1 000 MW二次再熱雙機(jī)回?zé)釞C(jī)組加熱器配置探討

孫德創(chuàng) 周雅君 楊騰

摘要：介紹了帶有雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的百萬二次再熱機(jī)組的加熱器配置方案，對加熱器型式、布置方式進(jìn)行了方案比選，提出了適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好的配置方案，對同類機(jī)組的加熱器選型具有一定的參考意義。

關(guān)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(huán)境污染加劇，保障煤電清潔高效利用與高質(zhì)量生存發(fā)展迫在眉睫。在新的歷史條件下，以節(jié)能減排技術(shù)為核心，開發(fā)高效率高參數(shù)的汽輪機(jī)設(shè)備成為電力行業(yè)不可推卸的歷史使命。從國內(nèi)外的發(fā)展情況來看，大容量高參數(shù)超臨界和超超臨界機(jī)組是目前世界火電發(fā)展的重要趨勢[1]。

對于超超臨界機(jī)組，由于蒸汽參數(shù)較高（尤其是再熱蒸汽），導(dǎo)致超高壓缸、高壓缸抽汽過熱度較高，若將抽汽直接用于回?zé)峒訜崞鞯募訜崞?，將產(chǎn)生較大的不可逆損失[2]。目前行業(yè)內(nèi)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(shè)外置式蒸汽冷卻器，來降低回?zé)岢槠倪^熱度;另一種是采用特殊的熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，此方法理論上能夠大幅降低再熱后所有回?zé)岢槠膿Q熱過熱度，可以大幅提高回?zé)岢槠芗壚眯省?/p>

1? ? 雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)

百萬二次再熱機(jī)組雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)示意圖如圖1所示。部分超高壓缸排汽作為小汽輪機(jī)的進(jìn)汽，小汽輪機(jī)抽汽代替高壓缸、中壓缸抽汽，作為回?zé)嵯到y(tǒng)的熱源蒸汽，加熱給水。小汽輪機(jī)設(shè)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(jié)水，小機(jī)排汽進(jìn)入8號和9號低壓加熱器。8號低壓加熱器進(jìn)汽部分通過管道連通9號低壓加熱器，剩余的排汽溢流進(jìn)入9號低壓加熱器。

以小機(jī)抽汽代替主機(jī)抽汽，加熱回?zé)嵯到y(tǒng)有以下優(yōu)點：

（1）解決常規(guī)系統(tǒng)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(fēng)險，提高系統(tǒng)安全可靠性，也降低了熱耗，提高了能源利用率。采用雙機(jī)回?zé)岱桨缚墒巩?dāng)前的超超臨界1 000 MW機(jī)組發(fā)電效率提高約0.23%，熱耗降低30～35 kJ/kWh[3]。

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

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

（4）主機(jī)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(jī)高、中壓缸效率。

（5）回?zé)崾叫∑麢C(jī)除了驅(qū)動給水泵外，還有小電機(jī)發(fā)電，供廠用電等使用，降低了廠用電率[4]。

2? ? 雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計方案

對于百萬級二次再熱機(jī)組，與常規(guī)機(jī)組相比，又增加了一次再熱，機(jī)組初參數(shù)更高，各級抽汽參數(shù)、給水參數(shù)與常規(guī)一次再熱相比，也會提高，這對高壓加熱器的選型和設(shè)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(nèi)1 000 MW級超超臨界參數(shù)機(jī)組對于以上兩種方式均有運(yùn)行業(yè)績，單列高加運(yùn)行業(yè)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(jī)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(yōu)點分別如下：

單列布置優(yōu)點：

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

（2）減少了管道阻力損失和設(shè)備維護(hù)工作量[6];

（3）節(jié)省廠房用地，減小投資;

（4）有利于給水泵組等其他設(shè)備的靈活布置。

雙列布置優(yōu)點：

（1）因為只有50%容量，加熱器本體換熱面積小、體積小，設(shè)計制造容易;

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

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

對于1 000 MW雙機(jī)回?zé)釞C(jī)組來說，回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)6級高壓加熱器，若采用雙列高加布置，整個系統(tǒng)會非常復(fù)雜，占地面積大，投資也會大大增加。所以，建議本文中機(jī)組選用單列高加布置。對于單列布置一旦出現(xiàn)問題就會解列全部高加，對機(jī)組運(yùn)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(shè)計，當(dāng)任何一臺高加因為事故停運(yùn)時，只需要切除同組的高加，其他正常運(yùn)行。

2.2? ? 高壓加熱器結(jié)構(gòu)形式

現(xiàn)代大型火力發(fā)電機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)中，高壓加熱器使用的結(jié)構(gòu)型式通常有兩種：U形管式和蛇形管式。

早期傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)示意如圖2所示。由汽機(jī)抽汽來的高壓蒸汽首先進(jìn)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(jìn)入U形管，與管外蒸汽進(jìn)行對流換熱，蒸汽經(jīng)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(jīng)出水室混合進(jìn)入上級加熱器，正常和事故疏水調(diào)節(jié)裝置能自動維持加熱器水位正常。

蛇形管式加熱器結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jié)段，給水通過集管進(jìn)入蛇形管，與管外蒸汽進(jìn)行對流換熱，經(jīng)過三四個流程后，通過出口集管流出。集管的材質(zhì)多為厚壁鍛件，集管上分布著與蛇形管數(shù)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(yōu)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(tǒng)管板形式，管板與水室封頭連接處所受應(yīng)力較大;蛇形管采用獨(dú)特的集管結(jié)構(gòu)，能夠很好地將受力均勻分布。

（3）熱適應(yīng)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(xiàn)，能很快適應(yīng)溫升，也能實現(xiàn)更多的變工況運(yùn)行次數(shù)。

對于百萬二次再熱機(jī)組來說，給水壓力一般能達(dá)到45 MPa，對于帶有雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的機(jī)組，熱源抽汽達(dá)到400～450 ℃以上，加熱器承受的溫度變化范圍和速率都比傳統(tǒng)機(jī)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?zé)嵝C(jī)末級低加選型

按傳熱方式不同，回?zé)峒訜崞鞣只旌鲜胶捅砻媸郊訜崞鲀煞N。在常規(guī)的火力發(fā)電廠回?zé)嵯到y(tǒng)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(jìn)汽是雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)中小汽輪機(jī)背壓排汽，此級加熱器除了預(yù)熱凝結(jié)水外，還有冷卻小汽輪機(jī)排汽、維持小機(jī)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(jīng)濟(jì)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(gòu)造簡單，維護(hù)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(wěn)定小機(jī)背壓方面具有明顯優(yōu)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(yōu)勢。

由于在混合式加熱器中，凝結(jié)水壓力最終將與加熱蒸汽壓力一致，故為了保證凝結(jié)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(jié)語

綜合以上分析比較，對于百萬級二次再熱雙機(jī)回?zé)釞C(jī)組，考慮其回?zé)峒墧?shù)多、回?zé)岢槠敖o水參數(shù)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?zé)嵯到y(tǒng)末級加熱器的進(jìn)汽是小汽輪機(jī)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(tǒng)的可靠性、適應(yīng)能力，且在優(yōu)化廠房空間、優(yōu)化布置、提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等方面有明顯優(yōu)勢，對于同類型的機(jī)組有可參考性。

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收稿日期：2019-12-10

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