百萬千瓦二次再熱機(jī)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(jì)南 250013）

0 引言

百萬千瓦超超臨界一次再熱機(jī)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(jī)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(yùn)的二次再熱機(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)行次數(shù)。2）可靠性高，檢修維護(hù)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(dāng)機(jī)組頻繁啟停、熱沖擊運(yùn)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(jìn)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(jìn)入水室內(nèi)部進(jìn)行操作；蛇形高加堵管為機(jī)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(hù)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(jī)組高壓加熱器配置現(xiàn)狀

在1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)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(dāng)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(jī)跳閘或者高參數(shù)運(yùn)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(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(dāng)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(jī)組高壓加熱器典型運(yùn)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(jī)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(jìn)、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(jī)組在建及投運(yùn)臺數(shù)的不斷增加，雙列U形管式高壓加熱器的訂貨及運(yùn)行業(yè)績也在不斷增加。

表2 百萬千瓦二次再熱機(jī)組高壓加熱器典型運(yùn)行業(yè)績

國內(nèi)具備設(shè)計和制造1 000 MW機(jī)組雙列高壓加熱器能力的制造廠家主要有上海電站輔機(jī)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(jī)）、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(jī)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(yùn)行機(jī)組較少，目前暫無1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組單列高壓加熱器運(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)）結(jié)合自主研發(fā)與技術(shù)引進(jìn)，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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)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(yùn)行的要求。

2 高壓加熱器配置方案經(jīng)濟(jì)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(jìn)行了解，對于1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)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(yùn)行業(yè)績，且由于該技術(shù)受到專利轉(zhuǎn)讓保護(hù)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jì)性對比

技術(shù)經(jīng)濟(jì)的比較采用電力行業(yè)認(rèn)可的最小年費(fèi)法。其表達(dá)式為

式中：NF為年費(fèi)用；f為固定費(fèi)用率，電力規(guī)劃總院為了投標(biāo)橫向比較有可比性，避免標(biāo)準(zhǔn)不一致，除招標(biāo)書有明確指定之外，規(guī)定固定費(fèi)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(yùn)輸、安裝工程費(fèi)用等；U0為運(yùn)行費(fèi)，按定義應(yīng)包含電耗費(fèi)、小修費(fèi)、用水費(fèi)、材料費(fèi)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(yùn)行費(fèi)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(jì)性對比（兩臺機(jī)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(fèi)用，仍具有略好的經(jīng)濟(jì)性，臥式單列高壓加熱器配置方案的年費(fèi)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(yùn)行，但系統(tǒng)較復(fù)雜，且對于1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組，由于給水及汽輪機(jī)回?zé)岢槠膮?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(fèi)用較高。

單列蛇形管式高壓加熱器系統(tǒng)簡單，運(yùn)行及維護(hù)較為方便，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性稍好，且單列高壓加熱器在1 000 MW超超臨界一次再熱機(jī)組中已有較多成功的應(yīng)用業(yè)績。隨著輔機(jī)生產(chǎn)能力的提高以及技術(shù)的進(jìn)步，1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)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(jì)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(yùn)行業(yè)績，但僅局限于1 000 MW及以下容量的機(jī)組，對于二次再熱機(jī)組，國內(nèi)外尚無投產(chǎn)的業(yè)績，需要加強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求進(jìn)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(yùn)行經(jīng)濟(jì)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(jī)組熱耗，使機(jī)組獲得更好的經(jīng)濟(jì)性。

［1］馬曉峰，李宏保.1000MW汽輪機(jī)組單／雙例高壓加熱器選型［J］.黑龍江電力，2008，30（6）：450-452.

［2］季敏東，余雛麟，李長勝.1 000 MW蛇形管集箱式高壓加熱器的自主開發(fā)設(shè)計［J］.電站輔機(jī)，2016，37（1）：1-3，11.

［3］王亞軍，朱佳琪，李林，等.1 00 MW二次再熱機(jī)組高加選型研究［J］.電力勘測設(shè)計，2016（3）：1-7.

［4］欒義，張野虎，邱云峰.1 000 MW機(jī)組高壓加熱器配置方案淺析［J］.科技信息，2010（35）：1 099-1 134.

［5］張福君.簡析給水高壓加熱器設(shè)計制造和運(yùn)行［J］.電站輔機(jī)，2013，34（4）：27-30.

［6］王泳濤，張新春，陳煒.雙列高加在1 000 MW超超臨界機(jī)組中的應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2006，27（8）：32-34.