能電廠2×660MW的燃煤機組高溫高壓管道設計與選材研究

鄢青云　楊華

摘? ?要：針對華能電廠2×660MW的燃煤機組“上大壓小”機組工程四大管道，從溫度和壓力方面分析了超超臨界機組通用管材的規格參數，并進一步進行管道材料和規格的比選，結合先進的軟件技術對管道的安全性能進行分析，獲得了滿足該電廠機組四大管道合理參數。

關鍵詞：超超臨界機組? 四大管道? 管道材料? 數值仿真

中圖分類號：TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（c）-0084-03

Abstract： The four kinds of pipe unit engineering of 2 x 660 MW coal-fired units in Huaneng power plant were designed in this work. The specifications of the ultra supercritical unit general pipe parameters for 2 x 660 MW coal-fired units were analyzed from the aspects of temperature and pressure. Moreover， the materials and specifications of piping were compared and pipeline safety performance was also analyzed by advanced software technology. Thus， the reasonable parameters of the power plant unit four pipes were obtained.

Key Words： Ultra-supercritical units; Four pipelines; Pipeline materials; Numerical simulation

隨著我國國民經濟的不斷迅速發展，對電力市場的需求越來越大，電力建設行業迎來了一次新的發展機遇，電力市場的份額以每年接近一個億千瓦裝機的規模不斷增長。根據對電力工業發展的預測，我國電力市場的裝機總容量和煤電裝機總容量在2020年的時候分別會接近13.4萬億千瓦和9.1萬億千瓦[1]。煤炭作為一次能源，在我國的能源結構中占據主導地位，因此，我國的電力生產中形成了以煤炭為主的格局。然而隨著電煤供需矛盾愈加尖銳，環境污染和高能耗成為制約電力行業發展的兩個尖銳的問題。因此，我們需要研究開發出一種環境友好型且容量更大的超超臨界機組，從而提高發電效率，節約煤炭資源和節省發電成本。

超超臨界機組所需的參數對管道系統，尤其是對四大管道材料實際應用具有較高的標準。其中四大管道指的是主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道（熱段）、低溫再熱蒸汽管道（冷段）和高壓給水管道[2]，并包括汽機旁路。為了滿足機組所需的參數，在設計管道時應采取完善的技術措施，從而保證管道系統的安全性和經濟性。主蒸汽及高、低溫再熱蒸汽管道系統采用的是單元制系統，即“雙管、單管、雙管”這樣的構造體系。主蒸汽管道從過熱器的兩側出口引出，而再熱蒸汽管道是從再熱器的兩側的出口引出，然后兩個管道在出口處匯成一根母管，母管延伸至汽輪機前再分流成兩根支管分別接入高壓缸和中壓缸左右兩側的主汽關斷閥和再熱關斷閥中。冷再熱蒸汽管道沿著低位高壓缸的兩個排氣口，然后分別接入高位鍋爐再熱器的聯箱。這樣設計符合DL/T 5054-1996 《火力發電廠汽水管道設計技術規定》要求，同時具有管道設計量少，經濟成本相對較低的優點。每臺機組設置一套汽輪機旁路系統的設計是為了改善整個機組的運行啟動條件以及在運行過程中機組的負荷特性，增強機組的靈活性。

本文針對華能電廠2×660MW的燃煤機組工程四大管道，從溫度和壓力方面分析了超超臨界機組通用管材的規格參數，結合先進的軟件技術對管道的安全性能進行分析，獲得了滿足該電廠機組四大管道合理參數，對華能電廠的2×660MW的燃煤機組高溫高壓管道進行了優化設計。

1? 四大管道的設計參數

1.1 管道設計壓力

鍋爐過熱器出口額定主蒸汽壓力稱為主蒸汽系統管道的設計壓力。根據IEC（60045-1，1991，MOD）規定要求：在電機運行過程中，汽輪機進口處的平均蒸汽壓力應小于額定壓力，因此，主蒸汽管道的壓力不應超過額定壓力的105%[3]。根據IEC的要求，只要保證12個月平均值不超過額定值，汽輪機超壓5%是可以連續運行的。因此，主蒸汽管的設計壓力等于汽輪機額定進汽壓力的105%加上主蒸汽管道的壓降（按5%考慮）[3]。

按照國內外標準及規范，熱再熱蒸汽管道系統的設計壓力是汽輪機高壓缸排汽壓力的1.15倍或鍋爐再熱器出口安全閥動作的最低整定壓力（約為1.1倍的再熱器進口壓力）。此壓力低于1.15倍的高壓缸排汽壓力，由于相差不大，因此再熱熱段蒸汽管道設計壓力按1.15倍汽輪機高壓缸排汽壓力考慮。冷再熱蒸汽系統管道的設計壓力與再熱熱段蒸汽管道設計壓力一樣。

1.2 管道設計溫度

按照國內外標準及規范，主蒸汽系統管道的設計溫度等于鍋爐過熱器出口的額定溫度加正常運行時的鍋爐允許的溫度正偏差5℃[4]。

按照國內外標準及規范，熱再熱蒸汽管道系統的設計溫度等于鍋爐再熱器出口額定溫度加正常運行時鍋爐的允許的溫度正偏差5℃。

根據國內規程：汽輪機高壓缸排汽參數的熵為冷再熱蒸汽管道的系統的設計溫度。若汽輪機在運行方式上有特殊要求時，該設計溫度應采用最高工作溫度。

1.3 汽機旁路管道

高壓旁路閥前管道的設計參數與主蒸汽管道相同，閥后管道的設計參數與冷再熱蒸汽管道相同;低壓旁路閥前管道的設計參數與熱再熱蒸汽管道相同。

1.4 高壓給水管道

對于高壓給水管道（主給水泵出口到關斷閥），設計壓力的值等于泵在額定轉速特性曲線最高點對應的壓力加上泵進水側壓力;對于高壓給水管道（從關斷閥后到省煤器進口），設計壓力的值等于1.1倍泵的提升壓力（泵在額定轉速及設計流量下）加上進水側壓力。最終管道的具體參數將按給水泵制造廠提供的特性曲線核算后再確定。四大管道設計的具體參數如表1所示。

2? 四大管道材料及規格的選擇

2.1 四大管道材料的選擇

根據目前國內大容量超超臨界機組的運行情況，推薦四大管道的材料如下[5]：

（1）高壓給水管道的材料選用15NiCuMoNb5-6-4。

（2）再熱（冷段）蒸汽管道的材料選用A691 Cr1-1/4 CL22電熔焊接管。

（3）對于主蒸汽管道，由于P122、E911鋼價格偏高，且E911許用應力偏低，P122加工和焊接工藝目前國內掌握的不夠熟練，所以選用相對來說各種加工和焊接技術已經成熟的P91鋼。但在技術方面，P91鋼已應用到最高極限溫度，且管道壁厚較厚，對設備的推力大，能夠影響機組的變負荷速率。因此，綜合以上的技術因素以及經濟因素，本工程中的主蒸汽管道采用的是P92鋼。

（4）對于高溫再熱蒸汽管道，P91鋼或P92鋼均能滿足所需的要求，由（3）可知P91鋼已應用到材料極限溫度（推薦溫度為593℃），從機組的安全性考慮，在價格相差不大時，優先采用P92鋼。

2.2 四大管道規格的選擇

華能石洞口第二電廠1號機組及2號機組分別于2009年11月及12月通過168h試運行，正式投入商業運行。根據現場實測的四大管道運行參數，額定負荷時系流動阻力均小于理論公式計算的數據。建議對本工程，四大管道的規格暫按表2所示。

3? 管道設計軟件的應用

超超臨界機組高參數不但要求采用國際上實際應用經驗有待豐富的新材料，而且對新材料的應用參數也接近推薦范圍的上限，因此，必須在設計時采取充分的技術措施，以保證管系的高度安全性。

對華能長興電廠2×660MW燃煤機組“上大壓小”機組工程，將采用國際上在電力、石化等多個行業應用經驗豐富的Caesar II最新版軟件（滿足最新版ASME B31.1等國際標準及規范的要求）進行管系靜態應力分析;除了進行常規的管系靜態應力分析外，華東電力設計院具有采用先進的Pipenet軟件結合Caesar II最新版軟件對管系進行以下動態分析的設計能力;對室外風速較高區域的電廠，有必要進行管系風荷載分析，以全面提高電廠在發電高峰期的可靠性。

對于有些設備的接口，如凝汽器低壓旁路接口，有些廠家要求采用補償器連接，設備接口允許的推力及力矩非常小。采用Caesar II最新版軟件，可進行包括補償器管系的準確分析;有些鍋爐范圍安全閥排汽管道在主管道上支撐，常規應力分析軟件建模比較復雜且不準確，利用Caesar II最新版軟件，采用Cnode方式，可準確地進行這種布置方式管系的應力分析。此外，采用Intergraph公司PDS三維設計程序進行設計，確保管道整體布置的和諧、優化;通過在這幾年電力行業快速發展過程的實際應用，已形成規模化設計能力，可高效率、高質量的進行電廠設計。另外采用自主開發獲QC優秀獎的支吊架建模軟件，將支吊架模型同步設計輸入管道三維模型中，避免支吊架與管道之間的碰撞，確保現場施工順利進行。

4? 結語

根據對四大管材的分析，給出了華能電廠“上大壓小”燃煤機組四大管道材料的合理選擇。基于前期工程的四大管道設計經驗，采用可靠的管系動、靜態分析，全面的管系風載荷分析，準確的管系計算方法和細致而有序的管系設計的方法對管道安全進行設計，給出合理管道設計方案。

參考文獻

[1] 張祖輝.超超臨界機組高溫高壓管道應用分析[D].華北電力大學，2011.

[2] 武秀峰.超超臨界火電機組四大管道選材分析[J].電力科學與工程，2008（10）：73-78.

[3] 王亞軍，朱佳琪，李林，等.二次再熱機組六大管道設計研究[J].電力勘測設計，2016（4）：26-33.

[4] DL T.5054-1996.火力發電廠汽水管道設計技術規定[S].中國電力出版社，北京，1996.

[5] 劉發燦，陳瑞克.電廠1000MW超超臨界機組四大管道設計方案尋優比較[J].廣西電力，2011，34（6）：40-43.