新型外置蒸汽冷卻器在1 000 MW機組的應用

周波，張志挺，武云鵬/華能玉環電廠

摘要：對比了2種常規的外置式蒸汽冷卻器和1種新型的外置式蒸汽冷卻器的系統流程  和各自特點，介紹了新型蒸汽冷卻器的結構組成和優勢，在1 000 MW機組的應用中節能效果顯著。

0 引言

    在汽輪機抽汽加熱系統中使用外置式蒸汽冷卻器是充分利用抽汽過熱度，提高系統經濟性的有效手段。隨著技術的不斷進步，以及對發電機組經濟性的要求不斷提高，大型機組高壓加熱器的蒸汽冷卻器正呈現由內置向外置發展的趨勢^【1】。1 000 MW 一次再熱超超臨界機組的3 段抽汽來自中間再熱后汽輪機中壓缸的第一級抽汽，溫度較高。華能玉環發電廠1 000 MW 機組額定工況下三抽蒸汽溫度465℃，而該抽汽壓力對應的飽和溫度為216℃，蒸汽過熱度約250℃。低負荷過熱度更高，對應的回熱加熱器換熱溫差增大，引起的不可逆損失增加^[2]。目前，采用高壓加熱器內置三抽蒸汽冷卻器的方式，如果將這些高過熱度的工質利用于較高能位上，可以提高抽汽回熱系統的效率。

1 外置蒸汽冷卻器的選型

1.1 常規蒸汽冷卻器

    常見外置蒸汽冷卻器有串聯方式和并聯方式，外置蒸冷器的被加熱介質為高壓給水。

（1）串聯方式：將蒸汽冷卻器放置于1 號高壓加熱器（以下簡稱高加）出口，與之串聯，如圖1所示。

   通常，考慮到外置蒸汽冷卻器體積、造價等因素，外置式蒸汽冷卻器宜為部分容量，容量范圍一般為30%～50%，則改進后的串聯回熱系統如圖2 所示。外置蒸汽冷卻器串聯設置時，三抽蒸汽過熱度跨越3 個抽汽能級，利用于較高能位加熱給水，提高了給水的終溫，能有效降低熱耗，提高熱力循環效率。但是，由于設置外置蒸汽冷卻器后進入3 號高加的蒸汽品質降低，三抽蒸汽量增大，造成機組出力降低，特別是夏季時，會對機組負荷帶來一定影響。

（2）并聯方式：將蒸汽冷卻器與1 號高加并聯，共同加熱2 號高加出口給水，如圖3 所示。

 外置蒸汽冷卻器并聯設置時，三抽蒸汽過熱度跨越2 個抽汽能級，與1 號高加并聯加熱給水，利用于較高能位排擠了更高品質的一抽蒸汽，能有效降低熱耗，同時被排擠的一抽蒸汽具有更高做功能力，增加了機組出力裕量。

1.2 新型外置蒸汽冷卻器

    上述2 種設置方式中，外置蒸冷器的被加熱介質均為高壓給水，壓力很高，1 000 MW 超超臨界機組的高壓給水額定運行壓力在30 MPa 以上，設備和給水管系設計壓力在38 MPa 以上，導致設備制造難度大、造價高、運行安全要求高，同時管系（包括管道、管件、閥門等）的造價很高，影響投資收益率，阻礙了該技術的大范圍應用。

為解決上述問題，一種新型的加熱疏水型外置蒸汽冷卻器應運而生（華東電力設計：專利技術），如圖4 所示，利用高過熱度抽汽加熱末級加熱器疏水，目的在于通過采用壓力相對低的新系統，在提高熱力系統熱效率的同時，降低設備和管系的造價，提高投資收益率，擴大節能降耗技術的應用范圍。系統流程為：高過熱度的蒸汽先進入外置蒸汽冷卻器，加熱末級給水加熱器的疏水； 高過熱度蒸汽被冷卻后成為低過熱度的蒸汽，供給相應的用戶（包括前級的給水加熱器、除氧器、凝結水加熱器或其它蒸汽用戶）； 末級給水加熱器的疏水進入外置蒸汽冷卻器，被加熱汽化后，產生的蒸汽引回末級加熱器，加熱給水。

    三抽蒸汽過熱度跨越2 個抽汽能級，利用于較高能位上，排擠了更高品質的一抽蒸汽，能有效降低熱耗，同時被排擠的一抽蒸汽具有更高做功能力，增加了機組出力裕量。與外置蒸汽冷卻器并聯設置的形式相比，新系統壓力相對低，設備和管系的造價低，安全性高。

2 外置蒸汽冷卻器對比與選型

（1）增設外置蒸汽冷卻器能有效利用三抽蒸汽的過熱度，減少熱耗值，使機組保持高效運行，串聯方式可降低熱耗約11 kJ/kWh、并聯方式可降低熱耗約7 kJ/kWh、加熱疏水型可降低熱耗約7 kJ/kWh。

（2）雖然串聯式外置蒸汽冷卻器的熱經濟性相對較高，但會增大三抽蒸汽，并且沒有起到排擠一抽的作用，使得機組出力降低，在夏季高峰時會因少發電造成損失。綜合來看，3 種方式綜合節能效果相差不大。

（3）由于加熱疏水型外置蒸汽冷卻器運行/設計壓力相對較低，設備造價、管系（包括管道、管件、閥門等）造價低一些。另外對于加熱給水型外置蒸汽冷卻器，要將其設置于3 號高加上方，需在25 層上方新搭建平臺，土建費用較高； 而加熱疏水型外置蒸汽冷卻器可布置在與1號高加相同的運轉層，采用立式，便于布置，土建費用較低，靜態投資回收期約為3.95 年，工程技改投資回收期短，經濟效益顯著，優于其他2 種型式的4.68 年、5.06 年； 同時由于運行/設計壓力低，具有更好的運行安全性。

    綜上所述，3 種外置式蒸汽冷卻器中，加熱疏水型外置蒸汽冷卻器投資低、收益率高、安全性高、適用性好，具有相對較好的使用效果，采用新型的加熱疏水型外置蒸汽冷卻器是最佳選擇。

3 加熱疏水型外置蒸汽冷卻器結構

3.1 設計參數

   如圖5 所示，蒸汽冷卻器采用管板、U 型管全焊接結構，主要由管側球形水室、管系、殼體、除濕裝置等組成。換熱管內介質為過熱蒸汽，殼側介質為1 號高加疏水及飽和蒸汽。加熱疏水型外置式蒸汽冷卻器設計參數如表1 所示。

3.2 球形水室

    水室由封頭與管板焊接而成，封頭為耐高壓的半球形結構。球形封頭上設人孔以便于進行檢修。水室內設有將球形封頭一分為二的密閉式包殼，包殼可以自由膨脹，以補償因溫差引起的變形及瞬間水壓突變引起的變形與相應的熱應力。進汽管及出汽管以全焊透的形式焊接在球形封頭上。封頭與管板也采用全焊透結構焊接。

3.3 管系

    管系由管板、換熱管、短筒身A/B、錐段及相關支撐結構組成。管系中心與設備殼體采用偏心布置。

（1）管板采用整體鍛件加工而成，管板兩邊與管殼側殼體焊接處開加工成半徑為30 mm 的圓角，以改善管板的受力。管板開有1 444 個ɸ25.25±0.05 小孔。

（2）換熱管為U 型管，換熱管內介質為過熱蒸汽。管板與換熱管采用脹焊并用的連接方式。

（3）短筒身有兩部分，短筒身A 與管板及錐段小端焊接，短筒身B 與錐段大端及長筒身焊接。焊接為全焊透結構。

（4）為保證殼側足夠的汽空間，需設置錐段，錐段連接短筒身A 與短筒身B，為偏心錐。

（5）為保證在制造、安裝及運行中不發生偏轉、變形及振動，在換熱管的全長上布置有一定數量的隔板，增加管束的整體剛性，防止振動，并且保證管子受熱能自由膨脹。隔板用拉桿和定位管固定在規定的位置處。支撐結構主要設置在隔板底部、上部及左右兩側，能對管系起到很好的支撐作用。

3.4 殼體與防沖板

    殼體為全焊接結構。除殼側安全閥接管及管殼側人孔外，其余所有接管均為焊接連接。殼體主要有長筒身及標準橢圓型封頭組成。殼體上設置安全閥接管，蒸汽出口接管及疏水入口接管等。橢圓形封頭上設置人孔供檢修時使用。人孔為強制密封結構，人孔法蘭為帶頸對焊法蘭，采用帶內加強環的不銹鋼金屬纏繞墊。為防止由疏水的沖擊引起換熱管的損壞，在疏水入口處設有不銹鋼防沖板。

3.5 除濕裝置與保溫

    在殼體蒸汽出口接管內部設置除濕裝置，由若干不銹鋼波紋板條以一定的間隙組成，主要作用是減少殼側蒸汽的含水量。設備設置保溫鉤釘，保溫厚度為250/150 mm。保溫結構簡單，設置在設備殼體上。

4 加熱疏水型外置蒸汽冷卻器系統流程

    此次改造所采用的加熱疏水型外置蒸汽冷卻器系統流程如圖6 所示，蒸汽冷卻器流程主要分為殼側流程和管側流程。與一般表面式換熱器不同的是，該外置式蒸汽冷卻器是管側工質加熱殼側工質。進入外置式蒸汽冷卻器管側，加熱1 號高壓加熱器的疏水，高過熱度蒸汽冷卻為較低過熱度蒸汽，進入3號高壓加熱器繼續加熱給水。

（2）殼側流程：2臺1 號高壓加熱器的疏水合并為1 根管道進入外置式蒸汽冷卻器殼側（圖6中虛線管道），經加熱后產生過熱蒸汽經管道一分為二（圖6 中蒸汽冷卻器上部管道），進入2 臺1 號高加入口，排擠了一段抽汽，節約了一段抽汽使用量。該系統充分利用三段抽汽的高過熱度加熱疏水并排擠一段抽汽以達到的節能目的。

5 外置式蒸汽冷卻器投運后的節能效果

5.1 對高加參數的影響

    外置式疏水冷卻器投運后高加各參數的變化見表2。從表2可見：

（1）蒸汽冷卻器投入后1號、3 號高加的進汽溫度有明顯下降。

（2）1 號高加的進汽壓力上升約0.1 MPa（對1號高加一抽進汽起到了排擠的作用）。

（3）高加出口的給水溫度略有提高（約0.3℃），提高了經濟性。

5.2 經濟效益分析

    采用PEPSE 軟件計算，當外置蒸汽冷卻器用于加熱末級加熱器疏水時，利用三抽蒸汽過熱度加熱給水，可排擠更高品質的一抽蒸汽，有效降低熱耗，并提高出力裕量。THA（熱耗考核）工況熱耗值為7 321 kJ/kWh，75%THA 工況熱耗值為7 421 kJ/kWh，50%THA 工況熱耗值為7 655kJ/kWh，分別降低7 kJ/kWh，7 kJ/kWh，7 kJ/kWh。外置蒸汽冷卻器用于加熱末級加熱器疏水時的經濟性指標如表3 所示。

     同時外置蒸汽冷卻器用于加熱末級加熱器疏水時，利用三抽蒸汽排擠一抽蒸汽，提高了機組出力裕量，經PEPSE 計算，出力將提高2.8 MW。夏季早晚高峰時，這部分出力將帶來多發電的收益。夏季滿負荷小時數按照4 h/天計，夏季90天，共360 h。如表4 所示，多發電將增加利潤21.932萬元，設置外置蒸汽冷卻器全年總利潤可達110.25+21.932=132.182萬元。

6 結語

    玉環發電廠3 號機組的新型加熱疏水型外置式蒸汽冷卻器已于2015 年1 月投入運行，取得了較好的節能效果。這種新型外置式蒸汽冷卻器在實際應用過程中，仍需積累運行經驗、解決外置式冷卻器相關閥門的聯鎖邏輯和外置式冷卻器水位控制的優化等問題，以使疏水加熱型外置式蒸汽冷卻器的經濟性和安全性指標最優化。

參考文獻：

【1】田家平，林俊光，吳猛，等.大型火電發電廠外置式蒸汽冷卻器的技術經濟分析[J].浙江電力，2015（5）:36-38.

【2】楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京院高等教育出版社，1998.

注：原文發表于《浙江電力》2016年第6期

　與君共勉：晴空朗月，何天不可翱翔，而飛蛾獨投夜燭；清泉綠草，何物不可飲啄，而鴟梟偏嗜腐鼠。噫！世之不為飛蛾鴟梟者，幾何人哉！