1000MW二次再热机组高加选型研究

王亚军，朱佳琪，李 林，陈仁杰

（华东电力设计院有限公司，上海 200063）

1000MW二次再热机组高加选型研究

王亚军，朱佳琪，李 林，陈仁杰

（华东电力设计院有限公司，上海 200063）

本文介绍国内外1000MW机组的高加配置情况，对二次再热机组高压加热器配置情况进行分析，并对二次再热配置单列高加和双列高加做技术比较，提出适合二次再热机组的高压加热器配置方案。

二次再热；1000MW；高压加热器；单、双列。

1　概述

目前国内600MW级常规超临界及超超临界机组高压加热器均采用100%（单列）高压加热器。国内1000MW级超超临界参数100%（单列）高压加热器和50%（双列）高压加热器均有运行业绩，单列高加运行业绩相对较少；日本超临界和超超临界电厂600MW级以上的大型机组多配置单台容量为50%（双列）高压加热器；欧洲600MW级以上的超临界和超超临界电厂大多配置单台容量为100%（单列）高压加热器。

二次再热增加了一级再热，初参数更高，各级抽汽的参数及给水压力与一次再热相比都有了一定提升，对高压加热器的设计技术和制造水平提出了更高的要求。本文主要研究1000MW二次再热高压加热器的选型研究。

2　加热器的功能及配置

2.1加热器的功能

加热器的功能是利用在汽轮机内做完部分功的蒸汽，抽出其中一部分到回热系统加热器中用来加热通往锅炉的给水，提高给水的温度，减少进入凝汽器的排汽量，达到提高机组循环热效率，节省燃料的目的。

高压加热器是火电机组回热系统的关键设备，对提高机组热效率发挥着重要作用。高加的容量及工作参数随着机组容量及初参数的不断提升而提高，其设计制造难度也越来越大，已经成为制约火电机组进一步升级的关键因素之一。

2.2高压加热器容量的配置

国内外超临界及超超临界800～1000MW级电厂高压加热器的运行业绩见表1。

表1　800～1000MW级高压加热器的运行业绩

从表1看大容量超超临界一次再热机组高加单双列均是可行的，目前国内在建或投运的1000MW二次再热均采用双列高加。

3　加热器的结构型式及组成

加热器有两种基本结构型式，即表面式和混合式两种。混合式加热器是加热用的蒸汽直接与通过加热器的锅炉给水相接触，加热蒸汽和温度较低的锅炉给水接触后自身凝结成水，并将凝结放热传给锅炉给水，使给水温度升高，提高机组循环热效率。表面式加热器是通过受热面的金属管壁传递给管内的锅炉给水，由于存在传热端差，所以蒸汽热量在传递过程中有损失。虽然表面式加热器比混合式加热器传热效果差，但由于表面式加热器组成的回热系统简单，运行可靠和维修方便，所以在汽轮机回热系统中得到广泛采用。

加热器采用表面式换热形式，根据换热管的形状可分为U型管、蛇形管。

U型管加热器的管程及壳程是通过管板实现分隔的，管程为二程；而蛇形管高加的集管和管子将给水和蒸汽分隔在2个独立腔室里，管子通常在壳体内弯成三程或四程。高加主要由水室、换热管系、外壳、支座四大部分组成。

（1）水室

水室为半球型封头加自紧密封人孔结构。水室内部装分程隔板组件，给水进口端的换热管装有不锈钢防冲套管。水室封头上部设启动放气口，并兼作设备出厂前及现场水压试验满水检查和运输存放期间充氮保护用接口。水室封头底部设放水口，供水压试验后排水和停机检修排水用。

水室分程隔板组件由水室隔板、三块盖板（左、中、右）、门板及紧固件等组成，盖板与门板的连接采用螺纹连接形式，通过通用工具即可实现水室进出水两侧的检修。

（2）换热管系

加热器采用表面式换热型式，根据换热管的形状可分为“U”型管、螺旋管（又称为盘香式管或蛇形管）。

螺旋管式的加热器加工制造复杂、水阻大，而且成本比较高。U型管加热器的管程及壳程是通过管板实现分隔的，在机组热启动时加热器的壳体及管板之间应力较大。

大型机组高压加热器换热管基本上都采用碳钢管，国内的600～1000MW超（超）临界机组高压加热器都采用碳钢管作为传热管。虽然不锈钢管相对于碳钢管其防冲蚀、防腐、耐高温的性能更好，但不锈钢传热管价格昂贵，传热系数低，许用应力小。从金属的导热率上，碳钢的导热率为49 W/m.℃，而不锈钢的导热率仅为17 W/m℃，在同等参数情况下，碳钢管加热器所需换热面积要比不锈钢少20%～30%，因此不锈钢加热器体积、重量均远远大于碳钢管加热器。对于二次再热汽轮机参数为600℃/620℃/620℃的机组，其高压加热器的管侧设计温度最高不超过340℃，而HEI标准推荐的碳钢传热管（SA-556C2）的最高使用温度可达425℃，远大于高压加热器的管侧设计温度。从制造工艺上，碳钢管束具有较成熟的制造工艺经验，也有较好的使用业绩，而不锈钢管束用在高加上，目前尚无成熟的制造工艺。因此，碳钢管完全可以用作超超临界机组高加的传热管。

目前国内外用的最多的换热管的形状为“U”型管，由管板、U形管、隔板（折流板及支撑板）、定距管、拉杆、中心管式抽空气管（不凝气体抽出管）、管束抗振结构等组成。

U形管选用成型优质碳钢管材料SA-556C2，这是美国ASME标准中加热器专用钢管，国内各个加热器厂家普遍选用此材料。换热管采用100%无损检测，逐根进行水压试验，并进行消除应力热处理。胀接采用液压胀，焊接采用自动氩弧焊，焊后进行高灵敏度氦检漏，保证换热管与管板连接和密封可靠。

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，使过热蒸汽与管板不接触，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。

在蒸汽入口和上级疏水入口处均设置不锈钢挡板，分别防止蒸汽和上级疏水直接冲刷传热管。

（3）壳体

壳体由筒节、筒身、封头和若干管接头组成。各高加壳体均设置蒸汽进口、正常疏水出口、危急疏水出口、壳侧安全阀接口、运行排气口、启动放气口、启动放水口等。

高加过热段筒节根据加热蒸汽的温度，选择相适应的材料。外壳受压部件间的焊接均采用双面、全焊透型式。壳体管座均采用厚壁管整体补强。

（4）设备支座采用鞍式支座

通常每个加热设置有一个固定支架和两个滑动支架，一只固定支座位于管板下侧、两只滚动支座分别位于外壳尾部和中部。两支滚动支座均配有特制滚轮，现场安装时，仅装靠近外壳尾部的滚轮。检修、壳体移出时才将外壳中部的滚动支座的滚轮装上。

图1　水室结构图

4　1000MW一次再热与二次再热机组高加设计参数差异

1000MW一次再热与二次再热高加参数分别见表2、表3。

表2　1000MW一次再热高加设计参数（3高加+1前置蒸汽冷却器）

表3　1000MW二次再热高加设计参数（4高加+2前置蒸汽冷却器）

从表2、表3可以看出，二次再热增加了一级再热，初参数更高，各级抽汽的参数与一次再热相比都有了一定提升，管侧的设计压力由39 MPa提升到了44 MPa，最高壳侧压力从9.27 MPa提升至13.3 MPa，温度最高的前置蒸汽冷却器壳侧设计温度从483℃左右提升至552～565℃，最高管侧设计温度从335℃提升到350℃。

5　1000MW机组二次再热单列高压加热器加工制造情况

从上述参数变化情况分析，1000MW二次再热单列高加设计制造的关键课题有：

（1）材质对参数提升的适应性。

（2）管板、封头、壳体厚度增加导致的加工装备制约和采购可得性。

（3）厚度增加导致的温度应力分析及变工况运行适应性。

（4）异种钢焊接及热处理方案可行性。

（5）工厂起吊和大件运输的解决方案。

5.1国内三大主要高加制造厂情况

5.1.1上海动力设备有限公司

上海动力设备有限公司（技术源于美国F.W.）是国内具有制造大型高压加热器能力的制造厂，是国内最早具备生产1000MW机组单列高加的制造商，为外高桥三期工程设计制造的100%容量、卧式U型管高加，是利用引进的美国F.W.公司技术自行设计制造；目前也是1000MW二次再热机组高加的唯一投运业绩的厂家，其制造的二次再热机组泰州二期高加已经开始投运。

针对二次再热机组高加设计制造中的难点给出的意见如下：

（1）二次再热单列高加的管板材料拟采用20MnMo，经强度核算管板的有效厚度超过GB150.2 表9 《碳素钢和低合金钢锻件许用应力》20MnMo钢最大公称厚度700 mm的要求。因此，设计采用的许用应力缺乏标准依据。

因管板规格已超过标准规范，钢厂能否提供超标准的材料，上动采购部门正在征询中。

超过标准的材料需向国家质检总局提供文件与本规程基本安全要求的符合性申明，申报备案，能否批准有着不确定的因素。设备制造、现场安装需向所在地国家质检局监检。

（2）半球形封头材料拟采用13MnNiMoR，封头的工艺厚度～170 mm，材料门幅展开尺寸超标不能满足。

由于球形封头、管板壁较厚，封头与管板连接处易产生裂纹，针对高加关键部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，认为设备运行中温度控制要求高、风险难以控制。

（3）二次再热高加的U形管材料牌号与一次再热相同，强度能够满足要求；蛇形管方案需要技术引进目前沟通中，希望下一步能通过蛇形管的引进，增加二次再热单列高加设计生产的可行性。

最终给出的结论：目前设计、制造二次再热单列高加的材料采购条件不够成熟，设备运行中温度控制要求高、风险难以控制，不建议采用单列模式。

5.1.2东方锅炉厂有限公司

东方锅炉厂有限公司依托引进技术（日本日立技术），积极进行全容量高加的研发。经过对1000MW二次再热机组单列高加设计参数、系统配置、管板封头及壳体材料选择、壳体和管板异种钢焊接处理、启停及变工况运行温度应力分析、管板钻孔厚度精度等装备能力、锻件材料采购可得性、工厂加工起吊能力、高加外形尺寸及重量对工程运输能力要求等方面的深入研究论证和设计研发，证明1000MW二次再热机组采用单列高加技术上是可行的。

东锅认为对二次再热机组而言，无论单列还是双列高加，对材料的要求是一致的：半球形封头材料拟采用13MnNiMoR与上动一致；管板材料拟采用20MnMoNb锻件，认为20MnMoNb比20MnMo许用应力约高30%，具有更好适应性；换热管道亦采用U型管；其他部分材质基本与上动一致。

针对二次再热机组单列高加，东锅主要材料加工情况为：管板材料选择为20MnMoNbⅣ级锻件，国内如无锡宏达、一重、二重等厂商均可以实现锻造。管板毛坯需要起吊能力39 t，我公司拥有75 t跨可以满足管板的起吊。

管板初车在5M立车上加工。

管板孔采用我公司进口数控深孔钻，该设备数控深孔钻最大钻孔深度1100 mm，钻孔直径12～40 mm，水平移动有效钻孔范围为4 m，垂直有效钻孔范围为3.8 m，完全可以保证管板的钻孔加工。东锅二次再热单列高加方案的管板采用20MnMoNb材料，可研阶段设计与目前已投运的外三、平二采用的20MnMo厚度相当（均为总厚800），钢种类别均为碳锰钢，膨胀系数相当，其余筒体壁厚也基本相当。加热器启停时，温升、温降控制速率参照外三、平二项目运行经验，完全可以保证设备的安全运行。

水室封头采用13MnNiMoR，认为对该板材采用定尺采购，整板冲压成形，不拼接，热冲压后进行正火加回火热处理，国内舞阳钢厂可以供货。与管板连接采用窄间隙对接连接，并进行热处理，作100%RT和100%UT检测，管板与封头对接处采用内碗形设计、合理设计管板转

角处尺寸设计，可以降低应力集中的问题。

东锅最终给出的推荐意见：1000MW机组二次再热单列高加在设计、关键部件材料采购、加工、制造均没有制约性的因素， 东锅等生产厂家已经完全具备这样的能力。1000MW二次再热机组采用单列高加是完全可行的。但是设计采用的许用应力缺乏标准依据，其未能给出明确答复，需要进一步考证。

5.1.3哈尔滨锅炉厂有限公司

哈尔滨锅炉厂也依托引进技术（日本东芝技术），积极进行全容量高加的研发，目前百万机组一次再热机组已有台二的订货业绩。针对二次再热1000MW单列高加，其管板及封头的材料选择基本与东锅一致，换热管道亦采用U型管。

哈锅认为管板材料的采购、加工和起重能力能够满足单列高加球形封头要求。球形封头与双列高加相比较，厚度增加30 mm左右，球形封头与管板采用焊接。球形封头及管板的受力会采用应力分析，避免局部高应力的产生。但是也认为：设备筒身、球形封头、管板厚度大，如管板、球形封头的材料厚度往往超出了标准规定的范围，需要单独采购。

因此，1000MW的二次中间再热高压加热器设计制造在技术上是可行的，但是对于板材的选择及壁厚超标问题，亦不能给出明确答复。

5.2国外主要高加制造厂情况

欧洲600MW 级以上的超临界和超超临界电厂大多配置单台容量为100%（单列）高压加热器。单列高加大多采用蛇形管高加，其中德国DB公司为主要生产厂家。

蛇形管高加的集管和管子将给水和蒸汽分隔在2个独立腔室里，管子通常在壳体内弯成三程或四程。

图2　蛇形管高加基本结构

相比U形管高加，蛇形管高加的优点主要体现在以下几个方面。

（1）蛇形管高加抗热冲击能力较高

大型机组高压加热器的设计压力等参数较高，若采用管板式U形管高加，通常需要较大的管板直径和厚度，机组的启停会造成较大的热应力引起壳体和管板连接处的热裂纹。蛇形管高加的集管厚度一般在70～120 mm，仅有管板厚度的15%左右，具有较好的抗热冲击性能，未有过热疲劳断裂情况，提高了温升速率限制和变工况运行次数。U形管高压加热器允许的温升速率限制为5～10 K/min，设计寿命小于15年；蛇形管高压加热器允许的温升速率大于＞25 K/min，设计寿命达35～50年。

（2）可靠性高，运行寿命较长

通常蛇形管高加可以运行50年以上，管子损坏率极低。据BD公司统计，从1935年开始生产的1200台蛇形管高加超过100万根管子的损管率仅为0.013%，过去40年中仅有30根损坏，其中第一根管子损坏发生在运行20年后。

蛇形管高加目前国内无制造厂家，部分厂家已经在引进技术，上海电站辅机厂引进德国DB公司技术已经签订国内合同，即将进行生产制造环节，除第一台蛇形管完全在DB公司生产，国内组装外，第二台由上海电站辅机厂生产，DB公司技术指导， 随后蛇形管高加将完全在上海电站辅机厂自主生产，其价格将大幅度减少，为1000MW二次再热机组单列高加选择创造有利的条件。

图3　U形管高加和蛇形管高加热应力分布

6　选型参考意见

对于汽轮机参数为31 MPa（a）/600℃/620℃/ 620℃的超超临界二次再热机组，其高压加热器的管侧设计温度仍在350℃以下，而采用U型管技术的SA556GrC2材料的最高使用温度为800℉（427℃），远大于高压加热器的管侧设计温度。从制造工艺上，碳钢管束具有较成熟的加工制造工艺，也有较多的使用业绩，因此碳钢管可以用于超超临界二次再热机组高压加热器。

由于与1000MW超超临界一次再热机组相比，1000MW超超临界二次再热机组的给水设计压力更高，对高压加热器的设计技术和制造水平提出了更高的要求。对1000MW超超临界二次再热机组高压加热器采用单列和双列配置，各主要制造厂意见如下：

（1） 上海电气电站设备有限公司电站辅机厂：建议采用双列高压加热器。如采用单列高压加热器，一是管板采购困难，质量控制无保证，同时存在超出规范的问题（GB 150中20MnMo厚度700 mm以上查不到许用应力）；二是市场调研表明厚度170 mm的封头板材可以采购到，但冲压不出来；三是汽侧存在厚壁筒体问题，如果涉及到进口材料，汽侧封头需要在国外压制。

（2）哈尔滨锅炉厂有限责任公司：虽然推荐采用单列高压加热器，但认为设备直径大，水室半球形封头和管板厚，板材和锻件采购困难，制造难度大。

（3）东方锅炉股份有限公司：推荐采用单列高压加热器，可以节省占地面积、方便系统控制、优化热经济效益，且单列高压加热器本体成本比双列高压加热器略低1%～2%，机组整体造价应比双列配置方案低；设备的制造与组装全部在其新建成的德阳核电、辅机、容器制造基地完成，球形封头考虑热压成型，外委厂家进行冲压。但至今还没有二次高压加热器设计和供货业绩，在二次再热机组双列高加还未完成设计的情况下，就认为具备单列能力，需要一定的评估。

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形管高压加热器的约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，但是随着蛇形管高压加热器引进消化吸收，其价格将进一步下降至可控范围。

目前国内正在实施的国电泰州和华能莱芜1000MW超超临界二次再热机组均采用双列高压加热器（均由上海电气电站设备有限公司电站辅机厂供货），结合各主要制造厂的咨询意见，以及泰州二期高加已经投运情况；同时结合国外高加配置及运行情况。推荐二次再热1000MW高压加热器的选型：若选用现有U型管技术，建议采用双列配置，以保证机组运行安全性；若采用蛇形管技术，建议采用单列配置。

［1］ GB 50660-2011，大中型火力发电厂设计规范［S］.

［2］ GB150-2011，压力容器［S］.

［3］ GB151-1999，管壳式换热器［S］.

［4］ GB50764-2012，电厂动力管道设计规范［S］.

HP-heaters Selection Research of 1000MW Double Reheat Unit

WANG Ya-jun， ZHU Jia-qi， LI Lin， CHENG Ren-jie
（East China Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200063， China）

The article describes the configuration of domestic and foreign HP-heaters for 1000MW units. The HP-heaters configuration of double reheat units is analyzed and technology comparison of single or double row HP heater configuration. A scheme of HP-heaters is proposed for double reheat units.

double reheat； 1000MW； HP-heaters； single double raw.

TM621

A

1671-9913（2016）03-0001-06

2016-02-17

王亚军（1974- ），男，安徽舒城人，高级工程师，从事电站热机专业的设计。