1000MW機(jī)組高壓加熱器的設(shè)計優(yōu)化選型

吳桂年

(廣東粵電博賀煤電有限公司,廣東茂名　525000)

1000MW機(jī)組高壓加熱器的設(shè)計優(yōu)化選型

吳桂年

(廣東粵電博賀煤電有限公司,廣東茂名525000)

此前國內(nèi)的1000MW超超臨界機(jī)組高壓加熱器受國內(nèi)生產(chǎn)制造能力的影響多采用雙列高加。結(jié)合博賀電廠設(shè)計的實(shí)際情況,對現(xiàn)今國內(nèi)各高加生產(chǎn)廠制造單列高加技術(shù)方案的對比分析,以及對單列高加和雙列高加的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,最終經(jīng)比較確定了粵電博賀電廠1000MW超超臨界機(jī)組采用單列式高壓加熱器。由于高加的上端差優(yōu)化后,可充分利用抽汽的過熱度,降低機(jī)組熱耗,因此同時采用高加上端差降低至-2℃的設(shè)計優(yōu)化選型。

1000MW機(jī)組高壓加熱器設(shè)計優(yōu)化選型

1　前言

廣東粵電集團(tuán)廣東電力發(fā)展股份有限公司擬結(jié)合博賀新港區(qū)的開發(fā)建設(shè)，在該臨港工業(yè)區(qū)建設(shè)一座大型火力發(fā)電廠。根據(jù)建設(shè)廠址的自然條件和廣東電力需求發(fā)展趨勢，本工程一期容量為4× 1000MW燃煤發(fā)電機(jī)組，留有再擴(kuò)建4×1000MW機(jī)組的余地。首兩臺工程建設(shè)2×1000MW超超臨界燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組，同步建設(shè)煙氣脫硫設(shè)施。擬分別在2016年3月和2016年7月投入商業(yè)運(yùn)行。

本期工程建設(shè)兩臺2×1000MW國產(chǎn)超超臨界燃煤機(jī)組。汽輪機(jī)采用上海電氣集團(tuán)產(chǎn)品、鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠產(chǎn)品、發(fā)電機(jī)采用上海電氣集團(tuán)產(chǎn)品。鍋爐按超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行內(nèi)螺紋管垂直上升水冷壁直流爐、單爐膛墻式反向雙切圓燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。汽輪機(jī)為超超臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、單背壓、凝汽式、帶蒸汽冷卻器的八級回?zé)岢槠啓C(jī)，主蒸汽進(jìn)口參數(shù):28MPa (a)，600℃;再熱蒸汽進(jìn)口620℃。本工程機(jī)組按帶基本負(fù)荷考慮，并具有一定的調(diào)峰性能。機(jī)組年利用小時為5500h。

隨著主機(jī)參數(shù)和容量的提高，機(jī)組配套輔機(jī)的參數(shù)、容量將有不同程度的提升。與常規(guī)亞臨界或超臨界600MW機(jī)組的配套輔機(jī)相比，1000MW超超臨界機(jī)組輔機(jī)的設(shè)計參數(shù)較前者具有更高參數(shù)和更大容量的特點(diǎn)，其設(shè)備結(jié)構(gòu)、配置方式和布置形式均有所不同。高壓加熱器是電廠回?zé)嵯到y(tǒng)的重要輔機(jī)之一，布置在給水泵和鍋爐之間，利用汽輪機(jī)高中壓缸的抽汽加熱給水，提高機(jī)組熱效率并滿足鍋爐各種工況下省煤器進(jìn)口溫度參數(shù)要求。此前國內(nèi)的1000MW超超臨界機(jī)組高壓加熱器受國內(nèi)生產(chǎn)制造能力多采用雙列高加。本文通過對現(xiàn)今國內(nèi)各高加廠生產(chǎn)制造單列高加技術(shù)方案的對比分析，以及對單、雙列高加的經(jīng)濟(jì)性差異比較，最終確定粵電博賀電廠1000MW超超臨界機(jī)組采用單列式高壓加熱器。由于高加的上端差優(yōu)化后，可充分利用抽汽的過熱度，降低機(jī)組熱耗，因此同時采用高加上端差降低至-2℃的設(shè)計優(yōu)化。

2　高壓加熱器型式選擇

高壓加熱器按布置形式劃分，可分為立式和臥式兩種。臥式具有結(jié)構(gòu)簡單、布置合理、檢修維護(hù)方便和疏水容積大的優(yōu)點(diǎn)，且解決了順置立式加熱器傳熱管內(nèi)積水無法排出和抽芯不方便;倒置立式加熱器疏水容積較小，水位控制較困難的問題。因此，國內(nèi)300MW以上機(jī)組高壓加熱器多采用臥式加熱器。大容量機(jī)組高壓加熱器按傳熱管型式劃分，主要有蛇形管和U形管。由于高加位于給水泵后，壓力參數(shù)較高。U形管式加熱器由于管板、水室、筒體一般較厚，水室分隔板在與管板、水室焊接和在高加快速切除時熱應(yīng)力較高。制造廠通常的解決方法是將水室分隔板組件制成半圓錐形或半球形，其底面與管板密封焊接，在水室分隔板組件與給水出口管之間用一個過渡圈連接。而蛇形管式加熱器進(jìn)出口為聯(lián)箱結(jié)構(gòu)，不存在水室分隔板和管板，因此熱應(yīng)力小。但有熱效率低，體積大的缺點(diǎn)。

表1

表2

表3

表4

圖1

圖2

3　單列高壓加熱器配置方案選擇

3.1國內(nèi)主要高加生產(chǎn)廠家技術(shù)方案

根據(jù)國內(nèi)設(shè)備廠的設(shè)計和加工水平分析，一般來講，容量為600MW及以下的機(jī)組，其高壓加熱器采用單列配置。而對于大容量的百萬千瓦級機(jī)組，目前國內(nèi)有雙列形式(2×50%容量)和單列形式(100%容量)兩種配置方式。對于25～28MPa的汽機(jī)進(jìn)汽參數(shù)，雙列50%容量的高加，國內(nèi)多個設(shè)備制造廠均有設(shè)計加工能力，并已經(jīng)分別取得國內(nèi)在建百萬機(jī)組項(xiàng)目的訂貨加工合同。對于采用單列100%容量的高加，雖然隨著設(shè)計壓力的提高和設(shè)備筒體直徑的增大，與600MW超臨界機(jī)組高壓加熱器相比，1000MW超超臨界機(jī)組高壓加熱器制造工藝要求更高，特別是高加的球形水室、管板厚度隨機(jī)組參數(shù)和容量的提高而加大、加厚。早前國內(nèi)的1000MW超超臨界機(jī)組單列高壓加熱器只有上海電氣集團(tuán)上海動力設(shè)備廠具備制造能力。而今，除上動廠外，東方鍋爐廠、哈爾濱鍋爐廠等廠家同樣具備了生產(chǎn)制造的實(shí)力，并具有各自的技術(shù)方案。

3.1.1上動廠單列高加技術(shù)方案

國內(nèi)最早具有制造1000MW機(jī)組全容量單列高壓加熱器的制造廠－上海動力設(shè)備有限公司，采用美國福斯特惠勒技術(shù)。通過計算分析，對高加各個部件均進(jìn)行了優(yōu)化，可以將高加總重控制在180噸之內(nèi)。高壓加熱器的半球型水室封頭壁厚較厚，達(dá)到了220mm，在與高加管板的連接處較易產(chǎn)生裂紋，針對這個問題，他們對高加關(guān)鍵部件進(jìn)行了強(qiáng)度計算及球形封頭與管板連接處的有限元應(yīng)力分析計算，保證其結(jié)構(gòu)的合理性。由于單列高加的大直徑，U 型管數(shù)多，為了防止在運(yùn)行中產(chǎn)生振動，在高加的凝結(jié)段采用了福斯特惠勒公司的蒸汽自動補(bǔ)償技術(shù)，在凝結(jié)段中不采用蒸汽強(qiáng)制流動，凝結(jié)段隔板采用大隔板，僅起支撐傳熱管的作用，并在隔板周邊加開蒸汽通道，使蒸汽可以在高加殼體中自由流動，而不采用傳統(tǒng)的強(qiáng)制流動的隔板。再利用U 型管中蒸汽凝結(jié)成水時體積的急劇變化而產(chǎn)生的局部真空使周邊的蒸汽自動流入。這樣一方面避免了運(yùn)行中的汽液兩相沖擊;另一方面也抑制了管系振動。而在高加的過熱冷卻段和疏水冷卻段采用的是強(qiáng)制流動，采用從F.W.公司引進(jìn)的管系振動設(shè)計，對每段U 型管的無支撐長度進(jìn)行計算，合理的布置隔板間距，在減少阻力和防止振動中取得最佳點(diǎn)。此外，對U型管彎頭處加裝防振柵架，防止其振動。

為了減少高加管板的熱應(yīng)力，在過熱段可以采用封閉式的包殼，使過熱蒸汽對管板不進(jìn)行接觸，汽側(cè)管板接觸到的仍是飽和溫度，使管板兩側(cè)的溫差降到最小，從而減少熱應(yīng)力對高加管板的影響。

圖3　外置式串聯(lián)蒸汽冷卻器

圖4　增加外置式蒸汽冷卻器

上海動力設(shè)備有限公司的全容量單列高壓加熱器的典型參數(shù)如表1:

3.1.2東鍋廠單列高加技術(shù)方案

東鍋廠單列高加水室為半球型封頭加自緊密封人孔結(jié)構(gòu)，水室內(nèi)部裝分程隔板組件、給水進(jìn)口端的換熱管裝有不銹鋼防沖套管。水室人孔采用高壓人孔自緊密封結(jié)構(gòu)(伍德式密封——四合環(huán)式)，密封可靠、拆卸方便(無需專用拆卸工具)，便于檢修。如圖1:

水室分程隔板組件由水室隔板、三塊蓋板(左、中、右)、門板及緊固件等組成，蓋板與門板的連接采用螺紋連接形式，通過常用工具即可實(shí)現(xiàn)水室進(jìn)出水兩側(cè)的檢修。而且，在給水進(jìn)口管于水室內(nèi)側(cè)端面上預(yù)留有M 10螺孔，檢修時可使用隨機(jī)提供的檢修螺栓M 10× 20將檢修用蓋板固定在給水進(jìn)口管端部，方便檢修并防止雜物落入給水管道。門板與蓋板采用彈簧墊圈并且雙螺母的結(jié)構(gòu)，可以有效避免運(yùn)行中螺母脫落的情況發(fā)生。門板厚度達(dá)到40mm，蓋板厚度為20mm，有足夠的剛性，可以有效抵抗給水沖擊。如圖2:

水室封頭采用13MnNiMo54材料，同設(shè)計參數(shù)下其計算所需厚度遠(yuǎn)低于SA-516GR70鋼板，人孔筒節(jié)和給水進(jìn)出口母管分別采用20MnMoNb鍛件材料。管系由管板、U型管、隔板(折流板及支撐板)、定距管、拉桿、中心管式抽空氣管(不凝氣體抽出管)、管束抗振結(jié)構(gòu)等組成。管板采用高強(qiáng)度低合金鋼鍛件20M nM oNbⅣ(JB4726-2000)，正面堆焊奧氏體不銹鋼，抗熱沖擊、抗沖刷能力強(qiáng)。相對于20MoMn材料，20MnMoNb計算厚度更低，其熱應(yīng)力更小，在負(fù)荷變化時對設(shè)備影響更小。傳熱管根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要為U型管形式，選用成型優(yōu)質(zhì)碳鋼管材料SA-556C2，規(guī)格為Ф16×2.3，為直接購買的成品U型管，其外徑、壁厚、橢圓度、壓扁率、粗糙度、表面質(zhì)量優(yōu)良，加之U型管彎管部分+相臨150mm直段和U形管管端450mm直段進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，換熱管逐根進(jìn)行渦流、超探等檢驗(yàn)，這些措施的采用大大提高U形管的可用年限，并降低管側(cè)運(yùn)行壓降。脹接采用液壓脹、焊接采用自動亞弧焊，焊后進(jìn)行高靈敏度氦檢漏，保證換熱管與管板連接和密封可靠、高加長期穩(wěn)定運(yùn)行。以合理的隔板間距布置、厚壁加強(qiáng)管的布置、(與隔板相焊牢的)履帶式導(dǎo)向滾輪和管束底部的角鋼支架(外殼筒體內(nèi)壁)的裝設(shè)、飽和段支撐板45°方向設(shè)置導(dǎo)向支撐板、飽和段管束側(cè)面槽鋼加固以及管系尾部U型管彎管段抗振結(jié)構(gòu)的合理布置等提高了整個管系的抗振能力與剛性、同時實(shí)現(xiàn)了管系與外殼套裝的簡便性、可行性。

3.1.3哈鍋廠單列高加技術(shù)方案

哈鍋廠單列高加水室采用半球形大水室結(jié)構(gòu)，低流速，減緩沖蝕，力學(xué)性能好。水室分流程包殼采用整體壓制的弧形板結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、補(bǔ)償熱應(yīng)力性能好等優(yōu)點(diǎn)。采用可取出的橢圓形自密封人孔蓋及帶內(nèi)外加強(qiáng)環(huán)的不銹鋼柔性石墨墊片，密封可靠，檢修方便。管板采用深碗型管板結(jié)構(gòu)。管板力學(xué)性能好，邊緣區(qū)域應(yīng)力變化平緩;增大了水室空間，降低水室的紊流度，使管端遠(yuǎn)離給水入口管，降低給水入口渦流對U形管入口部分的沖蝕，減少阻力損失;加大裝配和檢修空間。管子與管板采用內(nèi)凹式角焊接接頭結(jié)構(gòu)，形成較好的給水流線，降低管端入口沖擊，焊接接頭受力小。給水入口側(cè)的喇叭形孔的防沖壓板并輔助于不銹鋼防磨套管，形成了完整的入口防沖蝕結(jié)構(gòu)，可形成最佳的流線形水流，對于管端角焊接接頭和U形管入口部分有良好的防沖蝕保護(hù)作用。

哈鍋廠的全容量單列高壓加熱器的典型參數(shù)如表2:

3.2單列與雙列的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

為簡化高壓給水系統(tǒng)，更有利系統(tǒng)的安全運(yùn)行，目前，高加一般都采用大旁路系統(tǒng)。如果采用雙列高加，當(dāng)1臺高加發(fā)生事故時，該列高加解列，還有另一列高加繼續(xù)運(yùn)行;如果采用單列高加，當(dāng)1臺高加發(fā)生事故，該列高加將解列。從這方面講雙列高加的經(jīng)濟(jì)性較好，但隨著國內(nèi)制造廠生產(chǎn)能力的提高，產(chǎn)品的安全性能有了很大的保障，所以這方面雙列高加所顯示出來的優(yōu)勢越來越弱化。由于單列高壓加熱器的球形水室制造工藝較復(fù)雜、鍛造管板厚，設(shè)備單價略高于雙列管高壓加熱器的價格。但采用單列高加，對于抽汽系統(tǒng)、高壓給水系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)而言，相比雙列系統(tǒng)，減少了給水管道和閥門的數(shù)量，各種儀表和高加配套件的數(shù)量減少了一半，管路阻力損失和設(shè)備維護(hù)工作量減少。同時，采用單列高加布置空間要求較小，主廠房更為寬敞，有利于運(yùn)行巡檢及檢修維護(hù)。

單臺機(jī)組單列高加與雙列高加造價比較見表3:

通過以上對現(xiàn)今國內(nèi)各高加生產(chǎn)廠制造1000MW級超超臨界機(jī)組單列高加技術(shù)方案的對比了解，以及單列高加和雙列高加的經(jīng)濟(jì)性比較，得出結(jié)論為:單列高加和雙列高加的配置方案都是可行的，且單列高加綜合費(fèi)用可節(jié)省91.73萬元。由于全容量高加給水管道、抽汽以及加熱器疏水管道均為單路，相對雙列高加，系統(tǒng)簡單，管道路少，管系中閥門少，熱工測點(diǎn)及控制相對簡單，因此運(yùn)行控制相對較方便。

綜合上述因素，本工程采用單列式(1×100%容量)高壓加熱器的方案是可行的。

4　高壓加熱器端差優(yōu)化

目前1、2、3號高壓加熱器上端差(又為終端溫差，即高壓加熱器進(jìn)口蒸汽壓力下的飽和溫度與給水出口溫度之差)國內(nèi)動力廠或輔機(jī)廠分別按-1.7℃、0℃、0℃設(shè)計，但按《高壓加熱器: 技術(shù)條件》JB/T 8190-1999規(guī)定，設(shè)有內(nèi)置式蒸汽冷卻段高壓加熱器的終端溫差應(yīng)不小于-2℃，因此，加熱器上端差的取值仍有優(yōu)化的空間。通過熱平衡計算可知，當(dāng)1、2、3號高加上端差分別為-2℃時，汽機(jī)熱耗率分別降低0、1、2k J/kW.h;當(dāng)1~3號高加上端差均為-2℃時，汽機(jī)熱耗率降低3 k J/kW.h。從上述數(shù)據(jù)可見，1號高加上端差降低對機(jī)組熱耗無影響，說明1段抽汽的過熱度已得到充分應(yīng)用。根據(jù)與國內(nèi)制造廠商的交流，高加上端差降低2℃，高加本體設(shè)計可不用修改，即可以不增加設(shè)備投資。因此，對于1、2高加，上端差降到-2℃，其相應(yīng)抽汽的過熱度就能得到充分利用。如進(jìn)一步降低上端差，則需要配置外置式蒸汽冷卻器，投資增加很多，但機(jī)組的熱耗沒有變化。本工程1、2號高加不考慮配置外置式蒸汽冷卻器。對于3號高加，由于其抽汽的過熱度大，設(shè)置外置式蒸汽冷卻器可以提高給水溫度約4℃，按給水溫度修正曲線估算可降低機(jī)組熱耗9.3k J/kW.h，按上動廠的方案，外置式蒸汽冷卻器僅能通過30%的給水流量，另外70%的流量需經(jīng)旁路，系統(tǒng)較復(fù)雜，如圖3所示。

按上述系統(tǒng)配置，進(jìn)行簡單技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表4。

由表4可知，3號高壓加熱器增加外置式蒸汽冷卻器，根據(jù)廠家提供的熱平衡圖計算，其收益是十分可觀的，當(dāng)年內(nèi)就可以收回投資。經(jīng)過與高壓加熱器廠交流，如果在1號高加內(nèi)增加封閉蒸汽冷卻器，投資幾乎不變，也可以獲得相同的效果。即把3號高加外置串聯(lián)蒸汽冷卻器內(nèi)置于1號高加內(nèi)，不設(shè)置獨(dú)立的殼體，1號高加過熱蒸汽冷卻段分隔成兩段:高溫段和低溫段。將1號高加蒸汽冷卻段的高溫段除留有3段蒸汽進(jìn)出口外其余部分形成封閉空間。將第3段抽汽先引入1號高加蒸汽冷卻段的高溫段，放出部分過熱后再引入3號高加過熱蒸汽冷卻段，第1段抽汽從1號高加過熱蒸汽冷卻段的低溫段引入，如圖4所示。

綜上所述，本工程設(shè)計采用3號高加采用外置式蒸汽冷卻器置于1號高加內(nèi)方案，2號高加上端差取-2℃，機(jī)組分別可降標(biāo)煤耗9.3k J/kW.h、1k J/kW.h，結(jié)合發(fā)電標(biāo)煤耗分別約為0.341、0.037g/kW.h。按機(jī)組年運(yùn)行5500小時、標(biāo)煤價格1030元/噸計算，每年節(jié)省運(yùn)行分別費(fèi)用193.41、20.80萬元。

5　結(jié)語

通過以上對國內(nèi)各高加生產(chǎn)廠制造1000MW級超超臨界機(jī)組單列高加技術(shù)方案的對比分析，以及對單列高加和雙列高加的經(jīng)濟(jì)性比較，得出結(jié)論為:博賀工程采用單列高加和雙列高加的配置方案都是可行的，而單列高加綜合費(fèi)用可節(jié)省～91.73萬元。由于全容量高加給水管道、抽汽以及加熱器疏水管道均為單路，相對雙列高加，系統(tǒng)簡單，管道路少，管系中閥門少，熱工測點(diǎn)及控制相對簡單，因此運(yùn)行控制相對較方便。另外，當(dāng)2號高加上端差降低至-2℃時，每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用20.80萬元，3號高加采用外置式蒸汽冷卻器每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用193.41萬元。綜合上述因素，博賀電廠工程確定采用單列式(1×100%容量)的高壓加熱器，且2號高加上端差設(shè)計優(yōu)化為-2℃， 3號高加采用外置式蒸汽冷卻器置于1號高加內(nèi)的設(shè)計方案是經(jīng)濟(jì)可行的。

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吳桂年(1967—),男,廣東茂名人,工程師,主要從事發(fā)電廠的運(yùn)行及電廠籌建的設(shè)備技術(shù)的管理。