1 000 MW二次再热双机回热机组加热器配置探讨

孙德创 周雅君 杨腾

摘要：介绍了带有双机回热系统的百万二次再热机组的加热器配置方案，对加热器型式、布置方式进行了方案比选，提出了适应性强、可靠性高、经济性好的配置方案，对同类机组的加热器选型具有一定的参考意义。

关键词：单列布置;蛇形管加热器;混合式加热器

0    引言

随着资源日益紧缺和环境污染加剧，保障煤电清洁高效利用与高质量生存发展迫在眉睫。在新的历史条件下，以节能减排技术为核心，开发高效率高参数的汽轮机设备成为电力行业不可推卸的历史使命。从国内外的发展情况来看，大容量高参数超临界和超超临界机组是目前世界火电发展的重要趋势[1]。

对于超超临界机组，由于蒸汽参数较高（尤其是再热蒸汽），导致超高压缸、高压缸抽汽过热度较高，若将抽汽直接用于回热加热器的加热汽源，将产生较大的不可逆损失[2]。目前行业内对于这一问题的解决办法主要有两种：一种是给在再热后的部分抽汽增设外置式蒸汽冷却器，来降低回热抽汽的过热度;另一种是采用特殊的热力系统结构——双机回热系统，此方法理论上能够大幅降低再热后所有回热抽汽的换热过热度，可以大幅提高回热抽汽能级利用效率。

1    双机回热系统

百万二次再热机组双机回热系统示意图如图1所示。部分超高压缸排汽作为小汽轮机的进汽，小汽轮机抽汽代替高压缸、中压缸抽汽，作为回热系统的热源蒸汽，加热给水。小汽轮机设置6段抽汽，分别加热2号、3号、4号、5号、6号高压加热器中的给水和除氧器中的凝结水，小机排汽进入8号和9号低压加热器。8号低压加热器进汽部分通过管道连通9号低压加热器，剩余的排汽溢流进入9号低压加热器。

以小机抽汽代替主机抽汽，加热回热系统有以下优点：

（1）解决常规系统下再热后抽汽温度高、过热度增大的问题，化解高压加热器高温风险，提高系统安全可靠性，也降低了热耗，提高了能源利用率。采用双机回热方案可使当前的超超临界1 000 MW机组发电效率提高约0.23%，热耗降低30～35 kJ/kWh[3]。

（2）与常规系统相比，减少了主机一次再热、二次再热蒸汽流量，再热管道等尺寸变小，节省了造价，提高了安全性。

（3）取消了外置蒸汽冷却器，节省了设备投入，提高了热力循环能级效率，安全性提高。

（4）主机无抽汽、汽缸无開孔，有利于提高高中压模块安全可靠性，提高了汽机高、中压缸效率。

（5）回热式小汽机除了驱动给水泵外，还有小电机发电，供厂用电等使用，降低了厂用电率[4]。

2    双机回热系统设计方案

对于百万级二次再热机组，与常规机组相比，又增加了一次再热，机组初参数更高，各级抽汽参数、给水参数与常规一次再热相比，也会提高，这对高压加热器的选型和设计就有了更高的要求。

2.1    布置方式

目前高压加热器配置方式一般有100%容量单列和50%容量双列两种。国内1 000 MW级超超临界参数机组对于以上两种方式均有运行业绩，单列高加运行业绩相对较少;日本超临界和超超临界电厂600 MW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600 MW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[5]。

单双列高加优点分别如下：

单列布置优点：

（1）对于高压给水系统，布置相对简单，管道少，配套阀门和相应的仪表控制数量也少;

（2）减少了管道阻力损失和设备维护工作量[6];

（3）节省厂房用地，减小投资;

（4）有利于给水泵组等其他设备的灵活布置。

双列布置优点：

（1）因为只有50%容量，加热器本体换热面积小、体积小，设计制造容易;

（2）汽、水容量大，受热冲击、流体诱导振动、局部应力集中、大流量的疏水波动等影响大;

（3）如果系统出现问题，可以只解列一列，对锅炉的给水进口温度不会造成很大冲击，有利于保证锅炉的运行安全。

对于1 000 MW双机回热机组来说，回热系统设6级高压加热器，若采用双列高加布置，整个系统会非常复杂，占地面积大，投资也会大大增加。所以，建议本文中机组选用单列高加布置。对于单列布置一旦出现问题就会解列全部高加，对机组运行影响大的缺点，可采用高加三三分组切除或两两分组切除的小旁路设计，当任何一台高加因为事故停运时，只需要切除同组的高加，其他正常运行。

2.2    高压加热器结构形式

现代大型火力发电机组的回热系统中，高压加热器使用的结构型式通常有两种：U形管式和蛇形管式。

早期传统的高压加热器大多采用U形管式，U形管式高压给水加热器主要由管系、水室、壳体三大部件组成[7]，其结构示意如图2所示。由汽机抽汽来的高压蒸汽首先进入加热器的“过热蒸汽加热段”，沿“S”形管道流动，给水通过管板进入U形管，与管外蒸汽进行对流换热，蒸汽经过饱和蒸汽冷凝段、疏水冷却段后逐渐成为疏水，给水在U形管中被加热后经出水室混合进入上级加热器，正常和事故疏水调节装置能自动维持加热器水位正常。

蛇形管式加热器结构示意图如图3所示，它的主要组成部分有壳体、蛇形管束、集管。壳体两端分别有一个给水进口集管和给水出口集管，集管之间用蛇形管相连，蛇形管是蒸汽凝结段，给水通过集管进入蛇形管，与管外蒸汽进行对流换热，经过三四个流程后，通过出口集管流出。集管的材质多为厚壁锻件，集管上分布着与蛇形管数量相同的小接管，每个小接管均与蛇形管对接[8]。

U形管加热器与蛇形管加热器优缺点对比如下：

（1）外形尺寸方面，U形管流程简单，占厂房空间小，布置紧凑;蛇形管体积相对更大，重量更重[9]。

（2）受力情况方面，U形管采用传统管板形式，管板与水室封头连接处所受应力较大;蛇形管采用独特的集管结构，能够很好地将受力均匀分布。

（3）热适应性方面，U形管管板和水室相对厚重，抗热冲击性小;集管厚度与之相比大大减小，在抗热冲击性能方面有更好的表现，能很快适应温升，也能实现更多的变工况运行次数。

对于百万二次再热机组来说，给水压力一般能达到45 MPa，对于带有双机回热系统的机组，热源抽汽达到400～450 ℃以上，加热器承受的温度变化范围和速率都比传统机组相对更大。为了确保高压加热器的可靠性，本项目推荐蛇形管加热器。

2.3    回热小机末级低加选型

按传热方式不同，回热加热器分混合式和表面式加热器两种。在常规的火力发电厂回热系统中，除了除氧器采用一台混合式加热器外，其余加热器均为表面式[10]。除氧器后的8号低加，热源进汽是双机回热系统中小汽轮机背压排汽，此级加热器除了预热凝结水外，还有冷却小汽轮机排汽、维持小机背压的重要作用。因此，8号低压加热器的选型与其他低加有所不同。

在混合式加热器中，加热蒸汽与给水直接接触，将热量传递给给水，从而提高给水温度。由于加热蒸汽与给水之间没有温差，可以将给水加热到加热蒸汽压力下的饱和温度，换热效果好，热经济性高[11]。除此之外，混合式加热器还有以下特点[12-13]：

（1）由于不采用管束，金属耗量低，造价小;

（2）没有金属传热面，降低了给水中金属含量高的可能性;

（3）构造简单，维护方便;

（4）便于汇集不同压力和温度的疏水和蒸汽;

（5）水箱容积大，水位易于控制，压力波动小。

综上，混合式加热器换热效率高，水箱容积大，在稳定小机背压方面具有明显优势，在金属耗量、制造、投资以及汇集各种汽、水流等方面也都有优势。

由于在混合式加热器中，凝结水压力最终将与加热蒸汽压力一致，故为了保证凝结水及给水压力，需在混合加热器后配置升压泵，使给水逐级流动。

3    结语

综合以上分析比较，对于百万级二次再热双机回热机组，考虑其回热级数多、回热抽汽及给水参数高等因素，选择蛇形管加热器作为高压加热器，且单列布置;考虑回热系统末级加热器的进汽是小汽轮机排汽，选择混合式加热器作为末级低压加热器。以上选型方案大大提高了系统的可靠性、适应能力，且在优化厂房空间、优化布置、提高运行经济性等方面有明显优势，对于同类型的机组有可参考性。

[参考文献]

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[12] 王亚军，朱佳琪，李林，等.二次再热机组回热系统设计研究[J].电力勘测设计，2016（3）：16-24.

[13] 伍小林.混合式加热器在电厂中的应用[J].华北电力技术，1997（4）：56-59.

收稿日期：2019-12-10

作者简介：孙德创（1971—），男，山东人，高级工程师，研究方向：动力工程。