二次再热机组高压加热器及蒸汽冷却器的设计研发

胡 方

(上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海 200090)

二次再热机组高压加热器及蒸汽冷却器的设计研发

胡 方

(上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海 200090)

采用二次再热技术的超超临界机组，是燃煤机组中技术含量与运行效率较高的大容量机组。在二次再热燃煤机组中，高压加热器和蒸汽冷却器是工程配套中重要的辅机设备。介绍了二次再热系统中高压加热器及蒸汽冷却器的结构设计，以及对特殊材料的选用，并提出了确保设备安全运行的主要措施。

高压加热器； 二次再热； 蒸汽； 冷却器； 双列； 设计； 冷却段； 材料

0 概 述

二次再热技术是利用汽轮机(高压部分)内膨胀至某一中间压力的蒸汽全部引出，再进入锅炉的再热器，通过再次加热，然后回到汽轮机(中压部分)内继续作功。排汽经过二次再热器加热后，继续进入汽轮机的二次再热中压部分内膨胀做功。

二次再热机组是当今燃煤机组中技术含量较高的机组。由四级高压加热器(内设疏水冷却段)、一级除氧器和五级低压加热器组成的十级回热系统，汽机的2个低压缸排汽被排入凝汽器。由于采用二次再热技术，蒸汽参数比常规机组高许多，因此，在设计高压加热器和蒸汽冷却器等设备时，对于设备的选材和制造，均遇到相当多的困难。

1 高压加热器与蒸汽冷却器的作用

高压加热器的作用，是利用汽轮机的抽汽加热锅炉给水，可提高机组的热效率。蒸汽冷却器的作用，是利用给水加热系统中该级蒸汽较高的过热度，加热末级高加的给水，以进一步提高给水出口温度，从而提高机组的热效率。

高压加热器和蒸汽冷却器均采用U形换热管，管程为双流程，水室采用自密封结构。

2 高压加热器系统

二次再热高压加热器系统，主要由双列串联布置的高压加热器与外置蒸汽冷却器组合而成。每列有4台高压加热器和1台蒸汽冷却器。双列布置共计有10台设备，如图1所示。

图1 高压加热器系统的布置

3 主要技术参数

根据二次再热机组的运行工况，选定的高压加热器及蒸冷器的技术参数，如表1所示。

4 研究方向与关键技术

4.1 设计方案及换热性能

4.1.1 高压加热器的设计研发

设备的热工性能需要综合考虑换热效率与阻力的影响，通过结构迭代的方式，在蒸汽冷却段和疏水冷却段内选择最佳的横向与纵向流速，可提高传热效果，并降低流动阻力。设计中，对管系进行周密的振动计算，防止高加管束在不同工况下发生共振现象，从而影响换热管的使用寿命。

鉴于二次再热机组管侧的设计压力高达44 MPa，所以，高压加热器换热管选用规格为Ø16 ×2.7/2.9的厚壁管。为此，通过工艺试验，确定了厚壁管的胀接形式及胀接参数，提高了胀接接头的密封压力和拉脱力，确保管子与管板连接的可靠性。同时，1号高加的设计压力高达13.3 MPa，设计温度为460℃，短接直径为2 000 mm，设计厚度达140 mm，在轧制短接筒身时较为困难，为了便于生产制造，还对高压加热器的设计方案进行了优化。

4.1.2 高压加热器的结构设计

采用我公司专有的热力计算程序，根据机组的热力平衡图，按设计工况进行了热力性能计算，确定了管束中各换热段的换热面积。由于系统中增加了两级蒸汽冷却器，考虑其中1台对应的高压加热器过热度不够，为保证高压加热器和蒸汽冷却器的匹配性和安全性，研发后发现，在系统中的3台高压加热器内，可设置过热蒸汽冷却段(简称蒸冷段)、凝结段和疏水冷却段(简称疏冷段)三个传热区段，而在1台高加内，只能设置凝结段和疏冷段。

4.1.3 非正常运行工况下的校核

设计高压加热器时，除了满足换热性能的要求外，还需考虑设备的安全性。在各种工况下，高压加热器蒸冷段面积的大小，将影响设备运行的安全性。

高压加热器及蒸汽冷却器的设计方案，一般按TMCR或VWO工况进行设计。为满足此类工况计算所得的换热面积(包括蒸冷段面积)比低负荷工况下所需的换热面积大很多。但在低负荷运行工况下(介质流量、温度、压力均远低于设计工况)，经校核发现，按设计工况设计的蒸汽冷却器面积较大，如果在低负荷工况下，将使蒸汽的出口温度降低，甚至有可能低于低负荷工况下在平衡图上蒸冷器的蒸汽出口温度，这样其对应高压加热器的过热度也随之降低，蒸冷段面积的余量更大。高压加热器的蒸冷段面积余量过大，将在高压加热器蒸冷段的出口处出现汽水混流现象，会冲刷换热管，引起管束振动，造成加热器损坏。

表1 高压加热器及蒸冷器的技术参数

序号项目4号蒸冷器2号蒸冷器1号高加2号高加3号高加4号高加1加热器壳侧设计压力/MPa2.477.6113.307.614.452.47设计温度/℃565545460/340350/295465/260350/2302加热器管侧设计压力/MPa444444444444设计温度/℃3453603402952602303换热管材料SA556GrC2

在二次再热机组中，还有前置蒸冷器的高压加热器，如果过热度偏低，会导致该高压加热器的蒸冷段出口处，出现汽水混流现象，导致换热管冲刷减薄，或引起管束振动使换热管损坏，影响加热器的使用寿命。

4.2 蒸汽冷却器的设计要点

4.2.1 蒸汽冷却器材料的选用

在设计百万火电二次再热机组蒸汽冷却器时，由于蒸汽冷却器的运行温度和压力远高于常规的百万级机组，所以，选用的材料要具备耐高温、耐高压的性能。同时，在较高的温度下，材料还应具有较高的许用应力值。如果材料的高温性能低，所需筒体材料的厚度就较大，增加了材料在卷制、焊接、热处理等加工制造中的难度。

蒸汽冷却器的最高设计温度为565℃。常规选用的耐热钢的温度在565℃以下，如15CrMoR材料，但许用应力较低，无法满足设计和制造要求。如果按GB150-2011标准进行选用，选用在该温度下仍旧具备较高许用应力的Cr-Mo钢，如12Cr1MoVR或12Cr2Mo1R材料，则壳侧筒身的计算壁厚值，超过GB150.2-2011标准中规定的低合金钢钢板的许用范围。故选用ASME标准中的材料SA387Gr91CL2钢板制造蒸冷器的壳体筒身。12Cr2Mo1R及12Cr1MoVR钢板的许用应力，如表2所示。SA387Gr91CL2钢板的许用应力，如表3所示。

表2 12Cr2Mo1R及12Cr1MoVR钢板的许用应力

牌号厚度/mm在各温度下材料的许用应力/MPa500/℃525/℃550/℃575/℃12Cr2Mo1R6～1508961463712Cr1MoVR6～10095825941

表3 SA387Gr91CL2钢板的许用应力

牌号厚度/mm在各温度下材料的许用应力/MPa500/℃525/℃550/℃575/℃SA387Gr91CL2≤7512611710788.5>7512611810380.6

国内在压力容器上使用SA387Gr91CL2材料，尚为首次。为此，需对该材料的化学成分含量及热处理方式做出严格规定，并完成使用新材料的评审工作。

4.2.2 蒸汽冷却器的设计方案

通过对蒸汽冷却器不同蒸汽流道的研究，在综合考虑各种因素后，确定了2台蒸汽冷却器各自的最佳设计方案。在设计方案中，既降低了壳侧的压力损失，又提高了蒸汽冷却器的传热性能。

4.2.3 蒸汽冷却器的结构设计

二次再热蒸汽冷却器的运行参数高于常规机组，管程与壳程的温差更大。在运行状态下，由于管板与遮热板区域内存在的温差，引起的热膨胀差较大，使换热管根部产生的热应力分布状态与常规机组相比，更为恶劣。故应按JB4732-2005标准，对该处热应力进行应力评定及疲劳评定。确定遮热板区的结构和尺寸，以解决高温差引起的局部应力变化。

同时，由于蒸汽冷却器的作用相当于高加的蒸冷段，因此，控制蒸汽冷却器壳侧的流速，防止管束的振动，至关重要。为此，需对蒸冷器进行振动分析和校核，确定合理的结构，保证设备的安全运行。

5 结 语

二次再热机组的高压加热器及蒸汽冷却器的技术开发成果，已成功应用于泰州电厂二期工程2台百万千瓦超超临界二次再热燃煤发电机组。泰州项目是我国自主设计和制造的首台超超临界二次再热火电机组，作为我国燃煤发电的示范项目，也是国家科技部确定的“十二五”节能减排国家科技支撑计划项目。该项目采用了新技术，新工艺，选用了新材料，具有制造难等特点。同时，对系统配置和调试提出了更高的要求。

当前，在节能减排和降低碳排放的大背景下，二次再热技术无疑是提高机组热效率切实可行的有效手段，也是大型燃煤机组的发展方向，符合我国低碳环保和节能减排的要求。同样，二次再热技术，也可在用于其它同类机组。

[1] GB150.1～150.4-2011,压力容器[S].

[2] ASME锅炉及压力容器规范,第Ⅱ卷/材料/D篇/性能[S].

[3] JB4732-2005，钢制压力容器应力分析法设计标准[S].

[4] HEI，STANDARDS FOR CLOSED FEEDWATER HEATERS/第8版[S].

[5] ASME锅炉及压力容器规范第Ⅱ卷，A篇 铁基材料[S].

Design and Development of HP Heater and Steam Cooler for Double Reheat unit

HU Fang

(Shanghai Power Station Auxiliary Equipment Works, Shanghai Electric Power Generation Equip. Co., Ltd., Shanghai, 200090, China)

Ultra supercritical unit with double reheat technology is a large capacity unit with high technical content and high operating efficiency in the coal-fired unit. High pressure heater and steam cooler is an important auxiliary equipment in engineering supporting of double reheat coal-fired unit. The structure design of the high pressure heater and the steam cooler in the double reheat system and the selection of the special materials are introduced in this paper, and the main measures to ensure the safe operation of the equipment are also put forward.

high-pressure heater; double reheat; steam; cooler; double row; design; desuperheating zone; material

1672-0210(2017)01-0009-03

2016-02-03

胡方(1968-)，本科，高级工程师，从事电站辅机设备的设计工作。

TK264.9

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