1 000MW等級火電機(jī)組高壓加熱器配置研究

萬衡 梁倩 姜勝

（1 廣東省節(jié)能中心 廣東廣州 510030 2 武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北武漢 430079）

高壓加熱器是給水系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其作用是通過汽輪機(jī)回?zé)岢槠訜峤o水使給水溫度提高，達(dá)到提升工質(zhì)平均吸熱溫度使機(jī)組循環(huán)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(shè)備，1 000 MW 超超臨界機(jī)組高壓加熱器承壓可達(dá)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(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。大型火電機(jī)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(jī)組采用多采用單列高壓加熱器。隨著機(jī)組容量提高，采用單列高壓加熱器系統(tǒng)制造成本較高。本文研究國內(nèi)外1 000 MW 等級機(jī)組高壓加熱器的配置情況，綜合比較投資造價和運(yùn)行可靠性等指標(biāo)，探討雙列高壓加熱器的可行性。

1 高壓加熱器結(jié)構(gòu)和材質(zhì)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(yōu)點(diǎn)是加熱器內(nèi)U型換熱管水平布置，具有較高傳熱系數(shù)，有利于進(jìn)行加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計即傳熱面三段式布置。同時加熱器內(nèi)疏水的水位相對穩(wěn)定，易于控制和調(diào)節(jié)，安裝和檢修也更為方便。目前國內(nèi)600 MW 及以上容量大型火電機(jī)組普遍采用臥式高壓加熱器。

高壓加熱器根據(jù)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(jié)構(gòu)緊湊、鋼材用量省、流動阻力小和換熱效果好等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于大容量、高參數(shù)火電機(jī)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(jù)工作條件采用不同的材質(zhì)。國內(nèi)600 MW～1 000 MW 超臨界以及超超臨界機(jī)組高壓加熱器主要構(gòu)件材質(zhì)基本相同［2］。

1000MW 超超臨界火電機(jī)組汽輪機(jī)側(cè)參數(shù)一般為25.00MPa～26.25 MPa/600 ℃/600 ℃，其高壓加熱器的水側(cè)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的碳鋼材料，該材料在343 ℃時其許用應(yīng)力為130 MPa，比國產(chǎn)的Q345R 的許用應(yīng)力高，高加蒸汽進(jìn)口區(qū)的殼體材料可采用SA387Gr11CL1，該材料也是美國ASME 標(biāo)準(zhǔn)的材料，最高溫度界限可達(dá)648.9 ℃，能滿足使用要求；換熱管材料為SA556GrC2，是美國ASME 標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行過程中最容易發(fā)生的故障是由于換熱管破裂導(dǎo)致的高加泄露，600 MW及以上機(jī)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(yōu)點(diǎn)是硬度大，防沖蝕、耐腐蝕、耐高溫以及表面性能更好，其缺點(diǎn)為價格昂貴、傳熱系數(shù)相對較小、低溫許用應(yīng)力低。若采用不銹鋼管作為傳熱管，將導(dǎo)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(yīng)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(yùn)行比較

目前1 000 MW 機(jī)組高壓加熱器可采用單列和雙列2 種型式。國內(nèi)外大容量機(jī)組高壓加熱器的配置方式也各不相同，歐洲的1 000 MW 級機(jī)組配置單列高壓加熱器居多，日本的1 000 MW 級機(jī)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(dāng)任一高壓加熱器發(fā)生故障時，同列3 臺高壓加熱器同時從系統(tǒng)中解列，給水快速切換到該列給水旁路運(yùn)行，另一列高壓加熱器正常運(yùn)行，最大可通過60%～65%的給水流量，機(jī)組在雙列高壓加熱器同時解列時可以帶額定負(fù)荷運(yùn)行［2］。給水系統(tǒng)采用雙列高壓加熱器配置時，運(yùn)行方式較靈活，可靠性也更高，當(dāng)其中一列高壓加熱器解列時，機(jī)組仍可保持較高的經(jīng)濟(jì)性。

國內(nèi)600 MW 等級機(jī)組給水系統(tǒng)通常采用給水大旁路即單列高壓加熱器，1 000 MW 機(jī)組采用單列高壓加熱器時，其運(yùn)行方式與600 MW 機(jī)組基本相同。當(dāng)任一臺高壓加熱器發(fā)生故障，所有高加均從系統(tǒng)中解列，給水迅速由主路切換到旁路運(yùn)行。機(jī)組雖可帶額定負(fù)荷運(yùn)行，但由于高壓加熱器回?zé)岢槠到y(tǒng)切除，機(jī)組效率下降明顯。同時單列高壓加熱器管板較厚，在機(jī)組負(fù)荷變化頻繁的情況下，管板與殼體的連接處容易應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，與雙列高加加熱器相比，對負(fù)荷的適應(yīng)性相對較差。

2.2 兩種配置方案費(fèi)用比較

2.2.1 加熱器本體設(shè)備價格比較

隨著機(jī)組容量及運(yùn)行參數(shù)的提升，高壓加熱器的尺寸逐漸加大，對應(yīng)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(nèi)僅上海電氣和上海電站輔機(jī)廠有生產(chǎn)和運(yùn)行業(yè)績，同時需采用較多的進(jìn)口部件，進(jìn)口比重相對較大。國內(nèi)具備制造加工超超臨界壓力機(jī)組單列高壓加熱器管板能力的制造廠商數(shù)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(shè)備價格較之雙列高加實(shí)際差價已經(jīng)遠(yuǎn)超過10%，2 臺機(jī)組差值總額達(dá)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(guī)格和數(shù)量也將隨之發(fā)生變化。采用單列高壓加熱器時，主給水管道規(guī)格為Φ610×65，高壓給水系統(tǒng)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(jī)；而采用雙列高壓加熱器時，汽機(jī)房和除氧間的主給水管道規(guī)格為Φ457×50，給水管道系統(tǒng)相對復(fù)雜、管道較長。2 臺機(jī)組采用單列高壓加熱器比采用雙列高壓加熱器節(jié)省給水管道材料約32 t，按照2010 年限額設(shè)計的綜合單價，約節(jié)省226.02 萬元人民幣。兩者相比較而言，小管道自補(bǔ)償能力強(qiáng)，對設(shè)備的推力小，對設(shè)備的安全運(yùn)行更有利，也就說是雙列高加運(yùn)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(tǒng)管路的閥門也會相應(yīng)發(fā)生變化。與雙列高加相比，單列高加給水系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)和疏水系統(tǒng)的閥門等相關(guān)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(tǒng)閥門的變化主要指給水旁路三通閥，從市場調(diào)查結(jié)果來看，1 000 MW機(jī)組單列1 組三通閥的價格會比雙列2 組三通閥高，兩臺機(jī)組共大約高出60 萬元；抽汽系統(tǒng)及加熱器疏水系統(tǒng)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(jī)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(fèi)用的變化。對于1 000 MW 超超臨界機(jī)組而言，雙列、臥式、U 形管高壓加熱器的外形尺寸比對應(yīng)的單列高加尺寸小，同時還小于600 MW 機(jī)組的單列、臥式、U 形管高壓加熱器尺寸。1 000 MW 超超臨界機(jī)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(jié)約投資約92.88 萬元。

2.2.5 費(fèi)用綜合比較

2 種高壓加熱器不同配置方式其各項投資費(fèi)用比較見表1。

表1 單列與雙列高壓加熱器投資費(fèi)用比較表（按2 臺機(jī)組計算）

根據(jù)表1 可以看到，采用雙列高壓加熱器時，其高加本體設(shè)備和給水系統(tǒng)閥門以及主廠房土建投資費(fèi)用較低，而給水管道、抽汽系統(tǒng)和加熱器疏水系統(tǒng)閥門投資費(fèi)用較高；采用單列高壓加熱器的給水、抽汽和疏水系統(tǒng)相對簡單，但本體設(shè)備投資和土建費(fèi)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(jié)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(tǒng)簡單，運(yùn)行及維護(hù)較為方便，但機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性較差，投資和土建費(fèi)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(tǒng)相對復(fù)雜，但是技術(shù)成熟、業(yè)績突出，能更好地適應(yīng)機(jī)組調(diào)峰需要。當(dāng)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(jī)組熱效率影響不大，2 臺1 000 M 機(jī)組投資費(fèi)用比單列高加少約459.86 萬元，是目前1 000 MW 等級火電機(jī)組的較優(yōu)配置。