能電廠2×660MW的燃煤機(jī)組高溫高壓管道設(shè)計(jì)與選材研究

鄢青云　楊華

摘? ?要：針對華能電廠2×660MW的燃煤機(jī)組“上大壓小”機(jī)組工程四大管道，從溫度和壓力方面分析了超超臨界機(jī)組通用管材的規(guī)格參數(shù)，并進(jìn)一步進(jìn)行管道材料和規(guī)格的比選，結(jié)合先進(jìn)的軟件技術(shù)對管道的安全性能進(jìn)行分析，獲得了滿足該電廠機(jī)組四大管道合理參數(shù)。

關(guān)鍵詞：超超臨界機(jī)組? 四大管道? 管道材料? 數(shù)值仿真

中圖分類號：TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（c）-0084-03

Abstract： The four kinds of pipe unit engineering of 2 x 660 MW coal-fired units in Huaneng power plant were designed in this work. The specifications of the ultra supercritical unit general pipe parameters for 2 x 660 MW coal-fired units were analyzed from the aspects of temperature and pressure. Moreover， the materials and specifications of piping were compared and pipeline safety performance was also analyzed by advanced software technology. Thus， the reasonable parameters of the power plant unit four pipes were obtained.

Key Words： Ultra-supercritical units; Four pipelines; Pipeline materials; Numerical simulation

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷迅速發(fā)展，對電力市場的需求越來越大，電力建設(shè)行業(yè)迎來了一次新的發(fā)展機(jī)遇，電力市場的份額以每年接近一個(gè)億千瓦裝機(jī)的規(guī)模不斷增長。根據(jù)對電力工業(yè)發(fā)展的預(yù)測，我國電力市場的裝機(jī)總?cè)萘亢兔弘娧b機(jī)總?cè)萘吭?020年的時(shí)候分別會接近13.4萬億千瓦和9.1萬億千瓦[1]。煤炭作為一次能源，在我國的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，因此，我國的電力生產(chǎn)中形成了以煤炭為主的格局。然而隨著電煤供需矛盾愈加尖銳，環(huán)境污染和高能耗成為制約電力行業(yè)發(fā)展的兩個(gè)尖銳的問題。因此，我們需要研究開發(fā)出一種環(huán)境友好型且容量更大的超超臨界機(jī)組，從而提高發(fā)電效率，節(jié)約煤炭資源和節(jié)省發(fā)電成本。

超超臨界機(jī)組所需的參數(shù)對管道系統(tǒng)，尤其是對四大管道材料實(shí)際應(yīng)用具有較高的標(biāo)準(zhǔn)。其中四大管道指的是主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道（熱段）、低溫再熱蒸汽管道（冷段）和高壓給水管道[2]，并包括汽機(jī)旁路。為了滿足機(jī)組所需的參數(shù)，在設(shè)計(jì)管道時(shí)應(yīng)采取完善的技術(shù)措施，從而保證管道系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。主蒸汽及高、低溫再熱蒸汽管道系統(tǒng)采用的是單元制系統(tǒng)，即“雙管、單管、雙管”這樣的構(gòu)造體系。主蒸汽管道從過熱器的兩側(cè)出口引出，而再熱蒸汽管道是從再熱器的兩側(cè)的出口引出，然后兩個(gè)管道在出口處匯成一根母管，母管延伸至汽輪機(jī)前再分流成兩根支管分別接入高壓缸和中壓缸左右兩側(cè)的主汽關(guān)斷閥和再熱關(guān)斷閥中。冷再熱蒸汽管道沿著低位高壓缸的兩個(gè)排氣口，然后分別接入高位鍋爐再熱器的聯(lián)箱。這樣設(shè)計(jì)符合DL/T 5054-1996 《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》要求，同時(shí)具有管道設(shè)計(jì)量少，經(jīng)濟(jì)成本相對較低的優(yōu)點(diǎn)。每臺機(jī)組設(shè)置一套汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了改善整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行啟動(dòng)條件以及在運(yùn)行過程中機(jī)組的負(fù)荷特性，增強(qiáng)機(jī)組的靈活性。

本文針對華能電廠2×660MW的燃煤機(jī)組工程四大管道，從溫度和壓力方面分析了超超臨界機(jī)組通用管材的規(guī)格參數(shù)，結(jié)合先進(jìn)的軟件技術(shù)對管道的安全性能進(jìn)行分析，獲得了滿足該電廠機(jī)組四大管道合理參數(shù)，對華能電廠的2×660MW的燃煤機(jī)組高溫高壓管道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1? 四大管道的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 管道設(shè)計(jì)壓力

鍋爐過熱器出口額定主蒸汽壓力稱為主蒸汽系統(tǒng)管道的設(shè)計(jì)壓力。根據(jù)IEC（60045-1，1991，MOD）規(guī)定要求：在電機(jī)運(yùn)行過程中，汽輪機(jī)進(jìn)口處的平均蒸汽壓力應(yīng)小于額定壓力，因此，主蒸汽管道的壓力不應(yīng)超過額定壓力的105%[3]。根據(jù)IEC的要求，只要保證12個(gè)月平均值不超過額定值，汽輪機(jī)超壓5%是可以連續(xù)運(yùn)行的。因此，主蒸汽管的設(shè)計(jì)壓力等于汽輪機(jī)額定進(jìn)汽壓力的105%加上主蒸汽管道的壓降（按5%考慮）[3]。

按照國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，熱再熱蒸汽管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力是汽輪機(jī)高壓缸排汽壓力的1.15倍或鍋爐再熱器出口安全閥動(dòng)作的最低整定壓力（約為1.1倍的再熱器進(jìn)口壓力）。此壓力低于1.15倍的高壓缸排汽壓力，由于相差不大，因此再熱熱段蒸汽管道設(shè)計(jì)壓力按1.15倍汽輪機(jī)高壓缸排汽壓力考慮。冷再熱蒸汽系統(tǒng)管道的設(shè)計(jì)壓力與再熱熱段蒸汽管道設(shè)計(jì)壓力一樣。

1.2 管道設(shè)計(jì)溫度

按照國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，主蒸汽系統(tǒng)管道的設(shè)計(jì)溫度等于鍋爐過熱器出口的額定溫度加正常運(yùn)行時(shí)的鍋爐允許的溫度正偏差5℃[4]。

按照國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，熱再熱蒸汽管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度等于鍋爐再熱器出口額定溫度加正常運(yùn)行時(shí)鍋爐的允許的溫度正偏差5℃。

根據(jù)國內(nèi)規(guī)程：汽輪機(jī)高壓缸排汽參數(shù)的熵為冷再熱蒸汽管道的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度。若汽輪機(jī)在運(yùn)行方式上有特殊要求時(shí)，該設(shè)計(jì)溫度應(yīng)采用最高工作溫度。

1.3 汽機(jī)旁路管道

高壓旁路閥前管道的設(shè)計(jì)參數(shù)與主蒸汽管道相同，閥后管道的設(shè)計(jì)參數(shù)與冷再熱蒸汽管道相同;低壓旁路閥前管道的設(shè)計(jì)參數(shù)與熱再熱蒸汽管道相同。

1.4 高壓給水管道

對于高壓給水管道（主給水泵出口到關(guān)斷閥），設(shè)計(jì)壓力的值等于泵在額定轉(zhuǎn)速特性曲線最高點(diǎn)對應(yīng)的壓力加上泵進(jìn)水側(cè)壓力;對于高壓給水管道（從關(guān)斷閥后到省煤器進(jìn)口），設(shè)計(jì)壓力的值等于1.1倍泵的提升壓力（泵在額定轉(zhuǎn)速及設(shè)計(jì)流量下）加上進(jìn)水側(cè)壓力。最終管道的具體參數(shù)將按給水泵制造廠提供的特性曲線核算后再確定。四大管道設(shè)計(jì)的具體參數(shù)如表1所示。

2? 四大管道材料及規(guī)格的選擇

2.1 四大管道材料的選擇

根據(jù)目前國內(nèi)大容量超超臨界機(jī)組的運(yùn)行情況，推薦四大管道的材料如下[5]：

（1）高壓給水管道的材料選用15NiCuMoNb5-6-4。

（2）再熱（冷段）蒸汽管道的材料選用A691 Cr1-1/4 CL22電熔焊接管。

（3）對于主蒸汽管道，由于P122、E911鋼價(jià)格偏高，且E911許用應(yīng)力偏低，P122加工和焊接工藝目前國內(nèi)掌握的不夠熟練，所以選用相對來說各種加工和焊接技術(shù)已經(jīng)成熟的P91鋼。但在技術(shù)方面，P91鋼已應(yīng)用到最高極限溫度，且管道壁厚較厚，對設(shè)備的推力大，能夠影響機(jī)組的變負(fù)荷速率。因此，綜合以上的技術(shù)因素以及經(jīng)濟(jì)因素，本工程中的主蒸汽管道采用的是P92鋼。

（4）對于高溫再熱蒸汽管道，P91鋼或P92鋼均能滿足所需的要求，由（3）可知P91鋼已應(yīng)用到材料極限溫度（推薦溫度為593℃），從機(jī)組的安全性考慮，在價(jià)格相差不大時(shí)，優(yōu)先采用P92鋼。

2.2 四大管道規(guī)格的選擇

華能石洞口第二電廠1號機(jī)組及2號機(jī)組分別于2009年11月及12月通過168h試運(yùn)行，正式投入商業(yè)運(yùn)行。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的四大管道運(yùn)行參數(shù)，額定負(fù)荷時(shí)系流動(dòng)阻力均小于理論公式計(jì)算的數(shù)據(jù)。建議對本工程，四大管道的規(guī)格暫按表2所示。

3? 管道設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用

超超臨界機(jī)組高參數(shù)不但要求采用國際上實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)有待豐富的新材料，而且對新材料的應(yīng)用參數(shù)也接近推薦范圍的上限，因此，必須在設(shè)計(jì)時(shí)采取充分的技術(shù)措施，以保證管系的高度安全性。

對華能長興電廠2×660MW燃煤機(jī)組“上大壓小”機(jī)組工程，將采用國際上在電力、石化等多個(gè)行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富的Caesar II最新版軟件（滿足最新版ASME B31.1等國際標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的要求）進(jìn)行管系靜態(tài)應(yīng)力分析;除了進(jìn)行常規(guī)的管系靜態(tài)應(yīng)力分析外，華東電力設(shè)計(jì)院具有采用先進(jìn)的Pipenet軟件結(jié)合Caesar II最新版軟件對管系進(jìn)行以下動(dòng)態(tài)分析的設(shè)計(jì)能力;對室外風(fēng)速較高區(qū)域的電廠，有必要進(jìn)行管系風(fēng)荷載分析，以全面提高電廠在發(fā)電高峰期的可靠性。

對于有些設(shè)備的接口，如凝汽器低壓旁路接口，有些廠家要求采用補(bǔ)償器連接，設(shè)備接口允許的推力及力矩非常小。采用Caesar II最新版軟件，可進(jìn)行包括補(bǔ)償器管系的準(zhǔn)確分析;有些鍋爐范圍安全閥排汽管道在主管道上支撐，常規(guī)應(yīng)力分析軟件建模比較復(fù)雜且不準(zhǔn)確，利用Caesar II最新版軟件，采用Cnode方式，可準(zhǔn)確地進(jìn)行這種布置方式管系的應(yīng)力分析。此外，采用Intergraph公司PDS三維設(shè)計(jì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保管道整體布置的和諧、優(yōu)化;通過在這幾年電力行業(yè)快速發(fā)展過程的實(shí)際應(yīng)用，已形成規(guī)模化設(shè)計(jì)能力，可高效率、高質(zhì)量的進(jìn)行電廠設(shè)計(jì)。另外采用自主開發(fā)獲QC優(yōu)秀獎(jiǎng)的支吊架建模軟件，將支吊架模型同步設(shè)計(jì)輸入管道三維模型中，避免支吊架與管道之間的碰撞，確?，F(xiàn)場施工順利進(jìn)行。

4? 結(jié)語

根據(jù)對四大管材的分析，給出了華能電廠“上大壓小”燃煤機(jī)組四大管道材料的合理選擇?；谇捌诠こ痰乃拇蠊艿涝O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用可靠的管系動(dòng)、靜態(tài)分析，全面的管系風(fēng)載荷分析，準(zhǔn)確的管系計(jì)算方法和細(xì)致而有序的管系設(shè)計(jì)的方法對管道安全進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出合理管道設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 張祖輝.超超臨界機(jī)組高溫高壓管道應(yīng)用分析[D].華北電力大學(xué)，2011.

[2] 武秀峰.超超臨界火電機(jī)組四大管道選材分析[J].電力科學(xué)與工程，2008（10）：73-78.

[3] 王亞軍，朱佳琪，李林，等.二次再熱機(jī)組六大管道設(shè)計(jì)研究[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2016（4）：26-33.

[4] DL T.5054-1996.火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].中國電力出版社，北京，1996.

[5] 劉發(fā)燦，陳瑞克.電廠1000MW超超臨界機(jī)組四大管道設(shè)計(jì)方案尋優(yōu)比較[J].廣西電力，2011，34（6）：40-43.