新型外置蒸汽冷卻器在1 000 MW機(jī)組的應(yīng)用

周 波，張志挺，武云鵬

（華能玉環(huán)電廠，浙江 玉環(huán) 317604）

發(fā)電技術(shù)

新型外置蒸汽冷卻器在1 000 MW機(jī)組的應(yīng)用

周 波，張志挺，武云鵬

（華能玉環(huán)電廠，浙江 玉環(huán) 317604）

對(duì)比了2種常規(guī)的外置式蒸汽冷卻器和1種新型的外置式蒸汽冷卻器的系統(tǒng)流程和各自特點(diǎn)，介紹了新型蒸汽冷卻器的結(jié)構(gòu)組成和優(yōu)勢(shì)，在1 000 MW機(jī)組的應(yīng)用中節(jié)能效果顯著。

外置式蒸汽冷卻器；1 000 MW機(jī)組；節(jié)能

0 引言

在汽輪機(jī)抽汽加熱系統(tǒng)中使用外置式蒸汽冷卻器是充分利用抽汽過(guò)熱度，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的有效手段。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及對(duì)發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的要求不斷提高，大型機(jī)組高壓加熱器的蒸汽冷卻器正呈現(xiàn)由內(nèi)置向外置發(fā)展的趨勢(shì)[1]。

1 000 MW一次再熱超超臨界機(jī)組的3段抽汽來(lái)自中間再熱后汽輪機(jī)中壓缸的第一級(jí)抽汽，溫度較高。華能玉環(huán)發(fā)電廠1 000 MW機(jī)組額定工況下三抽蒸汽溫度465℃，而該抽汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度為216℃，蒸汽過(guò)熱度約250℃。低負(fù)荷過(guò)熱度更高，對(duì)應(yīng)的回?zé)峒訜崞鲹Q熱溫差增大，引起的不可逆損失增加[2]。目前，采用高壓加熱器內(nèi)置三抽蒸汽冷卻器的方式，如果將這些高過(guò)熱度的工質(zhì)利用于較高能位上，可以提高抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)的效率。

1 外置蒸汽冷卻器的選型

1.1 常規(guī)蒸汽冷卻器

常見(jiàn)外置蒸汽冷卻器有串聯(lián)方式和并聯(lián)方式，外置蒸冷器的被加熱介質(zhì)為高壓給水。

（1）串聯(lián)方式：將蒸汽冷卻器放置于1號(hào)高壓加熱器（以下簡(jiǎn)稱高加）出口，與之串聯(lián)，如圖1所示。

圖1 全容量外置蒸汽冷卻器串聯(lián)放置

通常，考慮到外置蒸汽冷卻器體積、造價(jià)等因素，外置式蒸汽冷卻器宜為部分容量，容量范圍一般為30%～50%，則改進(jìn)后的串聯(lián)回?zé)嵯到y(tǒng)如圖2所示。

外置蒸汽冷卻器串聯(lián)設(shè)置時(shí)，三抽蒸汽過(guò)熱度跨越3個(gè)抽汽能級(jí)，利用于較高能位加熱給水，提高了給水的終溫，能有效降低熱耗，提高熱力循環(huán)效率。但是，由于設(shè)置外置蒸汽冷卻器后進(jìn)入3號(hào)高加的蒸汽品質(zhì)降低，三抽蒸汽量增大，造成機(jī)組出力降低，特別是夏季時(shí)，會(huì)對(duì)機(jī)組負(fù)荷帶來(lái)一定影響。

圖2 部分容量外置蒸汽冷卻器串聯(lián)放置

（2）并聯(lián)方式：將蒸汽冷卻器與1號(hào)高加并聯(lián)，共同加熱2號(hào)高加出口給水，如圖3所示。

圖3 外置蒸汽冷卻器并聯(lián)放置

外置蒸汽冷卻器并聯(lián)設(shè)置時(shí)，三抽蒸汽過(guò)熱度跨越2個(gè)抽汽能級(jí)，與1號(hào)高加并聯(lián)加熱給水，利用于較高能位排擠了更高品質(zhì)的一抽蒸汽，能有效降低熱耗，同時(shí)被排擠的一抽蒸汽具有更高做功能力，增加了機(jī)組出力裕量。

1.2 新型外置蒸汽冷卻器

上述2種設(shè)置方式中，外置蒸冷器的被加熱介質(zhì)均為高壓給水，壓力很高，1 000 MW超超臨界機(jī)組的高壓給水額定運(yùn)行壓力在30 MPa以上，設(shè)備和給水管系設(shè)計(jì)壓力在38 MPa以上，導(dǎo)致設(shè)備制造難度大、造價(jià)高、運(yùn)行安全要求高，同時(shí)管系（包括管道、管件、閥門(mén)等）的造價(jià)很高，影響投資收益率，阻礙了該技術(shù)的大范圍應(yīng)用。

為解決上述問(wèn)題，一種新型的加熱疏水型外置蒸汽冷卻器應(yīng)運(yùn)而生（華東電力設(shè)計(jì)院專利技術(shù)），如圖4所示，利用高過(guò)熱度抽汽加熱末級(jí)加熱器疏水，目的在于通過(guò)采用壓力相對(duì)低的新系統(tǒng)，在提高熱力系統(tǒng)熱效率的同時(shí)，降低設(shè)備和管系的造價(jià)，提高投資收益率，擴(kuò)大節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用范圍。

系統(tǒng)流程為：高過(guò)熱度的蒸汽先進(jìn)入外置蒸汽冷卻器，加熱末級(jí)給水加熱器的疏水；高過(guò)熱度蒸汽被冷卻后成為低過(guò)熱度的蒸汽，供給相應(yīng)的用戶（包括前級(jí)的給水加熱器、除氧器、凝結(jié)水加熱器或其它蒸汽用戶）；末級(jí)給水加熱器的疏水進(jìn)入外置蒸汽冷卻器，被加熱汽化后，產(chǎn)生的蒸汽引回末級(jí)加熱器，加熱給水。

三抽蒸汽過(guò)熱度跨越2個(gè)抽汽能級(jí)，利用于較高能位上，排擠了更高品質(zhì)的一抽蒸汽，能有效降低熱耗，同時(shí)被排擠的一抽蒸汽具有更高做功能力，增加了機(jī)組出力裕量。與外置蒸汽冷卻器并聯(lián)設(shè)置的形式相比，新系統(tǒng)壓力相對(duì)低，設(shè)備和管系的造價(jià)低，安全性高。

圖4 用于加熱疏水的外置蒸汽冷卻器設(shè)置形式

2 外置蒸汽冷卻器對(duì)比與選型

（1）增設(shè)外置蒸汽冷卻器能有效利用三抽蒸汽的過(guò)熱度，減少熱耗值，使機(jī)組保持高效運(yùn)行，串聯(lián)方式可降低熱耗約11 kJ/kWh、并聯(lián)方式可降低熱耗約7 kJ/kWh、加熱疏水型可降低熱耗約7 kJ/kWh。

（2）雖然串聯(lián)式外置蒸汽冷卻器的熱經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較高，但會(huì)增大三抽蒸汽，并且沒(méi)有起到排擠一抽的作用，使得機(jī)組出力降低，在夏季高峰時(shí)會(huì)因少發(fā)電造成損失。綜合來(lái)看，3種方式綜合節(jié)能效果相差不大。

（3）由于加熱疏水型外置蒸汽冷卻器運(yùn)行/設(shè)計(jì)壓力相對(duì)較低，設(shè)備造價(jià)、管系（包括管道、管件、閥門(mén)等）造價(jià)低一些。另外對(duì)于加熱給水型外置蒸汽冷卻器，要將其設(shè)置于3號(hào)高加上方，需在25層上方新搭建平臺(tái)，土建費(fèi)用較高；而加熱疏水型外置蒸汽冷卻器可布置在與1號(hào)高加相同的運(yùn)轉(zhuǎn)層，采用立式，便于布置，土建費(fèi)用較低，靜態(tài)投資回收期約為3.95年，工程技改投資回收期短，經(jīng)濟(jì)效益顯著，優(yōu)于其他2種型式的4.68年、5.06年；同時(shí)由于運(yùn)行/設(shè)計(jì)壓力低，具有更好的運(yùn)行安全性。

綜上所述，3種外置式蒸汽冷卻器中，加熱疏水型外置蒸汽冷卻器投資低、收益率高、安全性高、適用性好，具有相對(duì)較好的使用效果，采用新型的加熱疏水型外置蒸汽冷卻器是最佳選擇。

3 加熱疏水型外置蒸汽冷卻器結(jié)構(gòu)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

如圖5所示，蒸汽冷卻器采用管板、U型管全焊接結(jié)構(gòu)，主要由管側(cè)球形水室、管系、殼體、除濕裝置等組成。換熱管內(nèi)介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽，殼側(cè)介質(zhì)為1號(hào)高加疏水及飽和蒸汽。

圖5 加熱疏水型外置蒸汽冷卻器結(jié)構(gòu)

加熱疏水型外置式蒸汽冷卻器設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 球形水室

水室由封頭與管板焊接而成，封頭為耐高壓的半球形結(jié)構(gòu)。球形封頭上設(shè)人孔以便于進(jìn)行檢修。水室內(nèi)設(shè)有將球形封頭一分為二的密閉式包殼，包殼可以自由膨脹，以補(bǔ)償因溫差引起的變形及瞬間水壓突變引起的變形與相應(yīng)的熱應(yīng)力。進(jìn)汽管及出汽管以全焊透的形式焊接在球形封頭上。封頭與管板也采用全焊透結(jié)構(gòu)焊接。

3.3 管系

管系由管板、換熱管、短筒身A/B、錐段及相關(guān)支撐結(jié)構(gòu)組成。管系中心與設(shè)備殼體采用偏心布置。

（1）管板采用整體鍛件加工而成，管板兩邊與管殼側(cè)殼體焊接處開(kāi)加工成半徑為30 mm的圓角，以改善管板的受力。管板開(kāi)有1 444個(gè)Φ25.25±0.05小孔。

（2）換熱管為U型管，換熱管內(nèi)介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽。管板與換熱管采用脹焊并用的連接方式。

（3）短筒身有兩部分，短筒身A與管板及錐段小端焊接，短筒身B與錐段大端及長(zhǎng)筒身焊接。焊接為全焊透結(jié)構(gòu)。

（4）為保證殼側(cè)足夠的汽空間，需設(shè)置錐段，錐段連接短筒身A與短筒身B，為偏心錐。

（5）為保證在制造、安裝及運(yùn)行中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)、變形及振動(dòng)，在換熱管的全長(zhǎng)上布置有一定數(shù)量的隔板，增加管束的整體剛性，防止振動(dòng)，并且保證管子受熱能自由膨脹。隔板用拉桿和定位管固定在規(guī)定的位置處。支撐結(jié)構(gòu)主要設(shè)置在隔板底部、上部及左右兩側(cè)，能對(duì)管系起到很好的支撐作用。

3.4 殼體與防沖板

殼體為全焊接結(jié)構(gòu)。除殼側(cè)安全閥接管及管殼側(cè)人孔外，其余所有接管均為焊接連接。殼體主要有長(zhǎng)筒身及標(biāo)準(zhǔn)橢圓型封頭組成。殼體上設(shè)置安全閥接管，蒸汽出口接管及疏水入口接管等。橢圓形封頭上設(shè)置人孔供檢修時(shí)使用。人孔為強(qiáng)制密封結(jié)構(gòu)，人孔法蘭為帶頸對(duì)焊法蘭，采用帶內(nèi)加強(qiáng)環(huán)的不銹鋼金屬纏繞墊。

為防止由疏水的沖擊引起換熱管的損壞，在疏水入口處設(shè)有不銹鋼防沖板。

3.5 除濕裝置與保溫

在殼體蒸汽出口接管內(nèi)部設(shè)置除濕裝置，由若干不銹鋼波紋板條以一定的間隙組成，主要作用是減少殼側(cè)蒸汽的含水量。

設(shè)備設(shè)置保溫鉤釘，保溫厚度為250/150 mm。保溫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)置在設(shè)備殼體上。

4 加熱疏水型外置蒸汽冷卻器系統(tǒng)流程

此次改造所采用的加熱疏水型外置蒸汽冷卻器系統(tǒng)流程如圖6所示，蒸汽冷卻器流程主要分為殼側(cè)流程和管側(cè)流程。與一般表面式換熱器不同的是，該外置式蒸汽冷卻器是管側(cè)工質(zhì)加熱殼側(cè)工質(zhì)。

圖6 加熱疏水型外置蒸汽冷卻器系統(tǒng)流程

（1）管側(cè)流程：具有較高溫度的三段抽汽，先進(jìn)入外置式蒸汽冷卻器管側(cè)，加熱1號(hào)高壓加熱器的疏水，高過(guò)熱度蒸汽冷卻為較低過(guò)熱度蒸汽，進(jìn)入3號(hào)高壓加熱器繼續(xù)加熱給水。

（2）殼側(cè)流程：2臺(tái)1號(hào)高壓加熱器的疏水合并為1根管道進(jìn)入外置式蒸汽冷卻器殼側(cè)（圖6中虛線管道），經(jīng)加熱后產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽經(jīng)管道一分為二（圖6中蒸汽冷卻器上部管道），進(jìn)入2臺(tái)1號(hào)高加入口，排擠了一段抽汽，節(jié)約了一段抽汽使用量。

該系統(tǒng)充分利用三段抽汽的高過(guò)熱度加熱疏水并排擠一段抽汽以達(dá)到的節(jié)能目的。

5 外置式蒸汽冷卻器投運(yùn)后的節(jié)能效果

5.1 對(duì)高加參數(shù)的影響

外置式疏水冷卻器投運(yùn)后高加各參數(shù)的變化見(jiàn)表2。從表2可見(jiàn)：

（1）蒸汽冷卻器投入后1號(hào)、3號(hào)高加的進(jìn)汽溫度有明顯下降。

（2）1號(hào)高加的進(jìn)汽壓力上升約0.1 MPa（對(duì)1號(hào)高加一抽進(jìn)汽起到了排擠的作用）。

（3）高加出口的給水溫度略有提高（約0.3℃），提高了經(jīng)濟(jì)性。

表2 外置蒸汽冷卻器投運(yùn)后對(duì)高加參數(shù)的影響

5．2 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用PEPSE軟件計(jì)算，當(dāng)外置蒸汽冷卻器用于加熱末級(jí)加熱器疏水時(shí)，利用三抽蒸汽過(guò)熱度加熱給水，可排擠更高品質(zhì)的一抽蒸汽，有效降低熱耗，并提高出力裕量。THA（熱耗考核）工況熱耗值為7 321 kJ/kWh，75%THA工況熱耗值為7 421 kJ/kWh，50%THA工況熱耗值為7 655 kJ/kWh，分別降低7 kJ/kWh，7 kJ/kWh，7 kJ/kWh。外置蒸汽冷卻器用于加熱末級(jí)加熱器疏水時(shí)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)如表3所示。

表3 外置蒸汽冷卻器應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

同時(shí)外置蒸汽冷卻器用于加熱末級(jí)加熱器疏水時(shí)，利用三抽蒸汽排擠一抽蒸汽，提高了機(jī)組出力裕量，經(jīng)PEPSE計(jì)算，出力將提高2.8 MW。夏季早晚高峰時(shí)，這部分出力將帶來(lái)多發(fā)電的收益。夏季滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)按照4 h/天計(jì)，夏季90天，共360 h。如表4所示，多發(fā)電將增加利潤(rùn)21.932萬(wàn)元，設(shè)置外置蒸汽冷卻器全年總利潤(rùn)可達(dá)110.25+21.932=132.182萬(wàn)元。

表4 多發(fā)電增加的利潤(rùn)

6 結(jié)語(yǔ)

玉環(huán)發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組的新型加熱疏水型外置式蒸汽冷卻器已于2015年1月投入運(yùn)行，取得了較好的節(jié)能效果。這種新型外置式蒸汽冷卻器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，仍需積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、解決外置式冷卻器相關(guān)閥門(mén)的聯(lián)鎖邏輯和外置式冷卻器水位控制的優(yōu)化等問(wèn)題，以使疏水加熱型外置式蒸汽冷卻器的經(jīng)濟(jì)性和安全性指標(biāo)最優(yōu)化。

[1]田家平，林俊光，吳猛，等.大型火電發(fā)電廠外置式蒸汽冷卻器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].浙江電力，2015（5）:36-38.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1998.

（本文編輯：徐 晗）

Application of A New Type of External Steam Cooler in 1 000 MW Unit

ZHOU Bo，ZHANG Zhiting，WU Yunpeng
（Huaneng Yuhuan Power Plant，Yuhuan Zhejiang 317604，China）

The paper compares two conventional external steam cooler with a new type of external steam cooler in terms of system flows and features；furthermore，it introduces the characteristics，advantages and system configuration of the new type of steam cooler，the application of which turns out to be effective in energy conservation in 1 000 MW unit.

external steamcooler；1 000 MW unit；energy conservation

TK264.1

B

1007-1881（2016）06-0033-05

2016-01-04

周 波（1976），男，工程師，主要從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)管理工作。