蛇形管式高壓加熱器在大型火電機組中的應用

凌 峰

（1.上海交通大學，上海 200240；2.上海電氣電站設備有限公司上海電站輔機廠，上海 200090）

0 概 述

現(xiàn)代大型火力發(fā)電機組的回熱系統(tǒng)中的高壓加熱器通常有兩種結(jié)構型式，即U形管式和蛇形管式。目前，國內(nèi)百萬等級超超臨界機組常采用傳統(tǒng)形式的U形管式高壓加熱器，而在國外，尤其是歐洲的一些火電超臨界機組，已采用了蛇形管式的高壓加熱器。

1 問題的提出

早在上世紀80年代，國內(nèi)某300MW機組就已采用國外公司生產(chǎn)的中間再熱三缸雙排汽輪機，該機組配備了國外公司生產(chǎn)的3臺蛇形管集箱式結(jié)構的高壓加熱器，該高加自1985年底正式投運后，經(jīng)過多次的啟動與停運，運行性能良好，安全可靠。

隨著國內(nèi)電力工業(yè)的發(fā)展，高參數(shù)、大容量機組的數(shù)量在不斷增加。機組參數(shù)的提高和容量的增大，使得高壓加熱器的設計參數(shù)隨之增高。在百萬等級超超臨界機組中，高壓加熱器的管程設計壓力已達到44MPa，殼程的設計溫度已到500℃以上。參數(shù)提高增加了高壓加熱器的設計難度。同時對原材料提出了更高要求，制造難度加大。高參數(shù)使得傳統(tǒng)的U形管式高壓加熱器換熱管的泄漏頻繁發(fā)生。因此，進一步提高加熱器的可靠性顯得尤為重要。

2 現(xiàn)狀分析

國內(nèi)百萬等級的高加系統(tǒng)有單列和雙列兩種布置形式，U形管式高壓加熱器因結(jié)構緊湊，占廠房空間小，重量輕而應用廣泛。單列高壓加熱器因其投資小、占廠房空間小、系統(tǒng)布置簡單（管道、配套閥門及儀表控制數(shù)量少）等優(yōu)點，越來越受到用戶和設計院的青睞。

U形管式高壓加熱器水室的半球形封頭，一般采用鋼板壓制成形，管板一般采用合金鋼鍛件，表1中列舉了一些不同機組容量高壓加熱器的管程設計壓力、設計溫度、水室半球形封頭及管板厚度。

表1 U形管式高壓加熱器水室封頭和管板厚度

近年來，二次再熱百萬機組的管程設計壓力提高到44MPa，設計溫度為340℃。設計單列U形管式高壓加熱器時，水室的半球形封頭，板材規(guī)格、管板鍛件已超過標準允許范圍，管板鍛件若采用20MnMo鍛件，超過GB150.2表9《碳素鋼和低合金鋼鍛件許用應力》20MnMo鋼最大公稱厚度700 mm的要求。

由此可見，隨著機組容量的增大，設計參數(shù)的不斷提高，傳統(tǒng)U形管式高壓加熱器的設計難度越來越大。

在國外，考慮到熱疲勞開裂風險和設計壽命等因素，當壓力超過35MPa時，不建議采用U形管式高壓加熱器，而采用單列蛇形管式高壓加熱器。

3 技術分析

U形管式高壓加熱器主要由水室、水室分隔板、管束、殼體等組成。水室采用半球形封頭水室，配有自密封結(jié)構的橢圓形人孔，以供檢查與維修。U形管式高壓加熱器的結(jié)構，如圖1所示。

蛇形管式高壓加熱器主要由進出水室、管束（蛇形管、套管等）、殼體、固定支座和滑動支座等組成。進出水室采用聯(lián)箱結(jié)構，蛇形管的兩端分別焊接在進出口聯(lián)箱的短接管上，殼體封頭上設有人孔裝置，以備檢查維修用。蛇形管式高壓加熱器的結(jié)構，如圖2所示。

圖1 U形管式高壓加熱器的結(jié)構

圖2 蛇形管式高壓加熱器的結(jié)構

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計。U形管式高壓加熱器是通過管板和U形管束分隔給水和加熱蒸汽，而蛇形管式是通過聯(lián)箱和蛇形管束分隔給水和加熱蒸汽。

當采用U形管式高壓加熱器時，給水通過水室進口管進入U形管，最終從水室出口管流出。當采用蛇形管式高壓加熱器時，給水通過聯(lián)箱進口入蛇形管，經(jīng)過3或4個流程后，通過聯(lián)箱的出口流出。

在超超臨界機組中，高壓加熱器的管側(cè)承受著30～40MPa的內(nèi)壓。給水流量約400～800kg／s。在這些邊界條件下，瞬時的溫度變化作用在加熱器中厚度大的受壓組件上，由此產(chǎn)生的二次應力隨著組件厚度的加大而增加。

大容量機組U形管式高壓加熱器的管板厚度隨著設計參數(shù)的提高，管板厚度為400～800mm。試驗結(jié)果表明，管板厚度超過500mm即為臨界數(shù)值。管板的臨界厚度，如圖3所示。

圖3 管板臨界厚度

采用有限元結(jié)構分析軟件ANSYS10.0，建立高壓加熱器的計算模型。通過有限元分析計算，在載荷工況作用下，求得管程和殼程應力，以及管板、水室、殼體的局部應力，并按照壓力容器應力分析設計標準JB4732－2005，對結(jié)構在各種工況下的應力強度進行評定。通過分析計算，各處的應力狀態(tài)，如圖4所示。由圖4可知，管程壓力的單獨作用是最危險的壓力載荷工況，管板和水室封頭的過濾圓弧段是整個設備中最危險的區(qū)域。其次，管板布管區(qū)和管板與殼體連接處也是強度的薄弱區(qū)域。

圖4 應力分布圖

當管板厚度超過500mm臨界值，瞬時溫度梯度將在管板和水室筒身連接處產(chǎn)生高峰值應力，隨之在此連接區(qū)域易出現(xiàn)裂紋。在啟動、汽機跳閘或者高參數(shù)工況下運行時，所有加熱器均遭受熱應力沖擊。管板的設計厚度隨著應力增加而增厚，而厚度取決于設計壓力、尺寸和選材。不能無限地增加管板的厚度，必須從降低應力入手，這也是U形管式高壓加熱器在百萬機組中采用雙列布置的原因。如果高加的給水流量減半，所需殼體尺寸和管板厚度就可減小。U形管式高壓加熱器的熱彈性相對比較低。冷態(tài)啟動或者運行工況發(fā)生變化時，溫度的變化率限定在≤55℃／h，必要時可允許變化率≤110℃／h，但不能超過此值。當溫度變化率增加至220℃／h，加熱器的預計壽命將減少至300000次循環(huán)數(shù)。如果熱變化率劇增到780℃／h，加熱器的壽命將急劇縮短為1250次循環(huán)數(shù)。超臨界機組U形管式高壓加熱器的使用壽命，一般均為10～15年，以平均40年的機組壽命考慮，回熱系統(tǒng)中的加熱器需要改造3次。

蛇形管式高壓加熱器以其良好的熱彈性擁有許多優(yōu)勢，區(qū)別于U形管式高壓加熱器，其進口和出口聯(lián)箱壁的厚度僅為70～120mm。因此，若采用蛇形管式結(jié)構，可以解決U形管式加熱器管板厚度不斷增加的問題。對應于單列百萬級蛇形管式高壓加熱器的應力分布情況，在熱啟動時，殼體集箱聯(lián)接處所必需的厚度約為管板厚度的15%。蛇形管式高壓加熱器集箱的應力分布，如圖5所示。

圖5 應力分布圖

4 技術性能和經(jīng)濟分析

以某1 020MW機組工程為例，該機組1號高壓加熱器的典型參數(shù)，如表2所示。

表2 單列U形管式和蛇形管式高壓加熱器典型參數(shù)

從表2數(shù)據(jù)可知，在同樣的設計參數(shù)下，蛇形管式高壓加熱器的設計顯得較為“笨重”。但從運行和維修成本考慮，在大容量機組中采用蛇形管式高壓加熱器成本較低。根據(jù)有關數(shù)據(jù)分析，U形管式高壓加熱器平均壽命期望值在12～15年，而蛇形管式高壓加熱器平均壽命期望值在35～50年。從國外某換熱器公司了解到的實際投運數(shù)據(jù)表明，其出產(chǎn)的蛇形管式高壓加熱器的可靠性得到了很好的驗證。在過去近70年間，約有1200臺蛇形管式高壓加熱器被投運，共有約100萬根管子換熱管中，僅有18根換熱管被損壞，失效率低于0.000018%。蛇形管式高壓加熱器的低失效率和高壽命的優(yōu)點，提高了電廠運行效率，降低了維修成本，減少了維護的工作量。這一點得到了美國電力研究協(xié)會（Electric Power Research Institute，EPRI）調(diào)研結(jié)果的驗證。該協(xié)會調(diào)研了51個電廠（其中35個在美國，16個在歐洲）的200臺高壓加熱器的損害頻率和原因，其分析結(jié)果，如圖6所示。

圖6 美國電力研究學會的調(diào)研結(jié)果

由于歐洲電廠更廣泛地采用了蛇形管式加熱器，從而顯示出相對較好的運行狀態(tài)，與此相比較，U形管式加熱器則顯露出高頻率的維修率，并且時常發(fā)生對換熱器進行整臺更換的情況。

5 結(jié) 語

對大型火電機組高壓加熱器的運行分析表明，傳統(tǒng)的U形管式高壓加熱器將面臨更多在設計方面上的挑戰(zhàn)，而蛇形管式高壓加熱器擁有溫度梯度小、變化速率大及使用壽命長的特點。隨著國內(nèi)電力工業(yè)向高參數(shù)、大容量機組發(fā)展，蛇形管式高壓加熱器的應用將會得到推廣，在大型火電機組中的應用前景會更為廣闊。