壓氣站燃氣輪機余熱發電大截面內保溫煙道內襯板方案選擇

胡信韜，陳雨歡，王 操，彭義林

(湖北省電力勘測設計院有限公司，武漢 430000)

壓氣站燃氣輪機余熱利用項目中，需要將壓氣站內燃氣輪機對空排放煙氣通過煙道引接至新建余熱發電廠區余熱鍋爐入口。

由于新建余熱發電廠區全部熱源都來自壓氣站煙氣余熱，因此煙道的設計至關重要。在常規燃氣-蒸汽聯合循環電廠中，燃氣輪機低位布置，排氣通過燃氣輪機擴散段引至余熱鍋爐入口，燃氣輪機擴散段屬于燃氣輪機廠家供貨范圍。而在壓氣站燃氣輪機余熱利用項目中，煙道需要設計，同時具有以下兩個特點：

(1)距離長。由于壓氣站和新建余熱發電廠屬于不同建設方，煙道需穿越壓氣站后到達新建余熱發電廠余熱鍋爐入口，煙道總長度約100 m。

(2)煙氣溫度高。煙氣溫度約520 ℃，與煙氣接觸的煙道板材熱膨脹明顯，煙氣狀態與余熱鍋爐[1-5]、燃氣輪機排氣擴散段[6]一致，均屬于大流量、高溫度的狀態，所以通常煙道的設計會參考余熱鍋爐設計。

在收集到的余熱鍋爐煙道設計方案[7]中，為抵抗520 ℃的高溫，入口煙道采用三層內保溫[8-10]結構，從接觸介質至大氣方向煙道材料依次為409不銹鋼內襯板，陶瓷纖維棉和外護板。其中內襯板采用的是小截面內襯板設計方案，典型截面尺寸為1 464 mm×1 362 mm。

余熱鍋爐煙道設計方案安全可靠，經過了余熱鍋爐廠家實踐考驗，在全國很多余熱發電項目中得到了應用。但與工廠化加工不同，本項目煙道需現場制作，為縮短現場施工周期、減少不銹鋼材料消耗量，經過優化，開發出一種大截面內襯板方案，其典型截面尺寸為4 256 mm×1 200 mm。本文通過比較兩種煙道內襯板方案耗鋼量、施工周期，推薦煙道采用大截面內襯板方案，能夠顯著縮短現場施工周期并減少不銹鋼消耗量。

1 項目概況

某壓氣站設置有三臺羅爾斯-羅伊斯RB211-G62 PhII燃氣輪機，用于驅動三臺天然氣壓縮機，兩運一備，將天然氣從6.3 MPa(g)增壓至10.0 MPa(g)。

為了利用燃氣輪機對空排放余熱，節約能源，在壓氣站東側空地新建一座余熱發電廠。將燃氣輪機頂部對空排放的高溫煙氣通過三根f3420×5 mm煙道支管匯入一根f4420×5 mm煙道母管，每根f3420×5 mm煙道支管上設置一臺三通擋板閥，用于在緊急情況下切換煙氣至大氣，將新建余熱發電廠與壓氣站切斷開。煙道母管引接至新建廠區余熱鍋爐入口，余熱鍋爐產生的主蒸汽、補汽進入一臺15 MW汽輪機發電。其中煙氣系統圖如圖1所示。

圖1 煙氣系統圖

型號DB607，臺數三臺。余熱鍋爐型號Q416/420-42.5(14.9)-4.37(0.5)/406(225)。

2 小截面內襯板設計方案

2.1 研究對象

為了量化研究內襯板409不銹鋼的使用量，取一截布置圖中典型的13 755 mm長f4 420×5 mm的煙道母管作為研究對象。煙道母管外護板為厚度5 mm的Q235B，內保溫為厚度4層每層厚度為50 mm的錯縫鋪設的陶瓷纖維棉，內襯板為厚度3 mm的409不銹鋼。在外護板上，沿周向分布有18個內保溫鉤釘、36個壓塊，用于將內保溫、內襯板固定于外護板上，如圖2所示。內襯板的一側直接與520 ℃煙氣接觸，外護板的一側與大氣接觸。內襯板設計采用小截面1 464 mm×1 362 mm方案。

圖2 一截典型的13 755 mm長f4420×5 mm煙道

2.2 小截面內襯板設計思路

圖3為13 755 mm長f4 420×5 mm長煙道按小截面內襯板設計的展開圖，其中每一行布置有10塊內襯板，每一列布置有10塊內襯板，共計100塊小截面內襯板。

圖3 小截面內襯板展開圖

小截面內襯板設計方案主要參考余熱鍋爐的設計思路是：520 ℃煙氣介質，會使圓形煙道產生徑向和軸向兩個方向的熱膨脹。為消化熱膨脹，每一塊內襯板中心設置有1個固定點，四周設置有8個膨脹點。

如圖4所示，固定點處，內襯板上、下均與兩塊壓塊焊接牢固，鉤釘與上部壓塊也焊接牢固。膨脹點處，僅上部壓塊與鉤釘焊接牢固，其他部位均不作焊接處理，內襯板能夠在上、下兩個壓塊之間自由膨脹。

圖4 膨脹點詳圖

當煙氣進入煙道后，內襯板開始沿固定點向四周膨脹，內襯板沿煙道徑向和軸向的熱膨脹靠內襯板開孔與銷釘外壁之間的縫隙吸收，只要縫隙大于碰撞量，膨脹后內襯板就不碰撞到鉤釘，即內襯板的膨脹是安全而自由的，不會在管道內部產生熱應力而導致內襯板翹起、脫落。

小截面內襯板能夠解決煙道受熱膨脹問題，但其缺陷有兩條：①13.755 m長煙道母管需要安裝100塊1 540 mm×1 412 mm內襯板，數量特別大，安裝耗時久。②內襯板之間重疊區域多，浪費材料。經過計算，13.755 m長煙道內襯板需409不銹鋼板4 969 kg。

3 大截面內襯板設計方案

3.1 研究對象

為了量化研究內襯板409不銹鋼的使用量，取一截布置圖中典型的13 755 mm長f4 420×5 mm的煙道母管作為研究對象。煙道母管外護板為厚度5 mm的Q235B，內保溫為厚度4層每層厚度為50 mm的錯縫鋪設的陶瓷纖維棉，內襯板為厚度3 mm的409不銹鋼。在外護板上，沿周向分布有18個內保溫鉤釘、36個壓塊，用于將內保溫、內襯板固定于外護板上，如圖2所示。內襯板的一側直接與520 ℃煙氣接觸，外護板的一側與大氣接觸。內襯板設計采用大截面4 256 mm×1 200 mm方案。

3.2 大截面內襯板設計思路

圖5為13 755 mm長f4 420×5 mm長煙道按大截面內襯板設計的展開圖，其中每一行布置有3塊內襯板，每一列布置有12塊內襯板，共計36塊大截面內襯板。

圖5 大截面內襯板展開圖/mm

大截面內襯板設計方案的設計思路是：520 ℃煙氣介質，會使圓形煙道產生徑向和軸向兩個方向的熱膨脹。為消化熱膨脹，每塊內襯板設置1個固定點、16個膨脹點和4個導向搭接點。

如圖4所示，固定點處，內襯板上、下均與兩塊壓塊焊接牢固，鉤釘與上部壓塊也焊接牢固。膨脹點處，僅上部壓塊與鉤釘焊接牢固，其他部位均不作焊接處理，內襯板能夠在上、下兩個壓塊之間自由膨脹。

當煙氣進入煙道后，內襯板開始沿固定點向四周膨脹，內襯板沿煙道徑向和軸向的熱膨脹靠內襯板開孔與銷釘外壁之間的縫隙吸收，只要縫隙大于碰撞量，膨脹后內襯板就不碰撞到鉤釘，即內襯板的膨脹是安全而自由的，不會在管道內部產生熱應力而導致內襯板翹起、脫落。

從圖6中可以看出，大截面煙道內襯板設計方案中，徑向上，僅設置3個固定點，徑向將內襯板的數目縮小為了3塊，為了防止荷載加大后，鉤釘受力過大而從外護板上脫落，將鉤釘直徑從8 mm增大到了13 mm。

圖6 不銹鋼鉤釘布置示意圖/mm

409不銹鋼20～600 ℃下平均熱膨脹系數為17×10-6m/℃。在圖6中，第一膨脹距離=2.098×17×10-6×520=19 mm，膨脹后離銷釘外表面距離=40-19-13/2=14.5 mm；第二膨脹距離=2.174×17×10-6×520=20 mm，膨脹后離銷釘外表面距離=50-20-13/2=23.5 mm；第三膨脹距離=1.399×17×10-6×520=12 mm，膨脹后離銷釘外表面距離=30-12-13/2=11.5 mm。可以看到，膨脹發生后，第三膨脹距離處的內襯板距離鉤釘最近，為11.5 mm，在工程上已足夠安全。

軸向上，由于現場卷板機的限制，安裝單位要求每塊內襯板尺寸不超過1 200 mm。為滿足安裝單位需求，大截面內襯板軸向方向長度設計為1 200 mm。大截面內襯板不但能夠解決煙道受熱膨脹問題，優點有兩條：①13.755 m長煙道母管僅需要安裝36塊4 196 mm×1 200 mm內襯板，與小截面內襯板方案相比，數量減少了64%。②節約材料。經過計算，13.755 m長煙道母管內襯板需409不銹鋼4 262 kg。這是因為大截面內襯板數量少，其互相搭接的重疊區域面積少，所以同樣長度的煙道，與小截面內襯板方案相比，采用大截面內襯板鋪設節約409不銹鋼材14%。

從表1中可以看出，煙道采用大截面內襯板方案，煙道母管節約409不銹鋼材約4.3 t，煙道支管節約409不銹鋼約2 t，全廠共節約409不銹鋼6.3 t。

表1 小截面內襯板和大截面內襯板方案對比表

同時，由于不銹鋼板數量減少了64%，安裝速度顯著提高。根據安裝單位初步測算，煙道采用大截面內襯板方案，安裝時間減少40%。

4 結 論

本文詳細比較了大截面內保溫煙道內襯板方案的選擇，通過對比小截面內襯板方案和大截面內襯板方案，得出了以下結論：

(1)煙道采用大截面內襯板方案，全廠節約409不銹鋼6.3 t，安裝時間減少40%，為總承包項目節約了工程造價和工期。

(2)煙道采用大截面內襯板方案安全可靠，目前該壓氣站燃氣輪機余熱發電項目已移交業主兩年，業主未反饋任何內襯板出現脫落等因煙道設計不合理而影響電廠安全運行的情況。