百万千瓦超超临界机组高压加热器选型

周 锐

广东省电力设计研究院

【摘 要】 该文介绍了百万千瓦超超临界机组高压加热器选择所需考虑的各种因素 【关键词】 百万千瓦 超超临界机组 高压加热器 选型 探讨

1 前 言

高压加热器在火力发电厂抽汽回热系统中占有非常重要的地位，给水通过高压加热器时被加热从而提高了循环的效率，高压加热器的故障停运会直接导致机组的效率降低，煤耗增加，从而直接影响电厂的正常运行和经济性。

目前，在全球运行的百万千瓦等级超超临界机组的高压加热器分双列高压加热器和单列高压加热器，双列高压加热器多采用U形管；单列高压加热器多采用蛇形管。由于国内尚无百万千瓦超超临界机组的运行业绩，因此本文结合国内部分已实施的百万千瓦超超临界项目，针对百万千瓦超超临界机组的高压加热器型式的选择进行初步探讨。

2 技术成熟度

国内现在进入实施阶段的百万千瓦超超临界机组的电厂主要有华能玉环电厂、山东邹县电厂四期、上海外高桥电厂三期及国电泰州电厂、国华宁海电厂二期等。除了上海外高桥电厂三期采用单列、卧式、U形管高压加热器以外，其余电厂均采用双列、卧式、U形管高压加热器。百万千瓦级超超临界机组的双列高压加热器与600MW超临界机组的单列高压加热器外形尺寸接近，而百万千瓦级超超临界机组的单列高压加热器由于加热面积较大，因此高压加热器的直径和长度均较大，表1为国内600MW及以上机组所采用的高压加热器外形尺寸的对照表，所有高压加热器均为卧式、U形管。

表1 国内600MW以上机组高压加热器典型外形尺寸对照表 项 目 壳体长度 (mm) 1号高压加热器 2号高压加热器 3号高压加热器 1号高压加热器 2号高压加热器 3号高压加热器 1号高压加热器 2号高压加热器 3号高压加热器 1号高压加热器 2号高压加热器 3号高压加热器 10770 12098 10970 11470 14040 9195 10300 11400 9900 9276 10760 9670 壳体直径 (mm) 2140 2100 2050 2100 2100 2100 2500 2650 2800 2170 2130 2060 600MW亚临界机组单列、卧式、U形管高压加热器 600MW超临界机组单列、卧式、U形管高压加热器 百万千瓦超超临界机组单列、卧式、U形管高压加热器 百万千瓦超超临界机组双列、卧式、U形管高压加热器

高压加热器的管束布置方式有两种，U形管布置和蛇形管布置，目前国内高压加热器生产厂商普遍采用U形管型式的管束布置，究其原因大致有以下方面：

1） U形管布置模型简单，传热计算结果比较准确；

2） U形管布置技术成熟，能提供技术支持的国外厂商较多；

3） 管束在壳体中的弯曲少，流动阻力小,管束装配相对简单；

4） 对于单列高压加热器而言，U形管布置的生产成本较低；

5） 蛇形管布置为德国BDT公司（Balcke-Dürr）专利，其专利转让费用较高。

对于600MW及以下容量的机组，采用U形管布置的单列式高压加热器完全可以满足加热面积的要求。但随着机组容量的增大，特别是对于百万千瓦超超临界机组，其高压加热器所需要的换热面积增加，对于U形管管束布置的单列式高压加热器而言只有以下两种方法可以达到目的，一是增加管束的长度，二是增加管束中换热管的数量。如果增加管束的长度，由于现在的600MW机组高压加热器管束长度已经超过了10m，再增加长度会导致管束运输困难，因此不宜采用。如果增加换热管数量，则需要相应增加管板的面积及厚度，并且加大高压加热器壳体的直径。对于U形管型式的高压加热器而言，其热应力集中的区域正好位于管板与壳体的连接处，增加换热管数量后，会给管板与壳体的设计制造带来很多新的问题。上海外高桥电厂三期所采用的单列、U形管高压加热器正是采用增加换热管数量的方法来增加换热面积。据了解，其生产厂商上海动力设备有限公司采用FOSTER WHEELER的加热器设计制造技术，而此次生产的高压加热器也是目前世界上最大容量的U形管高压加热器。对于其技术支持方FOSTER WHEELER公司，目前也没有百万千瓦超超临界机组单列、U形管高压加热器的订货业绩。据了解，上海动力设备有限公司对于百万千瓦超超临界机组单列、U形管高压加热器的制造过程进行了研究，难点如下：

(1) 高压加热器的整体重量和各个部件的重

量较大，受制于车间的起重能力，退火炉小车的承载能力等；

(2) 管板厚度增强，对于管板材料的采购、加工和起重要求较高；

(3) 球形封头厚度增加，对于球形封头材料的采购和加工要求较高。

对于上述难点，上海动力设备有限公司已基本有了解决方案。首先对高压加热器各个部件均进行了优化设计，将高压加热器总重控制在180吨以内。其次由于高压加热器的半球型水室封头壁厚较厚，达到了220mm，在与高压加热器管板的连接处较易产生裂纹，因此对高压加热器关键件进行了强度计算及球形封头与管板连接处的有限元应力分析计算，保证其结构的合理性。为了减少高压加热器管板的热应力，在高压加热器过热段采用了封闭式的包壳，使过热蒸汽对管板不进行接触，汽侧管板接触到的仍是饱和温度，使管板两侧的温差降到最小，从而可以减少热应力对高压加热器管板的影响。

相对于U形管高压加热器厚重的管板和球形封头而言，蛇形管高压加热器独特的连接手段则避免了热应力过于集中的问题。蛇形管高压加热器采用在母管上开孔来代替U形管高压加热器上传统的管板设计，母管壁厚只相当于相同条件下管板厚度的15％，因此，蛇形管布置比U形管布置更适合大容量机组的单列式高压加热器。蛇形管技术已经有了80年左右的发展历史，在德国运行业绩较多，如Niederauβem电厂950MW机组（1999年投运）、Lippendorf电厂920MW机组（2000年投运）等，目前最大容量蛇形管高压加热器的订货业绩是德国NEURATH电厂（计划2009年投运），其机组容量为1100MW，其单台高压加热器重量230吨，换热面积4087m2，壳侧设计温度435℃，管侧设计压力38MPa，给水流量797kg/s。

3 系统设置

根据上文的论述，针对现有的百万千瓦超超临界机组主厂房布置方式，高压加热器的型式可按以下方式进行考虑：双列、U形管、卧式高压加热器；单列、U形管、卧式高压加热器；单列、蛇形管、卧式高压加热器。对于单列高压加热器，

无论是采用蛇形管还是采用U形管的管束布置方式，均不会对高压给水系统的设置产生影响，因此可以采用同样的给水系统设置。而对于高压加热器是否采用单列型式还是双列型式，对给水系统的影响主要集中在从给水泵出口连接母管至锅炉省煤器进口母管之间的管道系统上面，对给水

系统的管道布置的影响也主要集中在汽机房内的高压给水管道布置上面。因此，对于方案一，采用双列、U形管、卧式高压加热器，其给水泵出口连接母管至锅炉省煤器进口母管之间的管道系统如图1所示：

图1 双列高加给水管道系统图

对于方案二，采用单列、U形管或者蛇形管、卧式高压加热器，其给水泵出口连接母管至锅炉

省煤器进口母管之间的管道系统如图2所示：

图2 单列高加给水管道系统图

由于方案一所采用了双列高压加热器的设置，当任一高压加热器故障时，同列三台高压加热器同时从系统中退出，给水能快速切换到该列给水旁路运行，此时运行的1列高压加热器可通过60％～65％的给水流量，机组在双列高压加热器解列时仍能带额定负荷。采用双列高压加热器

配置的给水系统运行方式灵活，对负荷的适应性较好。

方案二则采用了单列高压加热器的设置，其系统的运行方式与常规600MW机组给水系统采用给水大旁路系统设置时的运行方式类似。当任一高压加热器故障时，所有的高压加热器均从系

统中退出，给水快速切换到给水旁路运行，此时机组的热经济性较差。对于采用U形管的单列高压加热器而言，由于高压加热器的管板较厚，管板与壳体的连接处的热应力集中，在温度变化频繁的情况下容易产生裂纹，因此对负荷的适应性较差。对于采用蛇形管的单列高压加热器，由于其管束的连接方式解决了U形管热应力集中的问题，因此也能适应负荷的变化。

4 经济比较

高压加热器是否采用单列还是双列，其结果不仅仅影响到给水系统，同时对抽汽系统、加热器疏水系统也会产生影响，其除氧间的布置也不一样。当采用单列高压加热器时，其管束的型式则可以选择U形管布置或者蛇形管布置。对于这

两种型式的单列高压加热器而言，给水系统、抽汽系统、加热器疏水系统的设置基本一样，主厂房内设备及管道的布置差别也不大，主要还是高压加热器本身的价格差异。据了解，单列、蛇形管高压加热器由于技术引进的专利费用较高，同时其制作工艺相对复杂，因此其价格为同等容量单列、U形管高压加热器的1.5倍，如果采用整套进口的蛇形管高压加热器，其价格为U形管高压加热器的3倍以上。因此，由于单列、蛇形管高压加热器价格过高，在国内也无相应的制造和运行业绩，下面仅对采用U形管布置的单列高压加热器和双列高压加热器进行经济比较，详如表2（按一台机组计算）所示：

表2 单列与双列高压加热器投资费用比较表（按人民币计算） 比较项目 高压加热器本体投资费用 给水系统管道投资费用 给水系统阀门投资费用 抽汽系统管道投资费用 抽汽系统阀门投资费用 加热器疏水系统管道投资费用 加热器疏水系统阀门投资费用 主汽管道投资费用 再热热段管道投资费用 再热冷段管道投资费用 除氧间土建投资费用 总的投资费用差价 单位 万元 万元 万元 万元 万元 万元 万元 万元 万元 万元 万元 万元 单列、U形管 基数 基数 基数 基数 基数 基数 基数 基数 基数 基数 基数 基数 双列、U形管 200.00 8.49 112.00 -1.42 51.52 2.86 32.00 -21.31 -15.75 -3.38 -8.77 356.23 注：1. 上表中双列高压加热器对应主厂房布置方式为高压加热器错层布置，除氧间跨距10m；单列高

压加热器对应主厂房布置方式为高压加热器同层布置，除氧间跨距11m。

根据上表的比较，采用双列、U形管高压加热器时，其设备投资费用稍高，给水系统、加热器疏水系统、抽汽系统的阀门投资费用较高，但主汽再热管道的投资费用和土建的投资费用较低。其中高压加热器本体投资费用在经济比较中影响最大，其投资费用差价占了总的投资费用差价的50％以上。本次比较所采用的高压加热器价格数据为外高桥电厂三期招标时的价格，目前单列、U形管高压加热器仅有上海动力辅机有限

公司有订货业绩。据了解，由于采用了较多的进口部件，同时国内也只有一家管板制造厂商具备对单列、U形管高压加热器管板的制造加工能力，因此单列、U形管高压加热器的设备价格可能会有所提高，超过双列、U形管高压加热器的价格。另外一个影响较大的因素是给水系统阀门的投资费用，据了解，国内的进口阀门代理商对单列高加高压给水系统所采用的三通阀还没有比较准确的价格，只是按照以往的经验进行估

价。如果需要重新设计制造该规格的三通阀的话，其阀门的模具制作费用将相当昂贵，该部分费用将记入阀门的价格中。这几方面将影响采用单列高加后的经济性。

5 结 论

根据前文的论述比较，双列、U形管、卧式高压加热器技术上成熟可靠，对机组负荷变化的适应性好，能切除一列高压加热器运行且对机组热耗影响较小，但系统较复杂，费用相对于单列、U形管、卧式高压加热器略高；单列、U形管、卧式高压加热器在世界上尚无百万千瓦超超临界机组的运行业绩，对于国内的加热器制造厂而言存在一定的制造难度，对机组负荷变化的适应性较差，但系统简单，运行及维护较为方便，且费用最低；对于采用蛇形管布置的高压加热器而言，由于国内制造厂尚未引进该技术，且其技术引进费用较高，对于百万千瓦超超临界机组而言，每台机组整套蛇形管单列高压加热器比U形管单列高压加热器费用高1500万元左右，如果采用进口设备，则价格更高。

因此，针对不同工程，可根据不同的技术、经济要求选择合适的高压加热器。