1 000 MW超超臨界鍋爐沖管臨時管設計探討

單宏威,張丹,王學關

(浙江省火電建設公司,杭州市,310016)

0 引言

華能海門電廠一期工程建設 2×1 000 MW機組,三大主機均由東方電氣集團設計供貨。鍋爐為東方鍋爐廠供貨的超超臨界變壓運行直流鍋爐,鍋爐型號DG3000/26.15-Ⅱ1型,單爐膛,一次中間再熱,尾部雙煙道結(jié)構(gòu)。

鍋爐沖管采用二階段、降壓吹管方式進行。第一階段對過熱器系統(tǒng)和主蒸汽管道進行吹掃,合格后在第二階段依次對過熱器系統(tǒng)、主蒸汽、高壓旁路、再熱系統(tǒng)進行吹掃,過熱器系統(tǒng)、主再熱及高旁管道吹掃合格后進行小機高壓進汽吹掃。

過熱器、再熱器及其管路吹掃時啟動分離器壓力6.5～7.5MPa時開臨沖閥,當啟動分離器壓力4.5～5.0MPa時關臨沖閥。吹掃過程中控制主汽溫度不超過 450℃,控制過熱器、再熱器、水冷壁均不超溫。

鍋爐過熱器、再熱器系統(tǒng)及其蒸汽管道內(nèi)部的清潔程度,對機組的安全運行及能否順利投產(chǎn)關系重大。為了清除在制造、運輸、保管、安裝過程中殘留在過熱器、再熱器系統(tǒng)及相關蒸汽管道中的各種雜物,必須進行蒸汽吹掃。由于蒸汽吹掃時參數(shù)高,管道的冷熱載荷、冷熱位移、沖擊載荷大,必須對臨時管道的設計參數(shù)、管材選用、管壁厚度、管道布置、支吊架選型、管道補償?shù)纫蛩剡M行分析和計算,以確保吹掃過程安全、經(jīng)濟。

1 臨沖管設計

1.1 臨沖管設計參數(shù)選擇

根據(jù)沖管參數(shù)及超臨界、亞臨界機組沖管的經(jīng)驗而選擇:臨沖閥前臨時管道設計壓力10.0MPa,溫度500℃;臨沖閥后至低溫再熱蒸汽管道的臨時管道設計壓力5.0MPa,溫度500℃;排汽管臨時管道設計壓力2.0 MPa,溫度500℃。

1.2 臨沖管材質(zhì)及壁厚選擇

選擇一、二次系統(tǒng)及疏水臨沖管材料為12Cr1MoV(含消音器)。壁厚計算參照:

式中:sm為直管的最小壁厚,mm;P為沖管壓力, MPa;D0為公稱外徑,mm;[δ]t為臨沖管在沖管溫度下的許用應力,MPa;η為許用應力修正系數(shù),無縫鋼管取1.0,自動焊機下的單面焊接有坡口焊縫取0.85; Y為溫度對計算管道壁厚公式的修正系數(shù),對于鐵素體鋼 482℃及以下時取 0.4,538℃及以上時取0.7,對于奧氏體鋼 566℃及以下時取 0.4,593℃及以上時取0.5,621℃及以上時取0.7,中間溫度采用內(nèi)插法計算;α為腐蝕磨損量,對于臨沖管暫不考慮。

1.3 支吊架設計

臨沖管支吊架間距應滿足剛度、強度、靜態(tài)載荷、有沖擊力的熱態(tài)載荷、對汽輪機接口力矩的限制要求。臨沖管支吊架設計以不阻礙膨脹、承擔排汽反力、限制對汽輪機產(chǎn)生位移為原則。以下位置需重點考慮并消除影響:中聯(lián)門出口母管至 0m層垂直段,該垂直段前后水平段較長且消音器摩擦力較大,因此該垂直段往往承受較大前后水平段的膨脹應力,并且該垂直段上下端彎頭受蒸汽沖擊力較大,綜上所述,需考慮在垂直管設計能承受蒸汽沖擊力的Z向彈簧吊架或阻尼吊架,并設計X或 Y向彈簧支架或限位支架,如圖 1—3。高壓主汽門出口管道沖擊力及熱位移大且應避免對汽輪機推力的超標,因此應設計彈簧吊架以減少沖擊力形成的管道 Z向位移,并設計 X向限位支架以免對汽輪機形成推力,如圖4—6。

臨沖管受成本影響應以滑動支架、限位支架為主,彈簧支架、恒力吊架、阻尼吊架為輔。彈簧支架、恒力吊架應考慮滑動支架對彈簧Z向工作的影響,因此上述支吊架前后滑動支架距離應以遠為宜。臨沖管不宜采用固定支架。

普通彈簧、恒力彈簧的載荷應考慮管道、管件、保溫的重力載荷及蒸汽沖擊載荷和熱位移的影響。

1.4 走向選擇

臨沖管走向可供選擇的空間往往受制于汽輪發(fā)電機、主變、廠變、備變、吊物孔布置而較小。臨沖管末端宜設置帶消音片的復合消音器,以最大程度降低沖管期間產(chǎn)生的噪音污染。

消音器周邊應有半徑r≥20 m的空間,如周邊有變壓器及出線裝置,應考慮消音器設置于變壓器的下風口,以防止鐵屑污染變壓器及出線導致短路。消音器宜遠離汽機房 A排,防止垃圾及蒸汽對 A排彩鋼板的污染。

臨沖管從汽輪機高中壓主汽門接出后,在前軸承座前的運行平臺布置臨沖閥、靶板裝置、一二次系統(tǒng)切換閥或切換回轉(zhuǎn)堵板、臨沖閥操作臺后以垂直管至0 m層。至0m層垂直管可利用吊物孔(如吊物孔在汽輪機縱軸線正前方)或廠房固定端外立面(如固定端外立面在汽輪機縱軸線正前方)而布置。

臨沖管布置彎頭宜少,以提高沖管系數(shù)、降低沖管次數(shù),但犧牲管道補償性能,因此彎頭數(shù)量的選擇在保證管道補償性能的前提下盡可能少。臨沖管布置宜低,以增加穩(wěn)定性,提高安全性且減少支吊架材料。

主再熱及小機高壓進汽疏水管外接至廠外,以避免凝汽器汽水品質(zhì)受到破壞。疏水均外接至母管,為降低噪音宜接至臨沖管主消音器。疏水母管可以分別設計為一、二次系統(tǒng)母管,或共用 1根母管,但應遵從低壓在高壓前方的原則。主再熱及小機高壓進汽疏水管宜以斜 30°進入疏水母管。

2 設計中考慮的因素

2.1 熱應力

臨沖管承受高溫、高壓、高流量蒸汽的作用,且降壓法以不規(guī)律的應力作用于管道焊口,因此必須認真考慮熱應力影響。三通、靶板座法蘭、彎頭容易成為應力集中位置。臨沖管設計中必須考慮不同參數(shù)管道熱膨脹率、熱膨脹方向?qū)ι鲜龉芗挠绊憽Ｈ缫弧⒍蜗到y(tǒng)至排汽母管的三通,一次系統(tǒng)與排汽母管的參數(shù)不同、長度不同對三通位置產(chǎn)生的力的大小、方向是不同的,因此宜采用鍛制異徑三通。

靶板座法蘭焊縫在以往機組沖管期間發(fā)生裂紋事件,因此該處宜采用 60°單面坡口后堆焊并超聲波合格方可,不應采用加強筋。

冷段材質(zhì) A 672B70CL32材料的許用溫度為427℃,經(jīng)過核算冷段能承受的極限工作參數(shù)為壓力4.5MPa,溫度 425℃,因此第二階段沖管期間應適當降低沖管參數(shù),以保證管道及相應支吊架的安全。

因熱應力影響,不建議在臨沖管上設計法蘭式回轉(zhuǎn)堵板,除非設計院應力校核滿足要求。

2.2 補償性能

高中壓汽門之間連通管熱膨脹對汽輪機位移有影響,一、二次系統(tǒng)排汽母管熱膨脹對彎頭焊縫有影響,因此需考慮管道補償性。臨沖管補償性一般采用柔性自補償、冷拉以降低應力為目的的方法。臨沖管的柔性自補償受廠房空間及沖管系數(shù)的限制而僅能進行一定的改變。冷拉能改變熱態(tài)應力的產(chǎn)生,以犧牲冷態(tài)應力來獲得熱態(tài)應力的滿足,冷拉值一般是熱膨脹量的 2/3。

海門電廠對上述 2個位置以修改管道布置,保證管道柔性,通過自補償獲得應力滿足。

2.3 熱膨脹

熱膨脹ΔL計算公式為:

式中:L0指管道冷態(tài)的長度,mm;Δt指管道運行溫度與安裝溫度之差值,安裝溫度取 20℃;α指材料的平均線膨脹系數(shù),10-6/℃。

2.4 消音器

消音器應考慮降低排汽噪音,噪音量宜小于60 dB;消音器結(jié)構(gòu)需考慮能承受排汽反力;消音器流通面積、材質(zhì)應能滿足蒸汽吹管需要。消音器所放置的地方應平坦、無坡度、地基硬實,一般采取夯實后鋪設履帶吊路基板即可,必要時可采取澆注鋼筋混凝土地基。消音器四周應搭設 8～10m高的雙層腳手架,并鋪設鋼腳手片以防止垃圾造成人員傷害。

海門電廠 1號機組鍋爐沖管消音器設計排汽壓力2.0MPa、排汽量1 600 t/h、排汽溫度500℃、噪音量不大于50 dB、主材質(zhì)12Cr1MoV吸音板材質(zhì)304吸音材料為非金屬。

2.5 臨沖閥

臨沖閥的開啟時間應滿足電綜[1998]179號《火電機組啟動蒸汽吹管導則》的要求,在滿足其前提的要求下宜采用開啟時間較長的臨沖閥,以減少吹管次數(shù)。

一次系統(tǒng)排放管建議設置 2個臨沖閥,以減少因臨沖閥卡澀、銅套損壞、閥瓣損壞等原因造成的停爐。臨沖閥選用符合沖管參數(shù)的壓力10MPa、溫度500℃、閥體及閥瓣材質(zhì)為WC9、電裝功率大于13 kW且通流面積大于主汽主管道的閥門,宜自帶旁路暖管閥。

臨沖閥應搭設操作平臺,并設置為遠方電操型,應裝設于水平直管段上。

2.6 靶板裝置

近年靶板裝置發(fā)展較快,有單面靶板裝置、雙面靶板裝置、串聯(lián)式靶板裝置、自動靶板裝置,其中尤以自動靶板裝置為最好。靶板取放往往工作量較大且?guī)в袠O大的危險性,自動靶板裝置能解決上述問題。自動靶板裝置以氣動或電動為動力,由主隔離閥、靶板升降閥、密封裝置等構(gòu)成。

靶板裝置應放置于臨沖閥后 2～3m的直管段上,靶板裝置后應有 3～4m的直管段,以免因蒸汽紊流導致沖管次數(shù)增加。

2.7 臨沖管安裝

臨時管的安裝要求以一、二次系統(tǒng)為分界線有不同的標準。要求一次系統(tǒng)包括一次系統(tǒng)排汽管、至冷段管道以酸洗或噴砂控制管內(nèi)清潔度,以免因臨時管垃圾而導致沖管次數(shù)上升。二次系統(tǒng)以控制靶板器前管內(nèi)清潔度為要求。

靶板裝置前焊口要求 100%超聲波檢驗,其余焊口以抽檢為宜。臨沖管焊口宜采取氬弧焊打底、電焊蓋面的工藝。

臨沖管應順著蒸汽流動方向形成i≥0.005的坡度,切勿倒坡以形成水擊。對于高中壓汽門出口管道可設計成汽門疏水的坡度,如局部位置出線 U型則應設計疏水管。

3 結(jié)語

鍋爐沖管以其介質(zhì)參數(shù)高、流量大在許多電廠中往往因臨沖管設計不合理、臨沖閥選型不當、靶板裝置不合理、消音器不當而出現(xiàn)安全問題。臨沖管的走向與沖管系數(shù)有必然的關系,沖管系數(shù)高、靶板裝置定位合理、臨沖閥定位合理、臨沖管內(nèi)部清潔度佳,均能有效降低沖管次數(shù),從而提高沖管經(jīng)濟性。一、二次系統(tǒng)單獨吹掃是近年沖管的趨勢,具有降低沖管次數(shù),提高經(jīng)濟性的優(yōu)點。

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