李延雷，劉靜茹

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250013）

0 引言

百萬(wàn)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(duì)于百萬(wàn)千瓦超超臨界二次再熱機(jī)組，由于其設(shè)計(jì)參數(shù)提升，加熱器設(shè)計(jì)壓力提高到約45 MPa，單列U形管式的高壓加熱器無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，因而國(guó)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(jì)與制造技術(shù)的提高，使得百萬(wàn)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(jì)。兩者的主要特點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

表1 蛇形管和U形管高加的主要特點(diǎn)比較

相比U形管式高加，蛇形管式高壓加熱器的優(yōu)勢(shì)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(kāi)孔來(lái)代替U形管式高壓加熱器上傳統(tǒng)的管板設(shè)計(jì)，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(jiàn)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(jiàn)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(guò)集管上的短接頭與蛇形管焊接連接，對(duì)焊縫進(jìn)行100%射線檢測(cè)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(shí)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(jiǎn)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(jì)參數(shù)的提高而顯著增加，相關(guān)試驗(yàn)及制造經(jīng)驗(yàn)表明，管板厚度的臨界值約為500 mm。當(dāng)管板厚度超過(guò)500 mm時(shí)，瞬時(shí)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(dòng)、汽機(jī)跳閘或者高參數(shù)運(yùn)行時(shí)，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(jì)厚度隨著應(yīng)力增加而增厚，而厚度取決于設(shè)計(jì)壓力、尺寸和選材，不能無(wú)限的增加管板。U形管高壓加熱器管板見(jiàn)圖3，根據(jù)制造廠初步計(jì)算，單列布置的U形管高壓加熱器的管板厚度已超過(guò)700 mm，目前的設(shè)計(jì)制造能力無(wú)法實(shí)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(lái)，1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組管程的設(shè)計(jì)壓力提高至45 MPa，設(shè)計(jì)溫度為500℃以上。設(shè)計(jì)單列U形管式高壓加熱器時(shí)，水室半球形封頭的板材規(guī)格以及管板鍛件已超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍，管板鍛件若采用20 MnMo鍛件，則超過(guò)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(jiàn)，隨著機(jī)組容量的增大，設(shè)計(jì)參數(shù)的不斷提高，傳統(tǒng)U形管式高壓加熱器的設(shè)計(jì)難度越來(lái)越高。在國(guó)外，考慮到熱疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)壽命等因素，當(dāng)壓力超過(guò)35 MPa時(shí)，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(wàn)千瓦二次再熱機(jī)組高壓加熱器典型運(yùn)行業(yè)績(jī)見(jiàn)表2。

1.3 設(shè)備制造廠的加工制造能力

對(duì)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(jì)允許的臨界值范圍內(nèi)，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化等措施，國(guó)內(nèi)的制造廠也具備了一定的設(shè)計(jì)研發(fā)和制造能力。隨著國(guó)內(nèi)1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組在建及投運(yùn)臺(tái)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(jī)也在不斷增加。

表2 百萬(wàn)千瓦二次再熱機(jī)組高壓加熱器典型運(yùn)行業(yè)績(jī)

國(guó)內(nèi)具備設(shè)計(jì)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(dòng)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(guó)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(guó) Hamon Sobeleco、巴克-杜爾（BDT）和法國(guó)阿爾斯通等，這些制造廠家均具有設(shè)計(jì)和制造800~1 000 MW超超臨界機(jī)組單臺(tái)100%容量高壓加熱器的業(yè)績(jī)。但由于國(guó)外二次再熱實(shí)際運(yùn)行機(jī)組較少，目前暫無(wú)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(shí)際工程案例。

經(jīng)與上述國(guó)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(shí)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(yíng)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(jī)；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(jī)。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(jì)與制造能力。

調(diào)查表明，對(duì)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(guó)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(zhǎng)期的實(shí)踐驗(yàn)證，能夠滿足實(shí)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(guò)與相關(guān)設(shè)備制造廠家進(jìn)行了解，對(duì)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(wàn)元。

對(duì)于單列蛇形管式高壓加熱器，由于目前國(guó)內(nèi)暫無(wú)實(shí)際工程運(yùn)行業(yè)績(jī)，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(dòng)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(wàn)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(wàn)元。由于該項(xiàng)設(shè)備初投資參考資料較少，暫取兩臺(tái)機(jī)組高壓加熱器共7 800萬(wàn)元作為計(jì)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(guò)程中，對(duì)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(shí)際的布置與比較。兩種方案的初投資如表3所示（兩臺(tái)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(duì)比萬(wàn)元

由表3可知，對(duì)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(wàn)元。

2.3 高壓加熱器配置方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)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(shū)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(jiàn)表4。

表4 高壓加熱器配置方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比（兩臺(tái)機(jī)組）萬(wàn)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(wàn)元。

3 結(jié)語(yǔ)

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(duì)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(jiǎn)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(jī)。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(jì)和制造水平將日趨成熟，能夠滿足實(shí)際工程的需要。經(jīng)過(guò)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(guó)外已有良好的運(yùn)行業(yè)績(jī)，但僅局限于1 000 MW及以下容量的機(jī)組，對(duì)于二次再熱機(jī)組，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)投產(chǎn)的業(yè)績(jī)，需要加強(qiáng)生產(chǎn)監(jiān)造，對(duì)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(yàn)，以保證設(shè)備質(zhì)量。

推薦采用系統(tǒng)簡(jiǎn)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。

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