一種新型蒸汽再熱式高壓加熱器探究

國金蓮，劉鐵映，劉瑞梅

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱，150046)

0 概述

在現行火電機組中，給水加熱系統一般均為低壓加熱器+除氧器+高壓加熱器+蒸汽冷卻器的結構配置。蒸汽冷卻器幾乎成了給水系統的標配，其利用3抽蒸汽過熱度加熱末級給水，蒸汽放熱后再進入3號高壓加熱器。這套系統配置從200 MW～1 000 MW均有大量的運行經驗，應用廣泛。

蒸汽冷卻器一般為U型管式加熱器，由于其位于給水系統末端，一般抽汽和給水的溫度均較高，而蒸汽冷卻器換熱管目前仍采用碳鋼管，這對蒸汽冷卻器的可靠性提出了挑戰。此外，蒸汽冷卻器作為一臺單獨的設備，在廠房中需要一定的空間，需要用管道連接，還需配置一定數量的閥門，這些都額外增加了電廠的初投資，需進行改善。

1 蒸汽冷卻器的由來

由熱力學知，回熱系統加熱器級數越多，其效率越高，一次再熱機組高壓加熱器一般為3級，而二次再熱高壓加熱器一般為4級～5級。以350 MW一次再熱機組為例，采用汽機1～3抽汽逐級加熱給水，一般情況下均希望高壓加熱器末級的給水溫度能盡量高一些，這樣有助于提高回熱系統的熱效率，降低煤耗[1]。而高壓加熱器的傳熱特性表明，其末級給水溫度主要是由1號高壓加熱器的蒸汽壓力和溫度決定，而1號高壓加熱器的蒸汽屬于較高品質的蒸汽，一般不希望使用太多，于是采用3抽蒸汽的過熱度來加熱1號高壓加熱器后的給水的方式，使給水溫度進一步提高[2]。

理想的情況下是將1號高壓加熱器殼程設置成兩個腔室，直接將3抽蒸汽通入加熱給水，但由于3號高壓加熱器蒸汽壓力遠低于1號高壓加熱器的蒸汽壓力，這種方法是不可行的。因此傳統高壓加熱器系統都是采用獨立的蒸汽冷卻器來利用3抽蒸汽加熱末級鍋爐給水，如圖1所示。

3抽蒸汽過熱度放出的熱量相比凝結放出的熱量要少得多，即使蒸汽從500 ℃下降至300 ℃，也僅僅能使主給水有稍許提高(一般2～3 ℃)，所以蒸汽冷卻器的換熱面積通常較小。

若蒸汽冷卻器采用全流量形式(給水流量完全通過換熱管進行換熱)，當蒸汽冷卻器的換熱面積較小情況下，蒸汽冷卻器會呈現直徑很大，管束很短，導致設備呈現“短粗胖”的問題。因此蒸汽冷卻器一般均采用部分流量(一般部分流量為30～50%，)，旁路采用節流孔板進行節流的系統布置形式，有部分項目蒸汽冷卻器采用全流量，其實質也是將旁路節流孔板內置于蒸汽冷卻器水室內，換熱管內給水仍為分流量設計。

無論采用哪種形式，蒸汽冷卻器換熱管都必須承受給水的高壓，工作環境都是很惡劣的。

2 蒸汽再熱可行性分析

鍋爐再熱蒸汽是主蒸汽經過汽輪機做功后再次進入鍋爐進行加熱，以提高其溫度。

將3抽蒸汽直接通入1號高壓加熱器殼程不可行，現將經過過熱段冷卻后的1抽蒸汽通過間壁式換熱器，再次用3抽蒸汽的過熱度加熱，然后被加熱的蒸汽再次回到1號高壓加熱器加熱給水，如圖2所示。

以某350 MW超臨界機組配置外置蒸汽冷卻器部分平衡圖(圖3)為例：1號高壓加熱器的給水進入蒸汽冷卻器，利用3抽473.7 ℃的蒸汽再次加熱給水，最終給水提高至294.7 ℃。

由表1的計算可知，過熱段蒸汽出口溫度的設計值為300 ℃(按照高壓加熱器的設計理念，為了保證1號高壓加熱器過熱段出口處的干壁溫度，蒸汽出口溫度不能太低，需保證過熱蒸汽冷卻段出口處管子壁溫在蒸汽壓力飽和溫度1.1 ℃以上)，3抽加熱蒸汽溫度為473.7 ℃，假定3抽加熱蒸汽出口溫度為310 ℃，蒸汽量為38.326 t/h，1號蒸汽量為69.623 t/h，按照熱平衡核算，1抽蒸汽經過再熱后溫度為356 ℃。

表1 1號高壓加熱器過熱段熱力計算簡表

需要指出的是：在這個傳熱過程中，因部分階段3抽蒸汽溫度低于1抽蒸汽溫度，因此只能采用純逆流布置實現，如圖4所示。

由于給水經過1抽加熱后，其給水溫度為291.7 ℃，高于蒸汽的飽和溫度290.0 ℃，所以經過再熱的蒸汽再次加熱末端給水時，不必擔心蒸汽在管外發生凝結。本次分析設計值定為300 ℃(若采用純逆布置，端差為10 ℃)，給水流量為1 038.836 t/h，按熱平衡核算，給水出口溫度為294.4 ℃。由圖5可看出，在整個傳熱過程中，蒸汽的溫度一直都是高于給水的溫度，所以無論采用哪種傳熱方式(逆流或順流)均能實現。

3 外置式與內嵌式分析

通過上文分析可知，采用蒸汽再熱方法可行。

采用獨立的外置式蒸汽再熱器是一種最為直接的辦法，如圖6所示。它的結構與外置式蒸汽冷卻器基本相同，僅僅是管側介質由給水變成了蒸汽。與常規蒸汽冷卻器相比，具有如下特點：

1)管側壓力由30 MPa下降至10 MPa以下，換熱管的壁厚大大降低，可由2.5 mm降低至0.9 mm以下。

2)管板厚度大大降低，經計算，以350 MW機組為例，管板厚度可由385 mm下降至175 mm。

3)1號高壓加熱器至蒸汽再熱器的高壓管道降低至中低壓管道。

4)加熱器的材質不能采用碳鋼，應采用高一級的Cr-Mo鋼。

5)1號高壓加熱器相應地增加部分換熱面積,并且需要在1號高壓加熱器殼體上額外設置兩個接管。

6)1抽加熱蒸汽在加熱器內沖刷的流程變長，因此其阻力會相應地增大；而3抽的蒸汽在換熱管內的流速相比管道內的流速是要低一些的，其阻力并不會顯著增加。

由以上分析可知，工作壓力的降低，可使蒸汽再熱器的重量顯著降低，雖然由于溫度的提升必須提高殼體的材質，但溫度一般不會超過550 ℃，一般15CrMo鋼即可勝任。此外，換熱管又將碳鋼提升為Cr-Mo鋼，提高了管子的耐沖刷性，其工作壓力相比給水壓力更低，因此可靠性更高，不容易泄漏。

現階段現場的布置以簡易、輕量化為指導方向，上述的獨立式外置蒸汽再熱器雖然視線里輕量化，但仍然需要管道，占用場地，那么是否可以將蒸汽再熱器和1號高壓加熱器整合到一起呢？

如圖7(作者提出的一種新型加熱器)所示，1抽蒸汽在過熱蒸汽冷卻段(DSZ) A被給水冷卻后，通過蒸汽通道進入尾部的再熱區域，被3抽的蒸汽重新加熱后，再通過蒸汽通道進入過熱蒸汽冷卻段(DSZ) B進一步加熱給水。這個加熱器把1號高壓加熱器和蒸汽再熱器合二為一，簡化了系統布置，節省汽機廠房空間和管道。該加熱器總重量為69 t，而采用常規的外置式蒸汽冷卻器方案，1號高壓加熱器+蒸汽冷卻器共81 t，可見節約成本明顯。

對于二次再熱機組，由于一般蒸汽冷卻器是2臺，若采用雙列布置方案，則可以將1A和1B高壓加熱器分別按上述方案進行設計，2抽和4號蒸汽分別接入1A和1B的蒸汽進口，這樣就可省卻了外置式蒸汽冷卻器。而對于采用蛇形管高壓加熱器的機組，由于是單列布置，這時1號高壓加熱器設計成上述形式較為困難，但可設計成獨立的外置蒸汽再熱器，如圖7所示。

圖8所示，二次再熱機組2#抽汽和4#抽汽分別從兩側的進口進入，而1號抽汽從蒸汽進口進入，在再熱器內部完成換熱后，溫度升高，從出口流出再次回到1號高壓加熱器加熱給水。這樣成功地使二次再熱機組的兩臺蒸汽冷卻器變為一臺。

需要指出的是，二次再熱蒸汽溫度通常達到了530 ℃以上，這溫度下，通常要選取昂貴的SA-336F91材料，圖7所示的結構，管板需要使用12Cr2MoV或SA-336F91等鍛件，換熱管則可采用12Cr1MoVG或SA-213T91。由于結構尺寸小，壁厚較薄，所以整體上制造成本還是要比常規外置式蒸汽冷卻器低。

4 加熱器性能及可靠性分析

按圖7所設計的蒸汽再熱器，最終給水出口溫度為294.4 ℃，而熱平衡采用外置式蒸汽冷卻器的最終給水出口溫度為294.7 ℃，可見兩者相差較小。整個換熱過程中，圖7所示加熱器再熱區為過熱蒸汽和蒸汽之間的換熱，其傳熱效率是要低于過熱蒸汽與給水的換熱；再者，1抽蒸汽第一次經過過熱蒸汽冷卻段后，其實際蒸汽出口溫度很可能會高于301.7 ℃，這也會直接導致3抽蒸汽出口溫度高于310 ℃，導致最終給水出口溫度低于294.7 ℃(圖7加熱器蒸汽冷卻器下端差設計值為20 ℃)。

常規的外置式蒸汽冷卻器系統，蒸汽冷卻器下端差(蒸汽出口溫度與給水入口溫度之差)雖然設計值一般為10 ℃[3](本文所述平衡圖為8 ℃)，但實際運行中很難達到這么低的數值。從目前國內部分電廠蒸汽冷卻器投運的結果來看，下端差以20～30 ℃居多，部分電廠甚至到達30～40 ℃以上，這在一定程度上導致最終的給水溫度偏低。

圖7所示的加熱器最終的給水溫度可能也會低于設計值，至于低于設計值的程度，因目前國內還沒有機組采用，暫無實際運行經驗可參考，但可以預見的是并不會低太多。

圖7所示加熱器再熱區換熱管采用Cr-Mo鋼材質，其耐沖刷及抗腐蝕性大大提高，其管內管外工作壓力一般不超過10 MPa，而傳統的外置式蒸汽冷卻器換熱管一般為碳鋼，管內一般要承受30 MPa的給水壓力，工作環境較為惡劣。相比而言，圖7所示換熱器再熱區域工作環境較好，因此其泄漏的可能性更低，因此，圖7所示加熱器可靠性更高。

5 加熱器優缺點對比

圖7所示加熱器與傳統的外置式蒸汽冷卻器相比，優缺點如下：

表2 加熱器優缺點對比

6 結束語

通過本文的分析，可得出以下結論：

1)利用3抽蒸汽對1抽蒸汽進行加熱，被加熱的1抽蒸汽再次對給水進行加熱是可行的；

2)新型加熱器換熱管管內壓力由30 Mpa降低至10 Mpa，工作壓力大幅度降低，換熱管工作環境得到了改善，降低了泄漏的幾率，加熱器可靠性得到了提高；

3)3抽蒸汽傳熱至給水經歷了兩次傳熱過程，因此其傳熱性能會有所降低，尤其1抽蒸汽在過熱段的出口溫度受高壓加熱器設計水平限制，存在較大的變數；

4)新型加熱器結構相對復雜，但外部管道系統布置簡單，節約場地和管道。

綜合本文論述，這種新型加熱器相比傳統的高壓加熱器系統，具有一定的優勢，其加熱器的成本，管道和場地的投資相對有所降低，因此值得采用，具有一定的推廣價值。