蛇形管高加技术源于德国BD公司(Balcke-Dürr)，主要由进出口水室、管束(蛇形管、短接头等)、壳体、固定支座和滑动支座组成，如图1所示。

图  1  蛇形管高加结构图

Figure 1.  Structure diagram of high pressure serpentine heater

U形管式高压加热器主要由水室、水室分程隔板、管束、壳体、固定支座和滑动支座等组成，如图2所示。

图  2  U形管高加结构图

Figure 2.  Structure diagram of high pressure u-tube heater

以某正在设计的1 000 MW二次再热超超临界(主参数31 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃，主蒸汽流量2 761 t/h)1号高加为例，蛇形管加热器与U形管加热器结构对比如表1所示。

从上面结构对比可以看出，蛇形管高加与U形管高最大不同是进水集管取代了U形管高加的进水室及管板，其厚度约为管板厚度的十分之一，因此，蛇形管高加更具有较好的抗热冲击性能、更高的温升速限制值以及更多的变工况运行次数，主要的优缺点对比如表2所示。

近几年来，随着国家对常规火电节能减排的要求以及项目审批的需要，火电参数也随之越来越高，以泰州二期及莱芜电厂为代表的二次再热机组越来高，以泰州二期及莱芜电厂为代表的二次再热机组越来越受到业主的重视，其主蒸汽压力提高至31 MPa或更高。相应的U形管高加管侧设计压力由39 MPa提高到44 MPa以上。一些厂家根据二次再热机组的要求，仍然开发了单列U形管高加，但也存在以下问题^[3]：

1)管板采用20MnMo或相当材料，其厚度将超过800 mm，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，许用应力取值无依据。

2)厚管板在运行时温差应力大，存在安全性风险。

尽管有些厂家通过如改用高等级材料、采用特别结构降低设计温度等方法来改善上面问题，但由于没有经过实际检验，故不能打消业主、设计方等的顾虑。而对于蛇形管高加，已经过实际检验，故在投产业绩、可靠性等都具有比较高的优势。

据了解，近10年以来，国外大容量机组采用蛇形管集箱式高加占投运机组的60%以上。德国某蛇形管集箱式高加的主要制造商，从1935年就开始投入生产，至今已经有80年的历史，已有超过1 200台蛇形管高加投入运行。其在欧洲的使用情况如表3所示。

蛇形管高加应用也存在问题，如我国姚孟电厂为1985年全套引进法国阿尔斯通2×350 MW机组，每台机组的高加系统由2台高加、1台高压蒸汽冷却器组成，整体布置十分紧凑。性能满足要求，目前一套高加在运行，另一台机组高加已换成U形管式，主要原因是2000年前后开始出现泄漏。存在的主要问题如下：

1)破坏集中在集箱与浸没在疏水冷却段的换热管连接接头处。

2)集箱内径小，难以检修甚至逢检必修。

3)水位控制要求较高。

据有关资料^[3]，蛇形管高加每100万根管的损管率小于0.013%，在过去40年中少于30根管子损坏，因此蛇形管集箱式高加可靠性极高。表4为1999年高压加热器的可靠性指标统计数据(按制造厂分类)如表4所示。

由表4可知蛇形管高加相比U形管高加的可靠性更高。虽然表中的数据不是最近年份的，但由于发达国家材料、设备制造质量等都比较稳定，对于国外机组，高压加热器可靠性数据仍具有参考作用。

非计划停运率是辅机可靠性的关键指标，非计划停运率越小，辅机的可靠性越高，从表中可以看出，对于国内三大高压加热器制造厂，非计划停运率相对其他发达国家的数据要高得多，如美国、日本三菱、福斯特惠勒这些发达国家的高加，其结构型式也同为U形管，但是非计划停运率却比国内三大高加制造厂小很多，这主要的原因为发达国家U形管高压加热器制造经验比较丰富，制造水平高、质量控制稳定。另外，从数据上来看，美国，日本三菱，福斯特惠勒的高压加热器非计划停运率很低，也可以得出，只要制造水平提高上去后，U形管高压加热器本身的可靠性也可以高。

2010年7月23日，国家能源局宣布国家700 ℃超超临界燃煤发电技术创新联盟成立，我国下一代高参数机组的主参数压力将超过35 MPa^[10]，从而使高加的设计压力将继续提高，单列高加的设计制造又将受到制约，而采用蛇形管高加将彻底解决此类问题。现在设计制造蛇形管高加并投入运行，有助于下一代高参数机组的辅机-高加设计制造积累经验，打下良好的基础。

目前国内主流的高加制造商上海动力设备有限公司(简称“上动”)、东方锅炉有限公司(简称“东锅”)，以及张家港化工机械股份有限公司(简称“张化机”)均提出了蛇形管式高加的解决方案。

上动厂拟采用德国BD公司技术，合作方案是：第一台蛇形管高加由BD公司进行设计、监造及对性能进行保证，上动厂仅进行制造。为保证质量，高加核心部件如蛇形管、集箱采用进口。待技术引进消化后，其高加的设计制造逐渐由上动厂负责。对于1 000 MW二次再热机组，上动厂目前已初步给出设计方案，但给出的报价较高、供货周期较长。

东锅在2003年开始对蛇形管加热器进行技术储备，对蛇形管加热器的一些关键设计问题如结构设计、传热计算、振动核算、阻力优化、水位控制等进行研究，并于2010年和2015年分别对姚孟电厂蛇形管加热器实地调研。东锅认为蛇形管因国内合格的供应商数量少，需进口，存在价格高且采购周期长等缺点。现阶段来看，除集箱与蛇形管的焊接需引进相应的的焊接工艺外，其它都可以解决，现已完成了初步设计。

张家港化工机械股份有限公司的全资子公司“杭州忠泽机械工程有限公司”，有为欧洲索贝尔科公司制造加工蛇形管集箱式高压加热器的代工经验，掌握了集箱与蛇形管的内孔焊接技术。在此基础上，开发了适用1 000 MW超超临界蛇形管集箱式高压加热器，并将该技术运用到北仑1 000 MW超超临界机组的外置式蒸冷器改造中。

综上所述，上动、东锅、张化机都提出了1 000 MW二次再热机组单列蛇形管高加的可行性设计方案。目前，上动处于技术引进阶段，东锅和张化机都是自主研发。

根据目前几大厂商的报价，蛇形管高加比U形管高加每台机(即4个高加及2个高加蒸汽冷却器)价格高约10%～50%，考虑到技术引进因素，其价格是合理的。

单列新型高加即蛇形管高加在1 000 MW超超临界二次再热机组中是可行的，主要原因如下：

1)蛇形管高加具有热适应性好，可靠性高，且适应末来更高参数超超临界机组技术发展方向。

2)蛇形管高加国内已有三家具备加工制造能力，具备了推广应用条件，尽早在高参数机组上进行运用及积累经验，对于推动我国制造业高端化以及研发更高参数超超临界机组辅机技术具有较大的意义。

3)尽管蛇形管高加在二次再热机组上首次应用可能因引进技术或管束进口等原因价格高，首次应用可能还具备一些技术风险，但对于引进消化技术再创新的技术目标来说是完全值得的。