摘要：对1000MW超超临界二次再热机组单列蛇形管高压加热器和双列U形管高压加热器的技术成熟度以及系统配置进行了比较分析，并对采用双列U形管式高压加热器及卧式与立式单列蛇形管高压加热器的配置方案进行了技术经济比较。结果表明，采用卧式单列蛇形管式高压加热器系统简单、布置方便，设备的寿命与可靠性均较高，且具有较好的运行经济性。
关键词：高压加热器；蛇形管；U形管；单列配置
1.引言
随着我国国民经济的高速发展，国内对能源（特别是电力）的需求增加异常迅猛。由此带来的能源紧缺、资源浪费、环境污染严重等问题已经成为制约我国经济发展的瓶颈。因此，节能减排将成为我国今后很长一段时间内的战略选择。建设“高效、节能、环保”的电厂成为当前电力发展的主题。
对于1000MW超超临界二次再热机组，高压加热器是机组承压最高的设备之一，也是整个抽汽回热系统中不可缺少的重要设备，高压加热器的设置和运行稳定性直接影响电厂的造价和运行经济性。
目前，1000MW超超临界机组高压加热器主要有U形管和蛇形管两种主要形式，对于每种形式又有单列配置与双列配置两种方式。受制造能力的限制，国内初期投运的1000MW超超临界一次再热机组多采用双列U形管式高压加热器。随着设计与制造技术的提升，目前1000MW超超临界一次再热机组多采用单列U形管式高压加热器。对于1000MW超超临界二次再热机组，由于其较高的设计参数，单列U形管式的高压加热器无法满足设计要求，因而国内投运的二次再热机组均采用双列U形式高压加热器。随着国内目前蛇形管高压加热器设计与制造技术的提高，使得1000MW超超临界二次再热机组采用单列高压加热器成为可能。采用单列高压加热器具有系统简单，运行及维护较为方便等特点，与此同时，单列高压加热器配置还能降低除氧间高度，进而减少主厂房造价，因此，本专题对采用单列高压加热器的可行性及经济性进行了研究与分析。
2.高压加热器配置方案
现代大型火力发电机组回热系统中的高压加热器通常有两种结构型式，即U形管式和蛇形管式，国内1000MW超超临界机组的高压加热器有单列和双列两种配置方式。
U形管式高压加热器主要由水室、水室分隔板、管束和壳体等组成。水室采用半球形封头水室，配有自密封结构的椭圆形人孔，以供检查和维修。
蛇形管式高压加热器主要由进出水室、管束（蛇形管、套管等）、壳体、固定支座和滑动支座等组成。进出水室采用联箱结构，蛇形管的两端分别焊接在进出口联箱的短管上，壳体封头上设有人孔装置，以备检查维修使用，具体结构及流程见图2.1-1。
图2.1-1 蛇形管式高压加热器结构
蛇形管式高压加热器的优势主要体现为：
1）抗热冲击能力高
蛇形管式高压加热器采用在集管上开孔来代替U型管式高压加热器上传统的管板设计，热应力分布比较均匀，具有较好的抗热冲击性能，提高了温升速率限制和变工况运行次数。
2）可靠性高，运行寿命较长
U形管式高压加热器的管板与U形管采用角焊缝和胀接连接，通常采用氦检漏，当机组频繁启停、热冲击运行中易发生管口泄漏。而蛇形管式高压加热器通过集管上的短接头与蛇形管焊接连接，对焊缝进行100%射线检测工艺，确保了焊接质量。
在1000MW超超临界二次再热机组中，高压加热器的管侧承受着44 MPa的内压，给水流量约为2750t/h，在这些边界条件下，瞬时的温度变化作用在加热器中厚度较大的受压组件上，由此产生的二次应力随着组件厚度的加大而增加。大容量机组U形管式高压加热器的管板厚度随着设计参数的提高而显著增加，相关试验及制造经验表明，管板厚度的临界值约为500mm。当管板厚度超过500mm的临界值时，瞬时温度梯度将在管板和水室筒身连接处产生应力峰值，随之在此连接区域容易产生裂纹，在启动、汽机跳闸或者高参数运行时，所有加热器均遭受热应力冲击。
U形管式高压加热器的热弹性相对比较低，冷态启动或者运行工况发生变化时，温度的变化率限定在≤55℃/h，必要时可允许变化率≤110℃/h，但不能超过该值，如果超过该值，则加热器的预期运行寿命将显著减少。蛇形管式高压加热器则具有较为良好的热弹性，可以顺利适应各种运行工况对于高压加热器的要求。
由此可见，随着机组容量的增大，设计参数的不断提高，传统U形管式高压加热器的设计难度越来越高。在国外，考虑到热疲劳开裂风险和设计寿命等因素，当压力超过35 MPa时，则不建议采用U形管式高压加热器，而采用蛇形管式高压加热器。
3.高压加热器配置方案经济性分析
3.1 高压加热器设备初投资
对于1000MW超超临界二次再热机组，其双列U形管式高压加热器的设备初投资约为6500万元。对于单列蛇形管式高压加热器，根据相关设备厂的估算，其设备初投资在8300~8500万元之间。暂取两台机组高压加热器共8300万元作为本专题计算中的卧式单列蛇形管式高压加热器初投资。
3.2 给水及抽汽系统管道及管件初投资
在优化比选的过程中，对采用双列U形管式高压加热器以及单列卧式和立式蛇形管式高压加热器的方案进行了实际的布置与比较。对于单列卧式和立式蛇形管式高压加热器方案而言，其抽汽管道和高压给水管道的总布置长度基本相似，因此可以将单列高加的方案作为一种进行考虑。三种方案抽汽管道、高压给水管道和相关阀门的初投资如表3.2-1所示。
表3-2.1 单列高加与双列高加抽汽及高压给水管道初投资对比（两台机组）
由上表可知，对于采用单列蛇形管式高压加热器的方案，其抽汽及给水管道等初投资较采用双列U形管式高压加热器降低约456.86万元。
3.3主厂房土建初投资
根据高压加热器类型对于主厂房布置影响的分析，与采用双列U形管式高压加热器相比，采用蛇形管式高压加热器可以降低除氧间的高度，减少除氧间的建筑容积进而减少土建初投资。与此同时，由于双列布置方案除氧器需要高位布置，这将对除氧间的构造产生一定影响，需要通过增加桩基的数量等措施提高除氧间的结构强度，这在一定程度上也会增加造价。
根据初步估算的数据，汽机房的单位容积造价为470元/m3，除氧间的单位容积造价为470元/m3，土建初投资对比详见表3.3-1。
表3.3-1 单列高加与双列高加土建初投资对比（两台机组）
由上表可知，与配置双列U形管式高压加热器相比，配置卧式单列蛇形管式高压加热器的土建初投资降低了731万元，而配置立式单列蛇形管式高压加热器的土建初投资增加了234.7万元。
3.4 高压加热器配置方案经济性对比
技术经济的比较采用电力行业认可的最小年费法。其表达式为：
NF=f×Z0+U0
NF：年费用
f：固定费用率，电力规划总院为了投标横向比较有可比性，避免标准不一致，除招标书有明确指定之外，规定固定费用率统一取f＝0.17，至今仍可适用。
Z0：设备投资，但省略去相同的设备运输、安装工程费用等。
U0：运行费，按定义应包含电耗费、小修费、用水费、材料费等等
单列蛇形管高压加热器和双列U型管高压加热器配置方案的运行费用及初投资差异的比较见表3.4-1。
表3.4-1 高压加热器配置方案经济性对比（两台机组）
注：上表中在役期间高加的年检修费用按照寿期内更换一次高加考虑，总费用6000万元，折算到每年约为200万元。
有上表可知，与采用双列U形管式高压加热器配置的方案相比，采用单列蛇形管式高压加热器配置的方案虽然初投资较高，但考虑到U形管式高压加热器在电厂全寿命周期内更换的费用，其仍具有较好的经济性，卧式单列高压加热器配置方案的年费用较双列U形管式高压加热器配置方案低96万元。对于卧式与立式单列高压加热器这两种配置方案，卧式单列高压加热器配置方案具有较好的经济性，年费用较立式单列高压加热器低113万元。因此，采用卧式单列蛇形管式高压加热器配置的方案具有最好的经济性。
4.结论
综上所述，对于1000MW超超临界二次再热机组的高压加热器选型结论如下：
1）双列U形管式高压加热器技术较为成熟可靠，可切除一列高压加热器运行，但系统较复杂，且对于1000MW超超临界二次再热机组，由于给水及汽轮机回热抽汽的参数较高，U形管式高压加热器的寿命及可靠性明显低于蛇形管式高压加热器。
2）单列蛇形管式高压加热器系统简单，运行及维护较为方便，运行经济性较好，且单列高压加热器在1000MW超超临界一次再热机组中已有较多成功的应用业绩。经过具体的分析与比较，可知采用卧式单列蛇形管式高压加热器方案的经济性优于采用立式单列蛇形管式高压加热器及双列U形管式高压加热器的方案。
论文作者:武卫卫
论文发表刊物:《电力设备》2019年第11期
论文发表时间:2019/10/18
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