胡 方

(上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海 200090)

二次再熱機(jī)組高壓加熱器及蒸汽冷卻器的設(shè)計(jì)研發(fā)

胡 方

(上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海 200090)

采用二次再熱技術(shù)的超超臨界機(jī)組，是燃煤機(jī)組中技術(shù)含量與運(yùn)行效率較高的大容量機(jī)組。在二次再熱燃煤機(jī)組中，高壓加熱器和蒸汽冷卻器是工程配套中重要的輔機(jī)設(shè)備。介紹了二次再熱系統(tǒng)中高壓加熱器及蒸汽冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及對(duì)特殊材料的選用，并提出了確保設(shè)備安全運(yùn)行的主要措施。

高壓加熱器； 二次再熱； 蒸汽； 冷卻器； 雙列； 設(shè)計(jì)； 冷卻段； 材料

0 概 述

二次再熱技術(shù)是利用汽輪機(jī)(高壓部分)內(nèi)膨脹至某一中間壓力的蒸汽全部引出，再進(jìn)入鍋爐的再熱器，通過(guò)再次加熱，然后回到汽輪機(jī)(中壓部分)內(nèi)繼續(xù)作功。排汽經(jīng)過(guò)二次再熱器加熱后，繼續(xù)進(jìn)入汽輪機(jī)的二次再熱中壓部分內(nèi)膨脹做功。

二次再熱機(jī)組是當(dāng)今燃煤機(jī)組中技術(shù)含量較高的機(jī)組。由四級(jí)高壓加熱器(內(nèi)設(shè)疏水冷卻段)、一級(jí)除氧器和五級(jí)低壓加熱器組成的十級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)，汽機(jī)的2個(gè)低壓缸排汽被排入凝汽器。由于采用二次再熱技術(shù)，蒸汽參數(shù)比常規(guī)機(jī)組高許多，因此，在設(shè)計(jì)高壓加熱器和蒸汽冷卻器等設(shè)備時(shí)，對(duì)于設(shè)備的選材和制造，均遇到相當(dāng)多的困難。

1 高壓加熱器與蒸汽冷卻器的作用

高壓加熱器的作用，是利用汽輪機(jī)的抽汽加熱鍋爐給水，可提高機(jī)組的熱效率。蒸汽冷卻器的作用，是利用給水加熱系統(tǒng)中該級(jí)蒸汽較高的過(guò)熱度，加熱末級(jí)高加的給水，以進(jìn)一步提高給水出口溫度，從而提高機(jī)組的熱效率。

高壓加熱器和蒸汽冷卻器均采用U形換熱管，管程為雙流程，水室采用自密封結(jié)構(gòu)。

2 高壓加熱器系統(tǒng)

二次再熱高壓加熱器系統(tǒng)，主要由雙列串聯(lián)布置的高壓加熱器與外置蒸汽冷卻器組合而成。每列有4臺(tái)高壓加熱器和1臺(tái)蒸汽冷卻器。雙列布置共計(jì)有10臺(tái)設(shè)備，如圖1所示。

圖1 高壓加熱器系統(tǒng)的布置

3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)二次再熱機(jī)組的運(yùn)行工況，選定的高壓加熱器及蒸冷器的技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

4 研究方向與關(guān)鍵技術(shù)

4.1 設(shè)計(jì)方案及換熱性能

4.1.1 高壓加熱器的設(shè)計(jì)研發(fā)

設(shè)備的熱工性能需要綜合考慮換熱效率與阻力的影響，通過(guò)結(jié)構(gòu)迭代的方式，在蒸汽冷卻段和疏水冷卻段內(nèi)選擇最佳的橫向與縱向流速，可提高傳熱效果，并降低流動(dòng)阻力。設(shè)計(jì)中，對(duì)管系進(jìn)行周密的振動(dòng)計(jì)算，防止高加管束在不同工況下發(fā)生共振現(xiàn)象，從而影響換熱管的使用壽命。

鑒于二次再熱機(jī)組管側(cè)的設(shè)計(jì)壓力高達(dá)44 MPa，所以，高壓加熱器換熱管選用規(guī)格為?16 ×2.7/2.9的厚壁管。為此，通過(guò)工藝試驗(yàn)，確定了厚壁管的脹接形式及脹接參數(shù)，提高了脹接接頭的密封壓力和拉脫力，確保管子與管板連接的可靠性。同時(shí)，1號(hào)高加的設(shè)計(jì)壓力高達(dá)13.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度為460℃，短接直徑為2 000 mm，設(shè)計(jì)厚度達(dá)140 mm，在軋制短接筒身時(shí)較為困難，為了便于生產(chǎn)制造，還對(duì)高壓加熱器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

4.1.2 高壓加熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用我公司專有的熱力計(jì)算程序，根據(jù)機(jī)組的熱力平衡圖，按設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了熱力性能計(jì)算，確定了管束中各換熱段的換熱面積。由于系統(tǒng)中增加了兩級(jí)蒸汽冷卻器，考慮其中1臺(tái)對(duì)應(yīng)的高壓加熱器過(guò)熱度不夠，為保證高壓加熱器和蒸汽冷卻器的匹配性和安全性，研發(fā)后發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)中的3臺(tái)高壓加熱器內(nèi)，可設(shè)置過(guò)熱蒸汽冷卻段(簡(jiǎn)稱蒸冷段)、凝結(jié)段和疏水冷卻段(簡(jiǎn)稱疏冷段)三個(gè)傳熱區(qū)段，而在1臺(tái)高加內(nèi)，只能設(shè)置凝結(jié)段和疏冷段。

4.1.3 非正常運(yùn)行工況下的校核

設(shè)計(jì)高壓加熱器時(shí)，除了滿足換熱性能的要求外，還需考慮設(shè)備的安全性。在各種工況下，高壓加熱器蒸冷段面積的大小，將影響設(shè)備運(yùn)行的安全性。

高壓加熱器及蒸汽冷卻器的設(shè)計(jì)方案，一般按TMCR或VWO工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。為滿足此類工況計(jì)算所得的換熱面積(包括蒸冷段面積)比低負(fù)荷工況下所需的換熱面積大很多。但在低負(fù)荷運(yùn)行工況下(介質(zhì)流量、溫度、壓力均遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)工況)，經(jīng)校核發(fā)現(xiàn)，按設(shè)計(jì)工況設(shè)計(jì)的蒸汽冷卻器面積較大，如果在低負(fù)荷工況下，將使蒸汽的出口溫度降低，甚至有可能低于低負(fù)荷工況下在平衡圖上蒸冷器的蒸汽出口溫度，這樣其對(duì)應(yīng)高壓加熱器的過(guò)熱度也隨之降低，蒸冷段面積的余量更大。高壓加熱器的蒸冷段面積余量過(guò)大，將在高壓加熱器蒸冷段的出口處出現(xiàn)汽水混流現(xiàn)象，會(huì)沖刷換熱管，引起管束振動(dòng)，造成加熱器損壞。

表1 高壓加熱器及蒸冷器的技術(shù)參數(shù)

序號(hào)項(xiàng)目4號(hào)蒸冷器2號(hào)蒸冷器1號(hào)高加2號(hào)高加3號(hào)高加4號(hào)高加1加熱器殼側(cè)設(shè)計(jì)壓力/MPa2.477.6113.307.614.452.47設(shè)計(jì)溫度/℃565545460/340350/295465/260350/2302加熱器管側(cè)設(shè)計(jì)壓力/MPa444444444444設(shè)計(jì)溫度/℃3453603402952602303換熱管材料SA556GrC2

在二次再熱機(jī)組中，還有前置蒸冷器的高壓加熱器，如果過(guò)熱度偏低，會(huì)導(dǎo)致該高壓加熱器的蒸冷段出口處，出現(xiàn)汽水混流現(xiàn)象，導(dǎo)致?lián)Q熱管沖刷減薄，或引起管束振動(dòng)使換熱管損壞，影響加熱器的使用壽命。

4.2 蒸汽冷卻器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.2.1 蒸汽冷卻器材料的選用

在設(shè)計(jì)百萬(wàn)火電二次再熱機(jī)組蒸汽冷卻器時(shí)，由于蒸汽冷卻器的運(yùn)行溫度和壓力遠(yuǎn)高于常規(guī)的百萬(wàn)級(jí)機(jī)組，所以，選用的材料要具備耐高溫、耐高壓的性能。同時(shí)，在較高的溫度下，材料還應(yīng)具有較高的許用應(yīng)力值。如果材料的高溫性能低，所需筒體材料的厚度就較大，增加了材料在卷制、焊接、熱處理等加工制造中的難度。

蒸汽冷卻器的最高設(shè)計(jì)溫度為565℃。常規(guī)選用的耐熱鋼的溫度在565℃以下，如15CrMoR材料，但許用應(yīng)力較低，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)和制造要求。如果按GB150-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選用，選用在該溫度下仍舊具備較高許用應(yīng)力的Cr-Mo鋼，如12Cr1MoVR或12Cr2Mo1R材料，則殼側(cè)筒身的計(jì)算壁厚值，超過(guò)GB150.2-2011標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的低合金鋼鋼板的許用范圍。故選用ASME標(biāo)準(zhǔn)中的材料SA387Gr91CL2鋼板制造蒸冷器的殼體筒身。12Cr2Mo1R及12Cr1MoVR鋼板的許用應(yīng)力，如表2所示。SA387Gr91CL2鋼板的許用應(yīng)力，如表3所示。

表2 12Cr2Mo1R及12Cr1MoVR鋼板的許用應(yīng)力

牌號(hào)厚度/mm在各溫度下材料的許用應(yīng)力/MPa500/℃525/℃550/℃575/℃12Cr2Mo1R6～1508961463712Cr1MoVR6～10095825941

表3 SA387Gr91CL2鋼板的許用應(yīng)力

牌號(hào)厚度/mm在各溫度下材料的許用應(yīng)力/MPa500/℃525/℃550/℃575/℃SA387Gr91CL2≤7512611710788.5>7512611810380.6

國(guó)內(nèi)在壓力容器上使用SA387Gr91CL2材料，尚為首次。為此，需對(duì)該材料的化學(xué)成分含量及熱處理方式做出嚴(yán)格規(guī)定，并完成使用新材料的評(píng)審工作。

4.2.2 蒸汽冷卻器的設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)蒸汽冷卻器不同蒸汽流道的研究，在綜合考慮各種因素后，確定了2臺(tái)蒸汽冷卻器各自的最佳設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)方案中，既降低了殼側(cè)的壓力損失，又提高了蒸汽冷卻器的傳熱性能。

4.2.3 蒸汽冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二次再熱蒸汽冷卻器的運(yùn)行參數(shù)高于常規(guī)機(jī)組，管程與殼程的溫差更大。在運(yùn)行狀態(tài)下，由于管板與遮熱板區(qū)域內(nèi)存在的溫差，引起的熱膨脹差較大，使換熱管根部產(chǎn)生的熱應(yīng)力分布狀態(tài)與常規(guī)機(jī)組相比，更為惡劣。故應(yīng)按JB4732-2005標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該處熱應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定及疲勞評(píng)定。確定遮熱板區(qū)的結(jié)構(gòu)和尺寸，以解決高溫差引起的局部應(yīng)力變化。

同時(shí)，由于蒸汽冷卻器的作用相當(dāng)于高加的蒸冷段，因此，控制蒸汽冷卻器殼側(cè)的流速，防止管束的振動(dòng)，至關(guān)重要。為此，需對(duì)蒸冷器進(jìn)行振動(dòng)分析和校核，確定合理的結(jié)構(gòu)，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

二次再熱機(jī)組的高壓加熱器及蒸汽冷卻器的技術(shù)開(kāi)發(fā)成果，已成功應(yīng)用于泰州電廠二期工程2臺(tái)百萬(wàn)千瓦超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組。泰州項(xiàng)目是我國(guó)自主設(shè)計(jì)和制造的首臺(tái)超超臨界二次再熱火電機(jī)組，作為我國(guó)燃煤發(fā)電的示范項(xiàng)目，也是國(guó)家科技部確定的“十二五”節(jié)能減排國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用了新技術(shù)，新工藝，選用了新材料，具有制造難等特點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)配置和調(diào)試提出了更高的要求。

當(dāng)前，在節(jié)能減排和降低碳排放的大背景下，二次再熱技術(shù)無(wú)疑是提高機(jī)組熱效率切實(shí)可行的有效手段，也是大型燃煤機(jī)組的發(fā)展方向，符合我國(guó)低碳環(huán)保和節(jié)能減排的要求。同樣，二次再熱技術(shù)，也可在用于其它同類機(jī)組。

[1] GB150.1～150.4-2011,壓力容器[S].

[2] ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范,第Ⅱ卷/材料/D篇/性能[S].

[3] JB4732-2005，鋼制壓力容器應(yīng)力分析法設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] HEI，STANDARDS FOR CLOSED FEEDWATER HEATERS/第8版[S].

[5] ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅱ卷，A篇 鐵基材料[S].

Design and Development of HP Heater and Steam Cooler for Double Reheat unit

HU Fang

(Shanghai Power Station Auxiliary Equipment Works, Shanghai Electric Power Generation Equip. Co., Ltd., Shanghai, 200090, China)

Ultra supercritical unit with double reheat technology is a large capacity unit with high technical content and high operating efficiency in the coal-fired unit. High pressure heater and steam cooler is an important auxiliary equipment in engineering supporting of double reheat coal-fired unit. The structure design of the high pressure heater and the steam cooler in the double reheat system and the selection of the special materials are introduced in this paper, and the main measures to ensure the safe operation of the equipment are also put forward.

high-pressure heater; double reheat; steam; cooler; double row; design; desuperheating zone; material

1672-0210(2017)01-0009-03

2016-02-03

胡方(1968-)，本科，高級(jí)工程師，從事電站輔機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)工作。

TK264.9

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