1 000MW等級火電機組高壓加熱器配置研究

萬衡 梁倩 姜勝

（1 廣東省節能中心 廣東廣州 510030 2 武漢電力職業技術學院 湖北武漢 430079）

高壓加熱器是給水系統中的重要設備，其作用是通過汽輪機回熱抽汽加熱給水使給水溫度提高，達到提升工質平均吸熱溫度使機組循環熱效率提升的目的，同時高壓加熱器也是火電廠承壓最高的設備，1 000 MW 超超臨界機組高壓加熱器承壓可達到35 MPa［1］。高壓加熱器的配置情況直接影響電廠的投資成本以及運行的可靠性和經濟性。大型火電機組高壓加熱器一般采用單列高壓加熱器和雙列高壓加熱器2 種型式，600 MW 及以下機組采用多采用單列高壓加熱器。隨著機組容量提高，采用單列高壓加熱器系統制造成本較高。本文研究國內外1 000 MW 等級機組高壓加熱器的配置情況，綜合比較投資造價和運行可靠性等指標，探討雙列高壓加熱器的可行性。

1 高壓加熱器結構和材質的選擇

高壓加熱器按布置方式可分為臥式和立式2 種型式。與立式高壓加熱器相比，臥式高壓加熱器的優點是加熱器內U型換熱管水平布置，具有較高傳熱系數，有利于進行加熱器結構設計即傳熱面三段式布置。同時加熱器內疏水的水位相對穩定，易于控制和調節，安裝和檢修也更為方便。目前國內600 MW 及以上容量大型火電機組普遍采用臥式高壓加熱器。

高壓加熱器根據換熱管的形狀分類，可分為U 型管、螺旋管和蛇型管等3 種型式。U 型管式高壓加熱器由于結構緊湊、鋼材用量省、流動阻力小和換熱效果好等特點，廣泛地應用于大容量、高參數火電機組。U 型管式高壓加熱器由管板、殼體、水室和換熱管等部件組成，各部件根據工作條件采用不同的材質。國內600 MW～1 000 MW 超臨界以及超超臨界機組高壓加熱器主要構件材質基本相同［2］。

1000MW 超超臨界火電機組汽輪機側參數一般為25.00MPa～26.25 MPa/600 ℃/600 ℃，其高壓加熱器的水側設計溫度一般在350 ℃以下。管板材料20 MnMo 為低合金鋼鍛件；殼體和水室材料SA516Gr70 是美國ASME 標準的碳鋼材料，該材料在343 ℃時其許用應力為130 MPa，比國產的Q345R 的許用應力高，高加蒸汽進口區的殼體材料可采用SA387Gr11CL1，該材料也是美國ASME 標準的材料，最高溫度界限可達648.9 ℃，能滿足使用要求；換熱管材料為SA556GrC2，是美國ASME 標準加熱器專用的冷拔無縫碳鋼管［3］。

換熱管是高壓加熱器的核心部件，高壓加熱器運行過程中最容易發生的故障是由于換熱管破裂導致的高加泄露，600 MW及以上機組換熱管均采用碳鋼管。換熱管可采用的材料除碳鋼管外，還包括不銹鋼管。與碳鋼管相比較，不銹鋼傳熱管的優點是硬度大，防沖蝕、耐腐蝕、耐高溫以及表面性能更好，其缺點為價格昂貴、傳熱系數相對較小、低溫許用應力低。若采用不銹鋼管作為傳熱管，將導致傳熱面積和材料重量的增加，使投資成本大幅上升。從制造工藝來說，碳鋼管束的加工和制造工藝更加成熟，廣泛地應用于高壓加熱器換熱管，完全可作為超（超）臨界高壓加熱器的材料［4］。

2 高壓加熱器的配置方案比較

2.1 兩種配置方案運行比較

目前1 000 MW 機組高壓加熱器可采用單列和雙列2 種型式。國內外大容量機組高壓加熱器的配置方式也各不相同，歐洲的1 000 MW 級機組配置單列高壓加熱器居多，日本的1 000 MW 級機組配置雙列高壓加熱器居多，我國多采用雙列高壓加熱器。

采用雙列高壓加熱器，當任一高壓加熱器發生故障時，同列3 臺高壓加熱器同時從系統中解列，給水快速切換到該列給水旁路運行，另一列高壓加熱器正常運行，最大可通過60%～65%的給水流量，機組在雙列高壓加熱器同時解列時可以帶額定負荷運行［2］。給水系統采用雙列高壓加熱器配置時，運行方式較靈活，可靠性也更高，當其中一列高壓加熱器解列時，機組仍可保持較高的經濟性。

國內600 MW 等級機組給水系統通常采用給水大旁路即單列高壓加熱器，1 000 MW 機組采用單列高壓加熱器時，其運行方式與600 MW 機組基本相同。當任一臺高壓加熱器發生故障，所有高加均從系統中解列，給水迅速由主路切換到旁路運行。機組雖可帶額定負荷運行，但由于高壓加熱器回熱抽汽系統切除，機組效率下降明顯。同時單列高壓加熱器管板較厚，在機組負荷變化頻繁的情況下，管板與殼體的連接處容易應力集中產生裂紋，與雙列高加加熱器相比，對負荷的適應性相對較差。

2.2 兩種配置方案費用比較

2.2.1 加熱器本體設備價格比較

隨著機組容量及運行參數的提升，高壓加熱器的尺寸逐漸加大，對應管板和球形水室的厚度也隨之增大。與雙列高加相比較，單列高加因容量更大，對制造工藝要求也更高。目前國內僅上海電氣和上海電站輔機廠有生產和運行業績，同時需采用較多的進口部件，進口比重相對較大。國內具備制造加工超超臨界壓力機組單列高壓加熱器管板能力的制造廠商數目非常有限，從近期簽訂合同的單列高加價格看，單列高壓加熱器的設備價格較之雙列高加實際差價已經遠超過10%，2 臺機組差值總額達到近650 萬元人民幣。

2.2.2 管道比較

采用高壓加熱器2 種不同配置方式，其連接的汽水管道規格和數量也將隨之發生變化。采用單列高壓加熱器時，主給水管道規格為Φ610×65，高壓給水系統簡單、管道短、布置簡潔，單列高加給水管道重量可減少16 t/臺機；而采用雙列高壓加熱器時，汽機房和除氧間的主給水管道規格為Φ457×50，給水管道系統相對復雜、管道較長。2 臺機組采用單列高壓加熱器比采用雙列高壓加熱器節省給水管道材料約32 t，按照2010 年限額設計的綜合單價，約節省226.02 萬元人民幣。兩者相比較而言，小管道自補償能力強，對設備的推力小，對設備的安全運行更有利，也就說是雙列高加運行安全性更高。

2.2.3 閥門比較

高壓加熱器配置方式不同，其系統管路的閥門也會相應發生變化。與雙列高加相比，單列高加給水系統、抽汽系統和疏水系統的閥門等相關管件各減少了1 套，但是由于閥門的通徑變大，單列比雙列閥門價格反而更高。給水系統閥門的變化主要指給水旁路三通閥，從市場調查結果來看，1 000 MW機組單列1 組三通閥的價格會比雙列2 組三通閥高，兩臺機組共大約高出60 萬元；抽汽系統及加熱器疏水系統閥門的變化，雙列高加2 套閥門比單列高加的1 套閥門分別高約33.5萬元和25 萬元，2 臺機組分別高出67 萬元和50 萬元。

2.2.4 主廠房布置比較

高壓加熱器的配置方式將直接影響主廠房的布置，由此帶來主廠房體積和土建費用的變化。對于1 000 MW 超超臨界機組而言，雙列、臥式、U 形管高壓加熱器的外形尺寸比對應的單列高加尺寸小，同時還小于600 MW 機組的單列、臥式、U 形管高壓加熱器尺寸。1 000 MW 超超臨界機組按照雙列高加布置，除氧間跨度可減小0.5 m，使主廠房體積減小約3 096 m3，節約投資約92.88 萬元。

2.2.5 費用綜合比較

2 種高壓加熱器不同配置方式其各項投資費用比較見表1。

表1 單列與雙列高壓加熱器投資費用比較表（按2 臺機組計算）

根據表1 可以看到，采用雙列高壓加熱器時，其高加本體設備和給水系統閥門以及主廠房土建投資費用較低，而給水管道、抽汽系統和加熱器疏水系統閥門投資費用較高；采用單列高壓加熱器的給水、抽汽和疏水系統相對簡單，但本體設備投資和土建費用較高。綜合而言，采用雙列高加總投資低于采用單列高加。

3 結論

通過分析比較可以看到，單列、U 型管、臥式高壓加熱器系統簡單，運行及維護較為方便，但機組熱經濟性較差，投資和土建費用相對較高；采用臥式U 型管高壓加熱器雙列布置方式雖系統相對復雜，但是技術成熟、業績突出，能更好地適應機組調峰需要。當一列高壓加熱器事故解列時，相對于單列布置所有高加解列對機組熱效率影響不大，2 臺1 000 M 機組投資費用比單列高加少約459.86 萬元，是目前1 000 MW 等級火電機組的較優配置。