸汽進行對流換熱，蒸汽經過飽和蒸汽冷凝段、疏水冷卻段后逐漸成為疏水，給水在U形管中被加熱后經出水室混合進入上級加熱器，正常和事故疏水調節裝置能自動維持加熱器水位正常。

蛇形管式加熱器結構示意圖如圖3所示，它的主要組成部分有殼體、蛇形管束、集管。殼體兩端分別有一個給水進口集管和給水出口集管，集管之間用蛇形管相連，蛇形管是蒸汽凝結段，給水通過集管進入蛇形管，與管外蒸汽進行對流換熱，經過三四個流程后，通過出口集管流出。集管的材質多為厚壁鍛件，集管上分布著與蛇形管數量相同的小接管，每個小接管均與蛇形管對接[8]。

U形管加熱器與蛇形管加熱器優缺點對比如下：

（1）外形尺寸方面，U形管流程簡單，占廠房空間小，布置緊湊;蛇形管體積相對更大，重量更重[9]。

（2）受力情況方面，U形管采用傳統管板形式，管板與水室封頭連接處所受應力較大;蛇形管采用獨特的集管結構，能夠很好地將受力均勻分布。

（3）熱適應性方面，U形管管板和水室相對厚重，抗熱沖擊性小;集管厚度與之相比大大減小，在抗熱沖擊性能方面有更好的表現，能很快適應溫升，也能實現更多的變工況運行次數。

對于百萬二次再熱機組來說，給水壓力一般能達到45 MPa，對于帶有雙機回熱系統的機組，熱源抽汽達到400～450 ℃以上，加熱器承受的溫度變化范圍和速率都比傳統機組相對更大。為了確保高壓加熱器的可靠性，本項目推薦蛇形管加熱器。

2.3? ? 回熱小機末級低加選型

按傳熱方式不同，回熱加熱器分混合式和表面式加熱器兩種。在常規的火力發電廠回熱系統中，除了除氧器采用一臺混合式加熱器外，其余加熱器均為表面式[10]。除氧器后的8號低加，熱源進汽是雙機回熱系統中小汽輪機背壓排汽，此級加熱器除了預熱凝結水外，還有冷卻小汽輪機排汽、維持小機背壓的重要作用。因此，8號低壓加熱器的選型與其他低加有所不同。

在混合式加熱器中，加熱蒸汽與給水直接接觸，將熱量傳遞給給水，從而提高給水溫度。由于加熱蒸汽與給水之間沒有溫差，可以將給水加熱到加熱蒸汽壓力下的飽和溫度，換熱效果好，熱經濟性高[11]。除此之外，混合式加熱器還有以下特點[12-13]：

（1）由于不采用管束，金屬耗量低，造價小;

（2）沒有金屬傳熱面，降低了給水中金屬含量高的可能性;

（3）構造簡單，維護方便;

（4）便于匯集不同壓力和溫度的疏水和蒸汽;

（5）水箱容積大，水位易于控制，壓力波動小。

綜上，混合式加熱器換熱效率高，水箱容積大，在穩定小機背壓方面具有明顯優勢，在金屬耗量、制造、投資以及匯集各種汽、水流等方面也都有優勢。

由于在混合式加熱器中，凝結水壓力最終將與加熱蒸汽壓力一致，故為了保證凝結水及給水壓力，需在混合加熱器后配置升壓泵，使給水逐級流動。

3? ? 結語

綜合以上分析比較，對于百萬級二次再熱雙機回熱機組，考慮其回熱級數多、回熱抽汽及給水參數高等因素，選擇蛇形管加熱器作為高壓加熱器，且單列布置;考慮回熱系統末級加熱器的進汽是小汽輪機排汽，選擇混合式加熱器作為末級低壓加熱器。以上選型方案大大提高了系統的可靠性、適應能力，且在優化廠房空間、優化布置、提高運行經濟性等方面有明顯優勢，對于同類型的機組有可參考性。

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收稿日期：2019-12-10

作者簡介：孫德創（1971—），男，山東人，高級工程師，研究方向：動力工程。