燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐吹管探討和實(shí)踐

彭 沖

（中電建湖北電力建設(shè)有限公司，武漢 430030）

0 引言

某425 MW燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)電廠工程，主機(jī)由3臺(tái)GE公司的PG9171E型燃機(jī)配杭鍋3臺(tái)雙壓自然循環(huán)余熱鍋爐，以及1臺(tái)東方汽輪機(jī)廠200 MW汽輪機(jī)組成。按計(jì)劃的安裝程序，首先進(jìn)行了3臺(tái)燃機(jī)的單循環(huán)運(yùn)行，后進(jìn)行了3臺(tái)余熱鍋爐的水壓試驗(yàn)，具備條件時(shí)即開(kāi)始準(zhǔn)備余熱鍋爐的吹管。

1 問(wèn)題及現(xiàn)狀

根據(jù)以往工程的經(jīng)驗(yàn)，既可以單臺(tái)燃機(jī)啟動(dòng)，單臺(tái)余熱鍋爐吹管；也可以3臺(tái)燃機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，3臺(tái)余熱鍋爐同時(shí)并汽吹管，吹管蒸汽由主蒸汽母管末端排出。表1所示為單臺(tái)吹管和三臺(tái)聯(lián)合吹管各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算和對(duì)比，單機(jī)吹管預(yù)計(jì)總耗時(shí)15天，三拖一聯(lián)合吹管總耗時(shí)5～7天。其中臨沖管的安裝，單機(jī)吹管總耗時(shí)約（算上冷卻時(shí)間）20天，聯(lián)合吹管臨沖管的安裝在12天左右。

對(duì)于工程實(shí)踐來(lái)說(shuō)，以往“多拖一”的燃機(jī)項(xiàng)目，采用單臺(tái)機(jī)／爐吹管，分部投運(yùn)案例較多，采用幾臺(tái)機(jī)／爐同時(shí)啟動(dòng)吹管的也有少量案例［1］。為此項(xiàng)目部根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行了討論對(duì)比，認(rèn)為合同對(duì)于總工期的總考核是聯(lián)合循環(huán)節(jié)點(diǎn)，而不是單循環(huán)節(jié)點(diǎn)，為保證工期和“三拖一”滿負(fù)荷聯(lián)合循環(huán)能盡早實(shí)現(xiàn)，經(jīng)與調(diào)試單位協(xié)商，業(yè)主同意決定采用3臺(tái)燃機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，3臺(tái)余熱鍋爐同時(shí)并汽吹管的方式。

表1 單臺(tái)余熱鍋爐吹管和3臺(tái)余熱鍋爐聯(lián)合吹管優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2 解決方案

該工程決定采用“三拖一”聯(lián)合吹管的方式進(jìn)行，則需詳細(xì)地制定吹管方案和制作臨沖管的材料、消音器等。經(jīng)與調(diào)試單位協(xié)商，分工如下：方案中與吹管有關(guān)的參數(shù)選取、操作控制等由調(diào)試單位完成，臨沖管的設(shè)計(jì)和安裝、消音器的制作安裝，以及吹管的配合由安裝單位完成。總體方案由安裝單位匯總，調(diào)試單位批準(zhǔn)上報(bào)。

2.1 吹管參數(shù)的選擇

查圖紙得：正常運(yùn)行時(shí)候高壓主蒸汽流量147.327 t／h，壓力7.09 MPa，溫度480℃；低壓主蒸汽流量13.942 t／h，壓力0.61 MPa，溫度295℃。

根據(jù)吹管導(dǎo)則，降壓沖管參數(shù)的選定原則為：沖管汽流對(duì)雜物的沖刷力大于額定工況時(shí)的汽流沖刷力，即沖管系數(shù)大于1.4；沖管時(shí)壓力下降值控制在其相應(yīng)的飽和溫度降低值不超過(guò)42℃［2］。沖管系數(shù)：

βΔρ＝ Δρb／Δρ0

式中：βΔp為壓降比，經(jīng)理論驗(yàn)算及試驗(yàn)，當(dāng)吹管時(shí)過(guò)熱器壓降與鍋爐BMCR工況時(shí)過(guò)熱器壓降之比值不小于1.4，即能保證吹管過(guò)程中各段受熱面動(dòng)量比不小于1的要求；ΔPb為吹管過(guò)程中某小區(qū)段流動(dòng)壓降（阻力），MPa，下標(biāo)b代表吹管工況；ΔP0為鍋爐BMCR工況下該區(qū)段流動(dòng)壓降（阻力），MPa，下標(biāo)0代表鍋爐BMCR工況。

經(jīng)換算后簡(jiǎn)易計(jì)算的公式為：

βΔp= （吹管時(shí)汽包-過(guò)熱器壓差）／（BMCR工況汽包-過(guò)熱器壓差）

根據(jù)計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)情況，沖管參數(shù)如表2所示，沖管時(shí)根據(jù)壓差情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

表2 吹管壓力參數(shù)

2.2 臨沖管的計(jì)算和布置

因?yàn)轫?xiàng)目所在地基本不生產(chǎn)高壓無(wú)縫鋼管，又要考慮最經(jīng)濟(jì)的原則，故考慮臨沖門(mén)前高壓部分管道國(guó)內(nèi)采購(gòu)，按主蒸汽管道外徑匹配其外徑，按吹管壓力計(jì)算壁厚，按最高吹管溫度確定材質(zhì)。臨沖門(mén)后管道采用現(xiàn)場(chǎng)暫未安裝的高、低壓旁路管道。這樣需要采購(gòu)和收集的材料如表3、4所示。

表3 高壓主蒸汽吹管臨時(shí)管道材料

表4 低壓主蒸汽吹管臨時(shí)管道材料

由表可知，除部分高壓管道和臨沖門(mén)需購(gòu)買(mǎi)外，包括臨沖門(mén)后管道，靶板裝置，消音器，部分不規(guī)則斜三通均可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)尋找材料、制作完成。這樣可以給工程節(jié)約大筆的成本，也合理利用了現(xiàn)場(chǎng)的材料，符合節(jié)約環(huán)保的原則。

臨沖管的布置，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的條件和環(huán)境，雖然只是臨時(shí)管道，但是業(yè)主工程師對(duì)此非常重視，要求出圖出計(jì)算。經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)勘查和測(cè)量對(duì)比，最終選取高壓臨沖管沖高壓主汽門(mén)出口至汽機(jī)房A排外，低壓臨沖管沖低壓臨沖門(mén)出口至汽機(jī)房C排外。采用對(duì)沖布置而不是采用相同布置，主要是考慮到余熱鍋爐高低壓汽包壓力、壓降均不相等，可能出現(xiàn)同時(shí)達(dá)到壓力吹管的情景，也可能出現(xiàn)臨沖門(mén)關(guān)不嚴(yán)，高壓蒸汽吹入低壓系統(tǒng)造成破壞。考慮到低壓系統(tǒng)壓力較低，未設(shè)置消音器，采用直排大氣的方式，高壓系統(tǒng)設(shè)置制作的三層消音帶托架的消音器。相關(guān)計(jì)算如下（僅計(jì)算高壓部分，低壓部分因壓力／溫度較低，計(jì)算略）。

2.2.1 臨時(shí)管道一次應(yīng)力的計(jì)算

臨時(shí)管道一次應(yīng)力是由于外力載荷而使管道產(chǎn)生的應(yīng)力和剪應(yīng)力，其計(jì)算結(jié)果必須滿足外部和內(nèi)部力或力矩的平衡法則。其特點(diǎn)是沒(méi)有自限性，始終隨著外力載荷的增加而增大。不會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而降低［3］。超過(guò)某一限度時(shí)，將會(huì)使管道直接破壞。一次應(yīng)力基本計(jì)算公式為：

δL＝ PDn／（D2w－ D2n）＋ 0.75iMA／W ≤ ［δ］t

式中：P為設(shè)計(jì)壓力，MPa；Dn為管道內(nèi)徑，mm；Dw為管道外徑，mm；i為應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；MA為管子自重或其他外載作用在橫截面上的合成力矩，N·mm；W為管子的截面抗彎矩，N·mm；［δ］t為鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

依據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》DL／T 5054-1996，12Cr1MoV鋼在400℃時(shí)的許用應(yīng)力為98 MPa；設(shè)計(jì)壓力取降壓沖管門(mén)前正常沖管最高壓力P=5.5 MPa；臨沖門(mén)前管道為φ325×16 mm；應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)i查ASME規(guī)程B31.3 APPENDIX D，i=0.9／（2h／3）；h=TR1／R22；本例中經(jīng)過(guò)計(jì)算和查表得知0.75i≈1.64。經(jīng)計(jì)算得到：

δL=27.85+1.312 ＜［δ］t=87 MPa，滿足要求。

2.2.2 管道壁厚計(jì)算

依據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》DL／T 5054-1996，沖管臨時(shí)管道最小壁厚選用原則為位于吹管門(mén)前，其計(jì)算壓力P=5.5 MPa，計(jì)算溫度400℃，最小壁厚計(jì)算公式為：

式中：Sm為管道的最小壁厚，mm；P為壓力，MPa；D0為管道外徑，采用公稱(chēng)通徑，mm；δ為鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，單位MPa，在400℃時(shí)，12Cr1MoV鋼的許用應(yīng)力為98 MPa；η為許用應(yīng)力修正系數(shù)，對(duì)于無(wú)縫鋼管，該系數(shù)為1.0；Y為溫度對(duì)計(jì)算管子壁厚公式修正系數(shù)，對(duì)碳鋼，低合金鋼，482℃及以下時(shí)，Y=0.4；α為考慮腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度要求附加厚度，mm，對(duì)普通無(wú)縫鋼管，中高壓汽水管道，腐蝕余度均取0 mm，可以不考慮。

計(jì)算結(jié)果：Sm=8.919 mm＜16 mm，符合要求。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布置，臨沖管的布置如圖1所示。

圖1 高壓臨沖管布置

2.3 消音器的制作

消音器制作說(shuō)明［4］如下。

（1）消音器內(nèi)外3層分別安裝設(shè)計(jì)制作加工；制作時(shí)內(nèi)筒、中筒均先鉆眼再卷管。

（2）消音器工作參數(shù)P=0.5 MPa，T=350℃。

（3）綜合目前幾種典型超臨界及超超臨界機(jī)組消音器，定為內(nèi)管φ530 mm×12 mm，采用焊接鋼管，材質(zhì)為Q235，在滿足通流面積情況下鉆φ20 mm孔，孔間距50 mm。

（4）第2層采用δ=12鋼板（Q235A）卷制加工為直管，外徑為φ1200 mm，鉆φ20 mm孔，孔間距50 mm。

（5）第3層采用δ=19鋼板（Q235A）卷制加工為直管，因設(shè)計(jì)為敞開(kāi)式，最外層為半圓，直接焊接在底座上，外徑為φ2 420 mm。

（6）消音器通流計(jì)算如下。

①內(nèi)筒眼孔通流

孔數(shù)：（3.14×530×3 465）／2 500=2 306；孔面積：2 306×3.14×100=724 266 mm2；截面積：3.14×2 652=220 506 mm2。則通流系數(shù)為內(nèi)筒眼孔通流／內(nèi)筒通流截面積，即3.28倍。

②中筒通流面積

孔數(shù)：（3.14×1 200×3 465）／2 500=5 222；孔面積：5 222×3.14×100=1639 848 mm2；實(shí)際截面積：3.14×6 002-180 864=949 536 mm2。則通流系數(shù)為內(nèi)筒眼孔通流／內(nèi)筒通流截面積，即1.72倍。

消音器的詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 消音器詳細(xì)設(shè)計(jì)圖

3 吹管過(guò)程

本項(xiàng)目從開(kāi)始吹管至吹管合格歷時(shí)9天。吹管期間發(fā)生了部分問(wèn)題，現(xiàn)總結(jié)如下。

（1）吹管參數(shù)的調(diào)整

吹管過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)前期制定的2.0～3.3 MPa的降壓吹管參數(shù)并不能完成滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，根據(jù)公式βΔρ=Δρb／Δρ0，按簡(jiǎn)易計(jì)算方法：βΔρ= （吹管時(shí)（汽包-過(guò)熱器）壓差）／（BMCR工況（汽包-過(guò)熱器）壓差），必須保證βΔρ≥1.4，吹管才有實(shí)際意義［5］。因燃機(jī)-余熱鍋爐加熱非常快，實(shí)際操作中吹管系數(shù)大于1.4的區(qū)間非常短，可能會(huì)造成不能完全吹凈。后停機(jī)期間與調(diào)試單位協(xié)商，將臨沖管的壁厚進(jìn)行了重新核算。最后將吹管最大壓力調(diào)整為4～5.0 MPa（過(guò)熱器出口），這樣保證了單次吹管有充足的時(shí)間，使吹管進(jìn)行得更徹底（壓力調(diào)整必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算，切不可隨便增大壓力）。

（2）關(guān)于吹管噪聲問(wèn)題

前期設(shè)計(jì)時(shí)考慮到低壓系統(tǒng)壓力低，管徑大，認(rèn)為應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲。實(shí)際吹管過(guò)程中，低壓系統(tǒng)雖然只有0.4 MPa的吹管壓力，但還是產(chǎn)生了很大的噪聲（同期高壓系統(tǒng)最高6.0 MPa吹管，但由于采用了消音器，消音效果相當(dāng)好）。建議余熱鍋爐吹管期間，低壓系統(tǒng)也最好設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的消音器。

（3）關(guān)于用水量

吹管期間，發(fā)生缺水導(dǎo)致停止2次。因3臺(tái)燃機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，3臺(tái)余熱鍋爐同時(shí)上水吹管所耗水量巨大，據(jù)估算最高耗水量為150～180 t／h，而現(xiàn)場(chǎng)化水最高制水量為150 t／h，除鹽水箱必須留2 m水位保證再生時(shí)的需要，考慮到再生的時(shí)間為2～4 h，化水系統(tǒng)同步制水也達(dá)不到要求。總結(jié)，如想快速一次完成吹管工作，可考慮現(xiàn)場(chǎng)制作吹管臨時(shí)水箱，或采取措施加快化水制水／再生速度［6］。

（4）關(guān)于燃機(jī)帶負(fù)荷

由于吹管期間可能會(huì)造成機(jī)組不穩(wěn)定，引起對(duì)電網(wǎng)的干擾，建議采用不并網(wǎng)吹管［7］。

4 結(jié)束語(yǔ)

南迪普燃機(jī)－聯(lián)合循環(huán)工程余熱鍋爐吹管，從時(shí)間和成本上來(lái)說(shuō)，大大節(jié)省了工期，材料也多取自現(xiàn)場(chǎng)材料，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)利用自產(chǎn)蒸汽分別吹管，保證了各系統(tǒng)的吹管效果，在機(jī)組停機(jī)冷卻期間加快換水工作，以確保吹管水源的穩(wěn)定。近年來(lái)，燃機(jī)－聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目日益增多，本文將為今后同類(lèi)型機(jī)組的吹管提供有力的參考和借鑒。