華能巢湖電廠四大管道優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳 斌，江 蛟，宋坤林

（江蘇省電力設(shè)計(jì)院，南京市，211102）

0 引言

火力發(fā)電廠四大管道主要指主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道、低溫再熱蒸汽管道和高壓給水管道。華能巢湖工程結(jié)合主廠房設(shè)備布置及建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)四大管道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該工程2臺(tái)機(jī)組已商業(yè)運(yùn)行1年多，實(shí)踐證明，四大管道的優(yōu)化創(chuàng)新取得了成功。

1 四大管道規(guī)格的選擇

主蒸汽、再熱蒸汽系統(tǒng)系按汽輪發(fā)電機(jī)組VWO（閥門(mén)全開(kāi)）工況時(shí)的熱平衡蒸汽量設(shè)計(jì)。給水系統(tǒng)按最大運(yùn)行流量即BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況時(shí)相對(duì)應(yīng)的給水量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

主蒸汽系統(tǒng)管道的設(shè)計(jì)壓力為鍋爐過(guò)熱器出口額定主蒸汽壓力。主蒸汽系統(tǒng)管道的設(shè)計(jì)溫度為鍋爐過(guò)熱器出口額定主蒸汽溫度與鍋爐正常運(yùn)行時(shí)允許溫度正偏差5℃之和。

低溫再熱蒸汽系統(tǒng)管道的設(shè)計(jì)壓力為VWO工況下汽輪機(jī)高壓缸排汽壓力的1.15倍。低溫再熱蒸汽管道的設(shè)計(jì)溫度是根據(jù)VWO工況下汽輪機(jī)高壓缸排汽參數(shù)等熵求取管道設(shè)計(jì)壓力下的對(duì)應(yīng)溫度。

高溫再熱蒸汽系統(tǒng)管道的設(shè)計(jì)壓力為鍋爐再熱器出口安全閥動(dòng)作的最低整定壓力。高溫再熱蒸汽管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度為鍋爐再熱器出口額定再熱蒸汽溫度與鍋爐正常運(yùn)行時(shí)的允許溫度正偏差5℃之和。

主蒸汽管道和再熱熱段蒸汽管道采用按美國(guó)ASTM A335 P91標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的無(wú)縫鋼管，再熱冷段蒸汽管道采用按美國(guó)ASTM A672 B70 CL32標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的電熔焊鋼管，高壓給水管道采用符合EN10216-2004標(biāo)準(zhǔn)的15NiCuMoNb5-6-4無(wú)縫鋼管。

巢湖工程四大管道的設(shè)計(jì)參數(shù)、管材、管徑、管內(nèi)流速等見(jiàn)表1。

中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱“顧問(wèn)集團(tuán)公司”）于2005年6月29—30日組織召開(kāi)了超臨界和超超臨界機(jī)組四大管道規(guī)格設(shè)計(jì)專題研討會(huì)，會(huì)議形成相關(guān)紀(jì)要，紀(jì)要中推薦的超臨界機(jī)組四大管道規(guī)格如表2所示。

對(duì)比表1和表2可以看出，本工程主汽、再熱熱段、再熱冷段三大管道選擇的規(guī)格和顧問(wèn)集團(tuán)公司推薦的規(guī)格不同，本工程選擇的管徑比顧問(wèn)集團(tuán)公司推薦的管徑要小一些，但管道內(nèi)流速符合要求。

表3為本工程采用小規(guī)格管徑節(jié)省的投資（與采用顧問(wèn)集團(tuán)公司推薦的管徑相比），表4為本工程采用小規(guī)格管徑后因阻力增加造成的電費(fèi)損失。

由表3可知，本工程設(shè)計(jì)的三大管道，因?yàn)閷?duì)規(guī)格進(jìn)行了優(yōu)化，每臺(tái)機(jī)組節(jié)約投資1 300萬(wàn)元。若按投資回報(bào)率為8％，回收周期為20年計(jì)，要收回1 300萬(wàn)元投資，要求每年產(chǎn)生132.47萬(wàn)元的收益，高于表4中年電費(fèi)損失。

表1 四大管道設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parametersof HTHPpipes

表2 四大管道直管推薦規(guī)格表Tab.2 Recommended specificationsof HTHPpipe straight tubes

在巢湖工程四大管道規(guī)格上進(jìn)行的優(yōu)化選擇，在安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用之間找到了最佳的平衡點(diǎn)。

2 四大管道布置

四大管道布置和主廠房設(shè)備布置及建筑結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合。當(dāng)前我國(guó)運(yùn)行中的燃煤電廠在設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往由于設(shè)計(jì)周期短，存在因循守舊、套用傳統(tǒng)或習(xí)慣布置模式而優(yōu)化創(chuàng)新、精細(xì)設(shè)計(jì)不夠的問(wèn)題，造成整個(gè)廠房容積較大，工程造價(jià)相對(duì)較高。巢湖工程節(jié)約四大管道用量的主要措施如下：（1）采用側(cè)煤倉(cāng)方案壓縮汽機(jī)與鍋爐之間距離，減少四大管道用量。（2）取消除氧間，進(jìn)一步壓縮了汽機(jī)與鍋爐之間距離。（3）合理利用和壓縮爐前通道。（4）高壓加熱器同層布置，給水管道短，阻力小。

2.1 管道走向的確定

主蒸汽及高、低溫再熱蒸汽系統(tǒng)采用單元制系統(tǒng)，均采用“雙管、單管、雙管”的布置方式。主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道分別從過(guò)熱器和再熱器的出口聯(lián)箱的兩側(cè)引出，然后匯成1根母管，到汽輪機(jī)前

表3 采用小規(guī)格管徑節(jié)省的投資Tab.3 The saving cost foradopting small-sized diameter

表4 采用小規(guī)格管徑后造成的電費(fèi)損失Tab.4 The electricity loss foradopting small-sized diameter

再分成2根支管分別接入高壓缸和中壓缸兩側(cè)主汽關(guān)斷閥和再熱關(guān)斷閥。低溫再熱蒸汽管道從高壓缸的2個(gè)排汽口引出，在機(jī)頭處匯成1根總管，到鍋爐前再分成2根支管分別接入再熱器入口聯(lián)箱。這樣既可以減少由于鍋爐兩側(cè)熱偏差和管道布置差異所引起的蒸汽溫度和壓力的偏差，有利于機(jī)組的安全運(yùn)行，同時(shí)還可以簡(jiǎn)化布置，節(jié)省管道投資。

高加采用同層布置，使高壓給水管道布置簡(jiǎn)捷，距離相對(duì)較短；高壓給水閥門(mén)集中布置，方便運(yùn)行人員巡視和維護(hù)。

2.2 管道標(biāo)高的確定

主汽、再熱熱段在汽輪機(jī)頭部第1檔內(nèi)穿過(guò)汽機(jī)房，管道中心距離梁底的空間應(yīng)考慮滿足支吊架的安裝設(shè)計(jì)，電纜橋架考慮從管道上方布置，最終確定標(biāo)高為10.2m。

由于整個(gè)主廠房比常規(guī)工程壓縮了2檔，再熱冷段在機(jī)島外布置已不合理，最終確定再熱冷段在機(jī)島內(nèi)從底層穿過(guò)汽機(jī)房，為避開(kāi)電纜主通道，最終確定標(biāo)高為4.5m。

高壓給水管道在中間層穿過(guò)汽機(jī)房，和四抽、小機(jī)供汽管、高加疏水管等多根管道交叉，其標(biāo)高確定非常困難。雖然最終給水管道標(biāo)高確定為11.20m，但現(xiàn)場(chǎng)仍出現(xiàn)了管道外保溫相碰的問(wèn)題。在今后的管道設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化，管道模型中應(yīng)考慮坡度的影響。

2.3 降低管道推力和力矩的措施

超臨界機(jī)組采用常規(guī)布置方案的主蒸汽管道和再熱蒸汽管道柔性比較好，熱脹應(yīng)力小，對(duì)設(shè)備的接口推力也較小，已不成為設(shè)計(jì)中的主要矛盾。但本工程由于采用優(yōu)化布置方案，管道布置剛性大，管道對(duì)設(shè)備推力和力矩的絕對(duì)值也加大。加之機(jī)爐為單元制，無(wú)法加設(shè)中間固定支架，因此管系的零力矩線就遠(yuǎn)離設(shè)備接口，造成管系對(duì)設(shè)備的力矩也較大，難以滿足設(shè)備對(duì)推力和力矩的要求。如果再采用改變管系的布置方案，增加其柔性，則需要增加管系進(jìn)口管材的消耗量，增大投資費(fèi)用。因此，在工程設(shè)計(jì)中成立了相關(guān)課題組，采取措施降低管道的推力和力矩。

一般來(lái)說(shuō)，除了采用冷緊的方法減少運(yùn)行初期管道對(duì)設(shè)備的推力和力矩以外，合理選擇支吊架型式，也是降低管道在某些方向上推力和力矩的重要措施。經(jīng)過(guò)計(jì)算，最終確定在管系的適當(dāng)位置加裝剛性吊架或限位支吊架，以限定管系在某些方向的位移（線位移或角位移），從而改變整個(gè)管系的力和力矩的分布，使管道對(duì)設(shè)備的推力和力矩降低，這顯然比改變管道的布置來(lái)減少推力和力矩更為優(yōu)越。雖然這樣設(shè)計(jì)會(huì)使管系的熱脹應(yīng)力有所增加，但只要限定在許用應(yīng)力范圍以內(nèi)，仍然是經(jīng)濟(jì)合理的。

在管系上加裝適當(dāng)?shù)膭傂缘跫芑蛳尬恢У跫埽€可以增加管系的穩(wěn)定度，避免管系由于支吊架荷載之誤差或轉(zhuǎn)移而造成管系失穩(wěn)或下垂。

2.4 管道設(shè)計(jì)軟件的靈活應(yīng)用

2.4.1 可靠的管系靜態(tài)分析

巢湖工程設(shè)計(jì)中采用了國(guó)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ASMEB31.1等國(guó)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，并組織經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)相關(guān)工作，同時(shí)聘請(qǐng)著名管道專家進(jìn)行審核，保證管系應(yīng)力在各種工況處于綜合優(yōu)化的水平。

2.4.2 先進(jìn)的管系動(dòng)態(tài)分析

除了進(jìn)行常規(guī)的管系靜態(tài)應(yīng)力分析外，還采用了先進(jìn)的Pipenet軟件結(jié)合Caesar II最新版軟件對(duì)管系進(jìn)行以下動(dòng)態(tài)分析的設(shè)計(jì)：（1）汽錘及水錘動(dòng)態(tài)管系分析；（2）安全閥排汽反力動(dòng)態(tài)管系分析；（3）地震動(dòng)態(tài)管系分析。

2.4.3 細(xì)致而有序的管系設(shè)計(jì)

采用AVEVA公司PDMS三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保管道整體布置的合諧、優(yōu)化。另外，采用自主開(kāi)發(fā)的保溫軟件，將管道外保溫同步設(shè)計(jì)輸入管道三維模型中，避免了管道之間的碰撞，確保現(xiàn)場(chǎng)施工順利進(jìn)行。

2.5 設(shè)計(jì)優(yōu)化成果

通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)，巢湖工程的四大管道工程量與參考工程及限額指標(biāo)對(duì)比如表5。

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表5 巢湖工程的四大管道工程量與參考工程及限額指標(biāo)對(duì)比Tab.5 Contrastof HTHPpipe projectof Chaohu project and reference project，lim it indicator

從表5可以看出，巢湖工程四大管道的工程量約為參考工程的84％，約為限額指標(biāo)的65％。

巢湖工程四大管道的管系應(yīng)力控制在合理范圍內(nèi)，接口的推力及力矩得到制造廠的最終確認(rèn)，整個(gè)管系阻力正委托西安熱工院進(jìn)行測(cè)試，相信其結(jié)果亦能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 四大管道優(yōu)化后現(xiàn)場(chǎng)情況

四大管道設(shè)計(jì)優(yōu)化后，減少了管道及相應(yīng)支吊架的用量，減輕了現(xiàn)場(chǎng)吊裝及焊接量，配管及現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度大大加快。但管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)及廠房的緊湊布置造成個(gè)別支吊架生根結(jié)構(gòu)偏復(fù)雜，施工技術(shù)難度加大。另外，盡管設(shè)計(jì)時(shí)考慮了支吊架結(jié)構(gòu)尺寸，如管部、彈簧、恒吊等，但因?yàn)榈截浺?guī)格與原設(shè)計(jì)有偏差，在機(jī)組運(yùn)行有熱位移后，還是造成了管道上個(gè)別彈簧吊架碰管道自身保溫、管部橫擔(dān)與土建墻體碰撞的情況。今后將認(rèn)真吸取巢湖工程的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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