百万千瓦超超临界机组高压加热器选型

百万千瓦超超临界机组高压加热器选型探讨

周锐

广东省电力设计研究院

【摘要】该文介绍了百万千瓦超超临界机组高压加热器选择所需考虑的各种因素

【关键词】百万千瓦超超临界机组高压加热器选型探讨

1 前言

高压加热器在火力发电厂抽汽回热系统中占有非常重要的地位，给水通过高压加热器时被加热从而提高了循环的效率，高压加热器的故障停运会直接导致机组的效率降低，煤耗增加，从而直接影响电厂的正常运行和经济性。

目前，在全球运行的百万千瓦等级超超临界机组的高压加热器分双列高压加热器和单列高压加热器，双列高压加热器多采用U形管；单列高压加热器多采用蛇形管。由于国内尚无百万千瓦超超临界机组的运行业绩，因此本文结合国内部分已实施的百万千瓦超超临界项目，针对百万千瓦超超临界机组的高压加热器型式的选择进行初步探讨。

2 技术成熟度

国内现在进入实施阶段的百万千瓦超超临界机组的电厂主要有华能玉环电厂、山东邹县电厂四期、上海外高桥电厂三期及国电泰州电厂、国华宁海电厂二期等。除了上海外高桥电厂三期采用单列、卧式、U形管高压加热器以外，其余电厂均采用双列、卧式、U形管高压加热器。百万千瓦级超超临界机组的双列高压加热器与600MW超临界机组的单列高压加热器外形尺寸接近，而百万千瓦级超超临界机组的单列高压加热器由于加热面积较大，因此高压加热器的直径和长度均较大，表1为国内600MW及以上机组所采用的高压加热器外形尺寸的对照表，所有高压加热器均为卧式、U形管。

高压加热器的管束布置方式有两种，U形管布置和蛇形管布置，目前国内高压加热器生产厂商普遍采用U形管型式的管束布置，究其原因大致有以下方面：

1）U形管布置模型简单，传热计算结果比较准确；

2）U形管布置技术成熟，能提供技术支持的国外厂商较多；

3）管束在壳体中的弯曲少，流动阻力小,管束装配相对简单；

4）对于单列高压加热器而言，U形管布置的生产成本较低；

5）蛇形管布置为德国BDT公司（Balcke-Dürr）专利，其专利转让费用较高。

对于600MW及以下容量的机组，采用U形管布置的单列式高压加热器完全可以满足加热面积的要求。但随着机组容量的增大，特别是对于百万千瓦超超临界机组，其高压加热器所需要的换热面积增加，对于U形管管束布置的单列式高压加热器而言只有以下两种方法可以达到目的，一是增加管束的长度，二是增加管束中换热管的数量。如果增加管束的长度，由于现在的600MW 机组高压加热器管束长度已经超过了10m，再增加长度会导致管束运输困难，因此不宜采用。如果增加换热管数量，则需要相应增加管板的面积及厚度，并且加大高压加热器壳体的直径。对于U形管型式的高压加热器而言，其热应力集中的区域正好位于管板与壳体的连接处，增加换热管数量后，会给管板与壳体的设计制造带来很多新的问题。上海外高桥电厂三期所采用的单列、U 形管高压加热器正是采用增加换热管数量的方法来增加换热面积。据了解，其生产厂商上海动力设备有限公司采用FOSTER WHEELER的加热器设计制造技术，而此次生产的高压加热器也是目前世界上最大容量的U形管高压加热器。对于其技术支持方FOSTER WHEELER公司，目前也没有百万千瓦超超临界机组单列、U形管高压加热器的订货业绩。据了解，上海动力设备有限公司对于百万千瓦超超临界机组单列、U形管高压加热器的制造过程进行了研究，难点如下：

(1) 高压加热器的整体重量和各个部件的重量较大，受制于车间的起重能力，退火炉小车的承载能力等；

(2) 管板厚度增强，对于管板材料的采购、加工和起重要求较高；

(3) 球形封头厚度增加，对于球形封头材料的采购和加工要求较高。

对于上述难点，上海动力设备有限公司已基本有了解决方案。首先对高压加热器各个部件均进行了优化设计，将高压加热器总重控制在180吨以内。其次由于高压加热器的半球型水室封头壁厚较厚，达到了220mm，在与高压加热器管板的连接处较易产生裂纹，因此对高压加热器关键件进行了强度计算及球形封头与管板连接处的有限元应力分析计算，保证其结构的合理性。为了减少高压加热器管板的热应力，在高压加热器过热段采用了封闭式的包壳，使过热蒸汽对管板不进行接触，汽侧管板接触到的仍是饱和温度，使管板两侧的温差降到最小，从而可以减少热应力对高压加热器管板的影响。

相对于U形管高压加热器厚重的管板和球形封头而言，蛇形管高压加热器独特的连接手段则避免了热应力过于集中的问题。蛇形管高压加热器采用在母管上开孔来代替U形管高压加热器上传统的管板设计，母管壁厚只相当于相同条件下管板厚度的15％，因此，蛇形管布置比U形管布置更适合大容量机组的单列式高压加热器。蛇形管技术已经有了80年左右的发展历史，在德国运行业绩较多，如Niederauβem电厂950MW机组（1999年投运）、Lippendorf电厂920MW机组（2000年投运）等，目前最大容量蛇形管高压加热器的订货业绩是德国NEURA TH电厂（计划2009年投运），其机组容量为1100MW，其单台高压加热器重量230吨，换热面积4087m2，壳侧设计温度435℃，管侧设计压力38MPa，给水流量797kg/s。

3 系统设置

根据上文的论述，针对现有的百万千瓦超超临界机组主厂房布置方式，高压加热器的型式可按以下方式进行考虑：双列、U形管、卧式高压加热器；单列、U形管、卧式高压加热器；单列、蛇形管、卧式高压加热器。对于单列高压加热器，

无论是采用蛇形管还是采用U形管的管束布置方式，均不会对高压给水系统的设置产生影响，因此可以采用同样的给水系统设置。而对于高压加热器是否采用单列型式还是双列型式，对给水系统的影响主要集中在从给水泵出口连接母管至锅炉省煤器进口母管之间的管道系统上面，对给水系统的管道布置的影响也主要集中在汽机房内的高压给水管道布置上面。因此，对于方案一，采用双列、U形管、卧式高压加热器，其给水泵出口连接母管至锅炉省煤器进口母管之间的管道系统如图1所示：

图1 双列高加给水管道系统图

对于方案二，采用单列、U形管或者蛇形管、

卧式高压加热器，其给水泵出口连接母管至锅炉

省煤器进口母管之间的管道系统如图2所示：

图2 单列高加给水管道系统图

由于方案一所采用了双列高压加热器的设置，当任一高压加热器故障时，同列三台高压加热器同时从系统中退出，给水能快速切换到该列给水旁路运行，此时运行的1列高压加热器可通过60％～65％的给水流量，机组在双列高压加热器解列时仍能带额定负荷。采用双列高压加热器配置的给水系统运行方式灵活，对负荷的适应性较好。

方案二则采用了单列高压加热器的设置，其系统的运行方式与常规600MW机组给水系统采用给水大旁路系统设置时的运行方式类似。当任

一高压加热器故障时，所有的高压加热器均从系