小型中間再熱發電機組高溫再熱蒸汽管道應力分析及優化

周雪鹿（中冶華天南京工程技術有限公司，江蘇南京210000）

小型中間再熱發電機組高溫再熱蒸汽管道應力分析及優化

周雪鹿（中冶華天南京工程技術有限公司，江蘇南京210000）

本文通過對國內首臺采用中間再熱技術的小型汽輪發電機組高溫再熱蒸汽管道的應力分析，比對了不同支撐形式下管系應力及端口推力的應力計算結果，分析了支吊架形式和布局對于管道應力的影響，有助于設計人員掌握應力分析軟件，合理設計管系。

再熱蒸汽管道；應力分析；管道設計

1 引言

隨著國內各行各業產能置換和結構調整步伐的加快，節能增效工作日益受到重視。作為耗能大戶的鋼鐵企業，已逐漸不滿足單純的將煤氣能余能資源“用完”，而更加傾向于“物盡其用”。近年來新建的鋼鐵企業余熱發電項目，紛紛突破傳統小容量機組的低參數，不斷出現高溫超高壓機組、一次再熱機組等新型小規模高參數機組。國內某30MW煤氣余能發電工程新建1臺110t/h的高溫高壓中間一次再熱煤氣鍋爐，1套30MW高溫高壓純凝式汽輪發電機組。本工程開創了在小型發電機組上采用中間再熱技術的先例，比普通高溫高壓機組發電量增加了11%。

由于小容量機組廠房空間相對較小，為新增的再熱蒸汽管道及高低壓旁路的布置帶來很多困難，本文通過不同情況下管道應力計算分析結果的比對，提出管道優化設計方案，合理選擇管道的布置形式，使管道應力、管系柔性以及端口推力維持在合理范圍以內。

2 管道基本參數及布置

2.1 高溫再熱蒸汽管道參數

本工程高溫再熱蒸汽管道參數見表1。

表1 高溫再熱蒸汽管道基本參數

2.2 高溫再熱蒸汽管道布置

本工程高溫再熱蒸汽管道布置見圖1。

3 管道應力計算分析及優化

3.1 固定支架位置的選擇

為承受管道熱膨脹產生的推力，增強管系的穩定性，需在管系合理位置設置固定支架。固定支架的位置會影響整個管系的柔性、應力分布以及端口推力，因此需要根據計算結果進行反復調整。根據本工程高壓再熱蒸汽管道布置的情況，固定支架選擇布置在管道層，19#支架至23#支架之間。在不改變其他支吊架形式的情況下，固定支架的位置變化對鍋爐再熱器出口及汽輪機再熱進汽聯合主汽門的初熱推力影響見圖2。

圖1 高溫再熱蒸汽管道布置圖

圖2 各支架作為固定支架時管道端口初熱推力F（N）

同時，固定支架對于管系的二次應力分布也產生著重要影響，由于固定支架位置的改變，管系中最大二次應力點的出現位置以及二次應力的大小均發生變化。隨著固定點位置從19#支架向23#支架移動，管系中固定點兩側的二次應力最大值的變化情況見圖3。

圖3 各支架作為固定支架時管道端口初熱推力F（N）

結合兩圖應力計算結果可以看出，隨著固定支架的位置由汽機側向鍋爐側移動，汽機側管系端口（再熱主汽門進口）的推力逐漸減小，而鍋爐側管系端口（過熱器出口）的推力則逐漸增大（見圖2）。這與管道二次應力分布的情況一致，隨著固定支架位置的移動，鍋爐側管道二次應力最大值逐漸減小，而汽機側二次應力最大值則逐漸增加（見圖3）。特殊情況出現在當固定支架位置移動至19#支架時，由于鍋爐側管系剛性增加，導致水平管道無法吸收垂直管道的熱位移，需要將16#、17#支架設置為恒力吊架以滿足熱位移要求。雖然此時端口推力和管系二次應力處于較低的水平，但管系整體柔性較大，缺少限位支撐，管道容易產生晃動，同時恒力支吊架的制造和維護成本較高，安裝所需空間大，并不是最合理的方案。在管道布局調整的過程中，應對計算結果進行數據分析，盡量避免此類“量變引發質變”的情況發生。因此，綜合平衡兩側管道應力分布、端口推力、支吊架形式等各方面要求，將管系熱膨脹零點附近的21#支架設為固定支架，既可將管道端口推力控制在一定范圍內，又可設置更多的限位支吊架，增加管系的剛性和穩定性，是更為理想的選擇。

3.2 輔助限位支架的設置

工程設計中，管道設計通常還包括支吊架零部件的選型。支吊架選型時可利用應力分析數據確定支吊架部件的型號參數，使管道支吊架的強度能夠同時滿足冷態及熱態的荷載要求，尤其應注意承受管道熱膨脹推力的固定支架的安裝和工作荷載是否在部件允許的范圍以內。設計時可采取設置導向支架等輔助限位支架的方法，轉移固定支架的推力，降低其在各工況下所承受的推力和力矩，防止管道運行時出現支架脫開等不良情況。表2是本工程高溫再熱蒸汽管道未采用輔助限位支架時21#固定支架的受力情況。

表2 未采用導向支架時固定支架受力

在應力計算結果中，21#固定支架在熱態時所承受的力矩My及Mz值偏高，超出了常用選型時所用《火力發電廠汽水管道支吊架設計手冊》中DN350管夾固定支座的允許力矩68400N-m。通過分析高溫再熱蒸汽管道布置以及力矩方向發現，由于鍋爐再熱器出口與汽機再熱蒸汽進汽閥入口分別位于支架兩側，熱態時二者對管道的反作用力通過固定支架兩側管道力臂進行疊加，造成固定支架所受合力矩偏大。

為減少固定支架所受推力及力矩，可采取增加管系柔性，降低管道熱膨脹力，或減小推力力臂的方法。由于小型再熱機組布局緊湊，在有限空間內還要兼顧高壓旁路、低壓旁路等系統設備和管道，通過改變管道布局降低推力的方法實現難度很大，因此采用設置導向支架幫助承受部分管道推力的方法。考慮到汽機側對管口推力要求較高，在固定支架旁鍋爐側管道上的20#支架處設置導向支架。設置導向支架后21#固定支架的受力情況見表3。

對比表2及表3可以看出，采用輔助限位支架后，固定支架所受最大單向力矩降低了53.56%，Mx和My均降至允許力矩范圍內，避免了固定支架受力過大，管道應力過于集中的問題。

表3 設置導向支架后固定支架受力

3.3 冷緊值的確定

設計時為減小管道在工作狀態下對設備的推力和力矩，可對管道進行冷緊。通過冷緊可將管道的熱應變一部分集中在冷態，在安裝時（冷態）使管道產生一個初位移和初應力，從而降低工作狀態（熱態）時產生的推力和力矩。通過應力計算結果的比對，可以較為精確的控制管道對端點的冷態及熱態的推力分布，進而確定合適的冷緊值。本工程為控制高溫再熱蒸汽管道對汽輪機再熱進汽閥的推力，在Z方向對管道進行了冷緊。根據應力分析軟件計算結果，采用不同冷緊值時，管道對端口的熱態及冷態推力的變化見圖4。

圖4 采用不同冷緊值Δz（mm）時管道端口推力F（N）

從圖4中可以直觀的看出，隨著冷緊值的增加，管道的二次應變推力由全部出現在熱態工況逐漸向冷態工況轉移。根據相關規范推薦，冷緊比取0.7時，冷緊值Δz=125mm。由圖3的應力計算結果分析可以得出，此時管道工作狀態對設備端口的推力為不冷緊時推力的62.9%，起到了降低管系熱態推力的作用，有利于設備長期穩定運行。

4 結語

在國家政策的推動下，節能增效正在成為增強企業競爭力的重要話題，能源的高效率使用可幫助企業降低運營成本，從而極大地提升企業的競爭力，同時為企業樹立良好的社會形象。可以預見，未來以余能利用為主的鋼鐵企業自備電廠建設中，越來越多的高參數小容量機組將會得到應用。在設計小容量機組高參數管道時，設計人員應靈活運用應力計算軟件，根據應力分析結果結合工程設計經驗優化管道布局，調配管道支撐形式，使管系設計更為合理。

TM621

A

2095-2066（2016）05-0043-02

2016-1-18

周雪鹿（1984－），男，漢族，工程師，國家注冊公用設備工程師（動力），學士，2006年畢業于東南大學能源與環境學院，熱能與動力工程專業，現在從事熱力系統的設計工作。