燃機聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐吹管探討和實踐

彭 沖

（中電建湖北電力建設(shè)有限公司，武漢 430030）

0 引言

某425 MW燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠工程，主機由3臺GE公司的PG9171E型燃機配杭鍋3臺雙壓自然循環(huán)余熱鍋爐，以及1臺東方汽輪機廠200 MW汽輪機組成。按計劃的安裝程序，首先進行了3臺燃機的單循環(huán)運行，后進行了3臺余熱鍋爐的水壓試驗，具備條件時即開始準備余熱鍋爐的吹管。

1 問題及現(xiàn)狀

根據(jù)以往工程的經(jīng)驗，既可以單臺燃機啟動，單臺余熱鍋爐吹管；也可以3臺燃機同時啟動，3臺余熱鍋爐同時并汽吹管，吹管蒸汽由主蒸汽母管末端排出。表1所示為單臺吹管和三臺聯(lián)合吹管各自的優(yōu)缺點。

經(jīng)過詳細的計算和對比，單機吹管預(yù)計總耗時15天，三拖一聯(lián)合吹管總耗時5～7天。其中臨沖管的安裝，單機吹管總耗時約（算上冷卻時間）20天，聯(lián)合吹管臨沖管的安裝在12天左右。

對于工程實踐來說，以往“多拖一”的燃機項目，采用單臺機／爐吹管，分部投運案例較多，采用幾臺機／爐同時啟動吹管的也有少量案例［1］。為此項目部根據(jù)現(xiàn)場情況進行了討論對比，認為合同對于總工期的總考核是聯(lián)合循環(huán)節(jié)點，而不是單循環(huán)節(jié)點，為保證工期和“三拖一”滿負荷聯(lián)合循環(huán)能盡早實現(xiàn)，經(jīng)與調(diào)試單位協(xié)商，業(yè)主同意決定采用3臺燃機同時啟動，3臺余熱鍋爐同時并汽吹管的方式。

表1 單臺余熱鍋爐吹管和3臺余熱鍋爐聯(lián)合吹管優(yōu)缺點對比

2 解決方案

該工程決定采用“三拖一”聯(lián)合吹管的方式進行，則需詳細地制定吹管方案和制作臨沖管的材料、消音器等。經(jīng)與調(diào)試單位協(xié)商，分工如下：方案中與吹管有關(guān)的參數(shù)選取、操作控制等由調(diào)試單位完成，臨沖管的設(shè)計和安裝、消音器的制作安裝，以及吹管的配合由安裝單位完成。總體方案由安裝單位匯總，調(diào)試單位批準上報。

2.1 吹管參數(shù)的選擇

查圖紙得：正常運行時候高壓主蒸汽流量147.327 t／h，壓力7.09 MPa，溫度480℃；低壓主蒸汽流量13.942 t／h，壓力0.61 MPa，溫度295℃。

根據(jù)吹管導(dǎo)則，降壓沖管參數(shù)的選定原則為：沖管汽流對雜物的沖刷力大于額定工況時的汽流沖刷力，即沖管系數(shù)大于1.4；沖管時壓力下降值控制在其相應(yīng)的飽和溫度降低值不超過42℃［2］。沖管系數(shù)：

βΔρ＝ Δρb／Δρ0

式中：βΔp為壓降比，經(jīng)理論驗算及試驗，當吹管時過熱器壓降與鍋爐BMCR工況時過熱器壓降之比值不小于1.4，即能保證吹管過程中各段受熱面動量比不小于1的要求；ΔPb為吹管過程中某小區(qū)段流動壓降（阻力），MPa，下標b代表吹管工況；ΔP0為鍋爐BMCR工況下該區(qū)段流動壓降（阻力），MPa，下標0代表鍋爐BMCR工況。

經(jīng)換算后簡易計算的公式為：

βΔp= （吹管時汽包-過熱器壓差）／（BMCR工況汽包-過熱器壓差）

根據(jù)計算和現(xiàn)場情況，沖管參數(shù)如表2所示，沖管時根據(jù)壓差情況進行適當調(diào)整。

表2 吹管壓力參數(shù)

2.2 臨沖管的計算和布置

因為項目所在地基本不生產(chǎn)高壓無縫鋼管，又要考慮最經(jīng)濟的原則，故考慮臨沖門前高壓部分管道國內(nèi)采購，按主蒸汽管道外徑匹配其外徑，按吹管壓力計算壁厚，按最高吹管溫度確定材質(zhì)。臨沖門后管道采用現(xiàn)場暫未安裝的高、低壓旁路管道。這樣需要采購和收集的材料如表3、4所示。

表3 高壓主蒸汽吹管臨時管道材料

表4 低壓主蒸汽吹管臨時管道材料

由表可知，除部分高壓管道和臨沖門需購買外，包括臨沖門后管道，靶板裝置，消音器，部分不規(guī)則斜三通均可以通過現(xiàn)場尋找材料、制作完成。這樣可以給工程節(jié)約大筆的成本，也合理利用了現(xiàn)場的材料，符合節(jié)約環(huán)保的原則。

臨沖管的布置，需根據(jù)現(xiàn)場的條件和環(huán)境，雖然只是臨時管道，但是業(yè)主工程師對此非常重視，要求出圖出計算。經(jīng)過多次現(xiàn)場勘查和測量對比，最終選取高壓臨沖管沖高壓主汽門出口至汽機房A排外，低壓臨沖管沖低壓臨沖門出口至汽機房C排外。采用對沖布置而不是采用相同布置，主要是考慮到余熱鍋爐高低壓汽包壓力、壓降均不相等，可能出現(xiàn)同時達到壓力吹管的情景，也可能出現(xiàn)臨沖門關(guān)不嚴，高壓蒸汽吹入低壓系統(tǒng)造成破壞?？紤]到低壓系統(tǒng)壓力較低，未設(shè)置消音器，采用直排大氣的方式，高壓系統(tǒng)設(shè)置制作的三層消音帶托架的消音器。相關(guān)計算如下（僅計算高壓部分，低壓部分因壓力／溫度較低，計算略）。

2.2.1 臨時管道一次應(yīng)力的計算

臨時管道一次應(yīng)力是由于外力載荷而使管道產(chǎn)生的應(yīng)力和剪應(yīng)力，其計算結(jié)果必須滿足外部和內(nèi)部力或力矩的平衡法則。其特點是沒有自限性，始終隨著外力載荷的增加而增大。不會隨著時間的延長而降低［3］。超過某一限度時，將會使管道直接破壞。一次應(yīng)力基本計算公式為：

δL＝ PDn／（D2w－ D2n）＋ 0.75iMA／W ≤ ［δ］t

式中：P為設(shè)計壓力，MPa；Dn為管道內(nèi)徑，mm；Dw為管道外徑，mm；i為應(yīng)力增強系數(shù)；MA為管子自重或其他外載作用在橫截面上的合成力矩，N·mm；W為管子的截面抗彎矩，N·mm；［δ］t為鋼材在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

依據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》DL／T 5054-1996，12Cr1MoV鋼在400℃時的許用應(yīng)力為98 MPa；設(shè)計壓力取降壓沖管門前正常沖管最高壓力P=5.5 MPa；臨沖門前管道為φ325×16 mm；應(yīng)力增強系數(shù)i查ASME規(guī)程B31.3 APPENDIX D，i=0.9／（2h／3）；h=TR1／R22；本例中經(jīng)過計算和查表得知0.75i≈1.64。經(jīng)計算得到：

δL=27.85+1.312 ＜［δ］t=87 MPa，滿足要求。

2.2.2 管道壁厚計算

依據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》DL／T 5054-1996，沖管臨時管道最小壁厚選用原則為位于吹管門前，其計算壓力P=5.5 MPa，計算溫度400℃，最小壁厚計算公式為：

式中：Sm為管道的最小壁厚，mm；P為壓力，MPa；D0為管道外徑，采用公稱通徑，mm；δ為鋼材在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，單位MPa，在400℃時，12Cr1MoV鋼的許用應(yīng)力為98 MPa；η為許用應(yīng)力修正系數(shù)，對于無縫鋼管，該系數(shù)為1.0；Y為溫度對計算管子壁厚公式修正系數(shù)，對碳鋼，低合金鋼，482℃及以下時，Y=0.4；α為考慮腐蝕、磨損和機械強度要求附加厚度，mm，對普通無縫鋼管，中高壓汽水管道，腐蝕余度均取0 mm，可以不考慮。

計算結(jié)果：Sm=8.919 mm＜16 mm，符合要求。

根據(jù)現(xiàn)場布置，臨沖管的布置如圖1所示。

圖1 高壓臨沖管布置

2.3 消音器的制作

消音器制作說明［4］如下。

（1）消音器內(nèi)外3層分別安裝設(shè)計制作加工；制作時內(nèi)筒、中筒均先鉆眼再卷管。

（2）消音器工作參數(shù)P=0.5 MPa，T=350℃。

（3）綜合目前幾種典型超臨界及超超臨界機組消音器，定為內(nèi)管φ530 mm×12 mm，采用焊接鋼管，材質(zhì)為Q235，在滿足通流面積情況下鉆φ20 mm孔，孔間距50 mm。

（4）第2層采用δ=12鋼板（Q235A）卷制加工為直管，外徑為φ1200 mm，鉆φ20 mm孔，孔間距50 mm。

（5）第3層采用δ=19鋼板（Q235A）卷制加工為直管，因設(shè)計為敞開式，最外層為半圓，直接焊接在底座上，外徑為φ2 420 mm。

（6）消音器通流計算如下。

①內(nèi)筒眼孔通流

孔數(shù)：（3.14×530×3 465）／2 500=2 306；孔面積：2 306×3.14×100=724 266 mm2；截面積：3.14×2 652=220 506 mm2。則通流系數(shù)為內(nèi)筒眼孔通流／內(nèi)筒通流截面積，即3.28倍。

②中筒通流面積

孔數(shù)：（3.14×1 200×3 465）／2 500=5 222；孔面積：5 222×3.14×100=1639 848 mm2；實際截面積：3.14×6 002-180 864=949 536 mm2。則通流系數(shù)為內(nèi)筒眼孔通流／內(nèi)筒通流截面積，即1.72倍。

消音器的詳細設(shè)計如圖2所示。

圖2 消音器詳細設(shè)計圖

3 吹管過程

本項目從開始吹管至吹管合格歷時9天。吹管期間發(fā)生了部分問題，現(xiàn)總結(jié)如下。

（1）吹管參數(shù)的調(diào)整

吹管過程中，發(fā)現(xiàn)前期制定的2.0～3.3 MPa的降壓吹管參數(shù)并不能完成滿足現(xiàn)場要求，根據(jù)公式βΔρ=Δρb／Δρ0，按簡易計算方法：βΔρ= （吹管時（汽包-過熱器）壓差）／（BMCR工況（汽包-過熱器）壓差），必須保證βΔρ≥1.4，吹管才有實際意義［5］。因燃機-余熱鍋爐加熱非?？?，實際操作中吹管系數(shù)大于1.4的區(qū)間非常短，可能會造成不能完全吹凈。后停機期間與調(diào)試單位協(xié)商，將臨沖管的壁厚進行了重新核算。最后將吹管最大壓力調(diào)整為4～5.0 MPa（過熱器出口），這樣保證了單次吹管有充足的時間，使吹管進行得更徹底（壓力調(diào)整必須經(jīng)過嚴格的計算，切不可隨便增大壓力）。

（2）關(guān)于吹管噪聲問題

前期設(shè)計時考慮到低壓系統(tǒng)壓力低，管徑大，認為應(yīng)不會產(chǎn)生很大的噪聲。實際吹管過程中，低壓系統(tǒng)雖然只有0.4 MPa的吹管壓力，但還是產(chǎn)生了很大的噪聲（同期高壓系統(tǒng)最高6.0 MPa吹管，但由于采用了消音器，消音效果相當好）。建議余熱鍋爐吹管期間，低壓系統(tǒng)也最好設(shè)計一個簡易的消音器。

（3）關(guān)于用水量

吹管期間，發(fā)生缺水導(dǎo)致停止2次。因3臺燃機同時啟動，3臺余熱鍋爐同時上水吹管所耗水量巨大，據(jù)估算最高耗水量為150～180 t／h，而現(xiàn)場化水最高制水量為150 t／h，除鹽水箱必須留2 m水位保證再生時的需要，考慮到再生的時間為2～4 h，化水系統(tǒng)同步制水也達不到要求。總結(jié)，如想快速一次完成吹管工作，可考慮現(xiàn)場制作吹管臨時水箱，或采取措施加快化水制水／再生速度［6］。

（4）關(guān)于燃機帶負荷

由于吹管期間可能會造成機組不穩(wěn)定，引起對電網(wǎng)的干擾，建議采用不并網(wǎng)吹管［7］。

4 結(jié)束語

南迪普燃機－聯(lián)合循環(huán)工程余熱鍋爐吹管，從時間和成本上來說，大大節(jié)省了工期，材料也多取自現(xiàn)場材料，取得了較大的經(jīng)濟效益。高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)利用自產(chǎn)蒸汽分別吹管，保證了各系統(tǒng)的吹管效果，在機組停機冷卻期間加快換水工作，以確保吹管水源的穩(wěn)定。近年來，燃機－聯(lián)合循環(huán)項目日益增多，本文將為今后同類型機組的吹管提供有力的參考和借鑒。