煤氣余熱電廠主蒸汽系統(tǒng)管系設(shè)計(jì)分析

王 晨

(太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030009)

1 概述

鋼鐵工業(yè)利用富裕煤氣余熱發(fā)電是我國(guó)節(jié)能中長(zhǎng)期專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃中的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。但由于煤氣燃料的特殊性，對(duì)蒸汽管道的設(shè)計(jì)提出了更高要求。在機(jī)組建設(shè)初期，蒸汽管道設(shè)計(jì)的可靠與否，不僅直接影響余熱鍋爐是否能夠安全運(yùn)行，并且對(duì)整個(gè)余熱發(fā)電系統(tǒng)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要[1-4]。

2 工程項(xiàng)目概況

某鋼鐵公司擬建設(shè)一座煤氣綜合利用電廠，將一座450 m3與一座550 m3高爐煉鐵所產(chǎn)生的高爐煤氣，除了供應(yīng)高爐、煉鋼、軋鋼、石灰、燒結(jié)、球團(tuán)用氣外，剩余1.05萬(wàn)Nm3/h的高爐煤氣待綜合利用于發(fā)電；兩座60 t轉(zhuǎn)爐煉鋼，工藝生產(chǎn)中產(chǎn)生了大量的轉(zhuǎn)爐煤氣，約2.65萬(wàn)Nm3/h，也全部用于發(fā)電。富裕的高爐煤氣量與轉(zhuǎn)爐煤氣量之和折算成熱量約220 GJ/h。

3 主汽系統(tǒng)管系設(shè)計(jì)

根據(jù)該項(xiàng)目機(jī)組的型式和參數(shù)，主蒸汽系統(tǒng)采用單元制系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡(jiǎn)單、管道短、閥門(mén)少、能降低大量的合金鋼材的耗用[5]，由于事故僅限于本單元內(nèi)，生產(chǎn)安全可靠性高，維護(hù)工作量小。

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)選取

根據(jù)燃燒系統(tǒng)計(jì)算，當(dāng)鍋爐給水溫度在215 ℃時(shí)，可產(chǎn)生的蒸汽量為75 t/h，故該項(xiàng)目配置1臺(tái)75 t/h高溫高壓余熱鍋爐，全廠按照純凝汽輪機(jī)設(shè)計(jì)，并且無(wú)熱負(fù)荷。

根據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》鍋爐和汽輪機(jī)允許超壓5%運(yùn)行，鍋爐正常運(yùn)行時(shí)允許有5 ℃的溫度偏差。因此選取本工程鍋爐過(guò)熱器出口的設(shè)計(jì)壓力為9.81 MPa，設(shè)計(jì)溫度為545 ℃。

3.2 管系材料選取

從鍋爐過(guò)熱器出來(lái)的高溫高壓蒸汽需要進(jìn)入主蒸汽管道，通過(guò)主蒸汽管道輸送到汽輪機(jī)做功，因此選用的主汽管道材料必須要具備很強(qiáng)的蠕變、持久強(qiáng)度，持久塑性和抗氧化性能，并且具備良好的組織穩(wěn)定性[6]。目前我國(guó)常用的合金鋼材有很多種，如表1所示。

表1 常用國(guó)產(chǎn)合金鋼材及其推薦使用溫度表

根據(jù)管道的設(shè)計(jì)壓力以及溫度，通過(guò)查找火力發(fā)電廠典型汽水管道設(shè)計(jì)手冊(cè)，并根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，該項(xiàng)目主蒸汽管道選用國(guó)產(chǎn)12Cr1MoV無(wú)縫鋼管，12Cr1MoV屬于珠光體熱強(qiáng)鋼，在580 ℃時(shí)，該材質(zhì)的熱強(qiáng)性和抗氧化性能仍然很高，而且持久塑性，工藝性能和焊接性能也都非常高。

3.3 管道規(guī)格計(jì)算

3.3.1 管徑計(jì)算

考慮到鍋爐距離汽機(jī)房的位置較遠(yuǎn)，如果主汽管徑選取的過(guò)小，則無(wú)法滿(mǎn)足汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽參數(shù)的要求；如果主汽管徑選取的過(guò)大，即使能夠滿(mǎn)足汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽參數(shù)的要求，但可能增大管線的熱損失，不僅會(huì)大幅度增大工程投資，而且投資的回收期也會(huì)變長(zhǎng)。因此選取主蒸汽管道規(guī)格時(shí)不僅要考慮滿(mǎn)足設(shè)備安全運(yùn)行的條件，而且還要盡可能的降低投資，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[7-8]。

根據(jù)DL/T 5054—1996火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定，主蒸汽管道管徑尺寸宜通過(guò)優(yōu)化計(jì)算確定。根據(jù)主蒸汽在主蒸汽管道的推薦流速為40 m/s～60 m/s，按下式計(jì)算。

內(nèi)徑上限：

(1)

內(nèi)徑下限：

(2)

本文取介質(zhì)質(zhì)量流量為75 t/h，介質(zhì)比容0.035 85 m3/kg，介質(zhì)流速為ω上=60 m/s，ω下=40 m/s，得到管子內(nèi)徑上限為154 mm，下限為126 mm。得到管子內(nèi)徑上限為154 mm,下限為126 mm。所以本項(xiàng)目管道可選取的公稱(chēng)通徑有125 mm和150 mm。相對(duì)應(yīng)得到兩種管道規(guī)格分別為φ168 mm×16 mm和φ194 mm×18 mm。

3.3.2 壁厚計(jì)算

按直管內(nèi)徑確定管道的理論壁厚為：

(3)

管道計(jì)算壁厚公式為：

SC=Sm+C=Sm+ASm

(4)

其中，Sm為直管的最小壁厚，mm；Di為管道內(nèi)徑,取用最大內(nèi)徑，mm；Y為溫度對(duì)管道壁厚公式的修正系數(shù)，鐵素體鋼538 ℃及以上時(shí)Y取0.7；η為許用應(yīng)力修正系數(shù)，無(wú)縫鋼管D取1.0；α為考慮腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度要求的附加厚度，mm；C為直管壁厚負(fù)偏差的附加值；A為直管壁厚負(fù)偏差系數(shù)。

經(jīng)式(3)的計(jì)算得到管子理論壁厚為11.8 mm，按照《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》附錄B國(guó)產(chǎn)鋼管尺寸偏差的規(guī)定：當(dāng)無(wú)縫鋼管壁厚不大于20 mm時(shí)，此管子壁厚負(fù)偏差百分?jǐn)?shù)選取為-10%，直管壁厚負(fù)偏差系數(shù)A可從表2中得到。

表2 系數(shù)A與管子壁厚允許負(fù)偏差百分?jǐn)?shù)的關(guān)系表

由式(4)得到管子計(jì)算壁厚為13.2 mm，按照《火力發(fā)電廠汽水管道零件及部件設(shè)計(jì)》(2000版)，本文選取的兩種管道規(guī)格的壁厚均滿(mǎn)足計(jì)算壁厚的要求，并滿(mǎn)足強(qiáng)度和主蒸汽流速規(guī)定的要求。在同一條管系上對(duì)上述兩種管道規(guī)格的管徑進(jìn)行壓降計(jì)算，通過(guò)計(jì)算得到主汽管道規(guī)格為φ194 mm×18 mm的管道壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主汽管道規(guī)格為φ168 mm×16 mm的管道壓降，由于該項(xiàng)目的煤氣余熱鍋爐出廠時(shí)，過(guò)熱器出口的管道規(guī)格為φ219 mm×20 mm，超出了根據(jù)推薦流速計(jì)算管子內(nèi)徑的取值范圍。故本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)選取的主汽管道規(guī)格為φ194 mm×18 mm。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，為確保管道能夠安全運(yùn)行，在對(duì)接處插入異徑管[9-10]。

3.3.3 保溫層厚度計(jì)算

由于主蒸汽管道內(nèi)部所載介質(zhì)溫度較高，與外界溫度相差很大，管道保溫結(jié)構(gòu)外表面散熱是引起管道內(nèi)部蒸汽溫度下降的主要原因，但如果保溫層厚度過(guò)厚，雖然保溫結(jié)構(gòu)外表面溫度下降，但導(dǎo)致散熱面積增加，會(huì)造成投資成本的增加，經(jīng)濟(jì)效果微小。因此應(yīng)根據(jù)用汽的溫度及保溫材料來(lái)選取合適的保溫厚度。

1)選擇保溫材料。根據(jù)選取依據(jù)及以往工程經(jīng)驗(yàn)選擇硅酸鋁棉材料作為本項(xiàng)目高溫高壓主蒸汽管道保溫材料較為經(jīng)濟(jì)合理。

2)保溫層厚度。常規(guī)火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)定過(guò)熱器出口額定蒸汽溫度與汽輪機(jī)額定進(jìn)汽溫度允許有5 ℃的溫降，因此本文在允許溫降的條件下計(jì)算保溫層厚度，本文選用硅酸鋁棉材料作為主蒸汽管道的保溫材料，則保溫層厚度可根據(jù)下列公式計(jì)算：

(5)

(6)

通過(guò)對(duì)公式中各數(shù)據(jù)的計(jì)算統(tǒng)計(jì)，得到保溫層厚度計(jì)算公式中所需數(shù)據(jù)的取值如表3所示。

表3 保溫層厚度計(jì)算公式中所需數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)多次試算，得到管道的保溫層最小厚度δmin為130 mm。為了確保主蒸汽管道單位面積的散熱量不超過(guò)散熱損失，本文選取保溫層厚度δ為200 mm，計(jì)算實(shí)際溫降。通過(guò)查閱資料，計(jì)算得到的實(shí)際溫降為4.4 ℃，滿(mǎn)足汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定的溫差要求。因此本文選取此保溫層厚度具有一定的合理性。

3.4 管系支吊架設(shè)計(jì)

3.4.1 支吊架間距計(jì)算

在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮管道支架的最大允許跨距，以確保管道的安全運(yùn)行。在安全范圍內(nèi)應(yīng)盡量增大活動(dòng)支架間的間距，進(jìn)而降低蒸汽管線的投資費(fèi)用。

1)根據(jù)強(qiáng)度條件，均布載荷的水平直管段最大允許支吊間距，可由式(7)計(jì)算：

(7)

2)根據(jù)剛度條件，均布載荷的水平直管段最大允許支吊間距，可由式(8)計(jì)算：

(8)

3)根據(jù)舊管規(guī)的規(guī)定，均布載荷的水平直管段最大允許支吊間距，可由式(9)計(jì)算：

(9)

本文取設(shè)計(jì)溫度下鋼材的彈性模數(shù)為157.5 kN/mm2，通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算式 (7)、剛度計(jì)算式(8)、舊管規(guī)計(jì)算式(9)這三種方法計(jì)算得到水平管道支吊架最大間距分別為8 m，5.7 m，9.0 m。因此管道支架設(shè)計(jì)的最大間距應(yīng)不大于5.7 m，以確保管道的安全運(yùn)行。并且水平90°彎頭的兩端管道相鄰支吊架間的展開(kāi)長(zhǎng)度，不得超過(guò)水平管道最大允許支吊跨距的0.73倍。

3.4.2 支吊架型式選擇

在主蒸汽管道的敷設(shè)階段，每敷設(shè)一段距離后，必需設(shè)置1個(gè)支吊點(diǎn)來(lái)支撐包括保溫層、附件和管道自身等的重力，支吊位置的選擇，不僅需要根據(jù)管徑大小、管系路徑、閥門(mén)和管道附件的位置，以及支架可在鋼結(jié)構(gòu)上生根的部位等因素來(lái)確定，同時(shí)還需要滿(mǎn)足管道最大允許跨度的要求，以確保管道運(yùn)行的安全可靠[11-12]。

3.5 主汽管道模擬及應(yīng)力計(jì)算

3.5.1 主汽管道模擬

根據(jù)項(xiàng)目具體情況，在滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)原則的前提下，考慮現(xiàn)場(chǎng)廠房的布置及鍋爐與汽機(jī)兩大主機(jī)及其他輔機(jī)的布置，并且繞開(kāi)輔機(jī)設(shè)備和過(guò)道的情況下，通過(guò)模擬確定了本項(xiàng)目的主蒸汽管道施工設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。具體為在11號(hào)支架之后，管道繼續(xù)水平敷設(shè)至BC列外墻處，管道由19.5 m降至13.00 m，由于11號(hào)～9號(hào)支架之間距離較大，于立管17.5 m處設(shè)置了10號(hào)一彈簧吊架，根據(jù)廠房布置情況，9號(hào)～6號(hào)支架間的管道在管道夾層的內(nèi)部布置，出BC列后進(jìn)入汽機(jī)間，為了避開(kāi)設(shè)備及方便管道的支吊，管道進(jìn)行了沿墻布置，1號(hào)和3號(hào)支架在墻側(cè)梁上生根，通過(guò)吊架的形式對(duì)管道進(jìn)行支吊，2號(hào)支架在柱側(cè)設(shè)置為導(dǎo)向支架。管道設(shè)置1號(hào)吊架后，接至汽輪機(jī)主汽進(jìn)口。得到方案四的主蒸汽管道上架設(shè)的支吊架類(lèi)型見(jiàn)表4。

表4 方案四主蒸汽管道架設(shè)的支吊架類(lèi)型

3.5.2 主汽管道應(yīng)力計(jì)算

本文采用AUTOPSA軟件對(duì)方案進(jìn)行具體的應(yīng)力計(jì)算，用計(jì)算結(jié)果來(lái)指導(dǎo)主汽管道的優(yōu)化。AUTOPSA輸出文件包括冷熱位移、支吊載荷、管系應(yīng)力等計(jì)算結(jié)果，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表5～表7所示。

表5 最大應(yīng)力值及節(jié)點(diǎn)號(hào)

表6 管道端點(diǎn)推力及推力矩(熱態(tài))

表7 彈簧支吊架節(jié)點(diǎn)熱位移及荷載表

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)該鋼鐵公司煤氣的產(chǎn)生與利用情況，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確定了主汽系統(tǒng)管系設(shè)計(jì)方案。但在實(shí)際過(guò)程中還存在很多問(wèn)題，需要更深入的思考和解決。

1)本文主要考慮了管道的靜態(tài)分析，但是隨著生產(chǎn)規(guī)模的放大，火電廠單元機(jī)組的參數(shù)和容量不斷提高，各方面的條件也必然發(fā)生變化，汽水管道動(dòng)態(tài)分析的作用也越來(lái)越重要，都需要在管道設(shè)計(jì)優(yōu)化工作中繼續(xù)探索和研究。

2)管道設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)雖然考慮了支吊架結(jié)構(gòu)尺寸，但是實(shí)際出廠的支吊架規(guī)格與原設(shè)計(jì)有一定的偏差。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生熱位移后，可能會(huì)造成管道上少數(shù)彈簧吊架碰撞管道保溫層、管部橫擔(dān)與鋼結(jié)構(gòu)墻體發(fā)生碰撞等情況，也需要在今后的工程實(shí)踐中繼續(xù)摸索[13-15]。