王 曉， 李廣偉

(1. 山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆?濟(jì)南 250013；2. 中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司， 上海 200086)

截至2014年底，全國300 MW及以上火電機(jī)組比例達(dá)到77.7%。根據(jù)《火電工程限額設(shè)計(jì)參考造價(jià)指標(biāo)》[1]，新建2臺(tái)660 MW超超臨界機(jī)組需主蒸汽 (簡(jiǎn)稱主汽) 管道(材質(zhì)A335P92)448 t、再熱熱段蒸汽(簡(jiǎn)稱熱段)管道(材質(zhì)A335P92)488 t，綜合造價(jià)分別為12.41萬元/t和13.89萬元/t，合計(jì)12 338萬元。可見，優(yōu)化主汽和熱段管道布置方式對(duì)降低工程造價(jià)有重要意義，同時(shí)通過優(yōu)化管道布置可減少蒸汽壓損，降低汽輪機(jī)熱耗，提高汽輪發(fā)電機(jī)組效率，進(jìn)而提高能源利用率。

1 工程簡(jiǎn)介及管道布置

1.1 工程概況

某工程采用側(cè)煤倉布置，汽輪機(jī)房跨度29 m，加熱器間跨度9 m，汽輪機(jī)中心線距A列12.5 m，主汽閥和中聯(lián)門皆布置在基座運(yùn)轉(zhuǎn)層，前者接口豎直向下，后者接口水平且與汽輪機(jī)房A列成60°。主汽與鍋爐廠兩分界口標(biāo)高皆為63.5 m，距鍋爐中心線皆為17.96 m；熱段與鍋爐廠兩分界口標(biāo)高皆為57.4 m，距鍋爐中心線皆為19.82 m。

由于鍋爐廠負(fù)責(zé)提供的主汽和熱段管道規(guī)格和布置相同，比較范圍僅從鍋爐廠分界線至汽輪機(jī)側(cè)閥門接口，不考慮高壓旁路蒸汽管道和低壓旁路蒸汽管道。同時(shí)，在造價(jià)計(jì)算中，只計(jì)算管道和彎頭造價(jià)，不考慮三通和支吊架造價(jià)。采用母管制和雙管制布置方式的主汽和熱段管道布置見圖1～圖4。

圖1 母管制主汽管道布置圖

圖3 雙管制主汽管道布置圖

圖4 雙管制熱段管道布置圖

1.2 雙管制和母管制

母管制即主汽和熱段采用 “2-1-2”布置，主汽(熱段)兩支管從過熱器(再熱器)聯(lián)箱兩接口分別引出，在爐前鋼架匯成母管，母管穿過汽輪機(jī)房布置到汽輪機(jī)基座附近時(shí)，分成兩支管，分別接主汽閥(中聯(lián)門)兩接口。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主汽和熱段材質(zhì)為A335P91時(shí)，母管制應(yīng)用較多。

雙管制即兩根管道(主汽或熱段)分別獨(dú)立連接汽輪機(jī)側(cè)閥門和鍋爐側(cè)聯(lián)箱接口，為穩(wěn)定壓力，其間以聯(lián)絡(luò)管道連接。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主汽和熱段材質(zhì)為A335P92時(shí)，雙管制應(yīng)用較多。

2 管道和管件用量

2.1 管道規(guī)格計(jì)算

內(nèi)徑管壁厚計(jì)算公式見式(1)[2]，計(jì)算結(jié)果見表1。

(1)

式中：Sm為直管最小壁厚，mm；Di為管道內(nèi)徑，mm；[σ]t為鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；Y為溫度對(duì)計(jì)算管道壁厚公式的修正系數(shù)；η為許用應(yīng)力的修正系數(shù)；C為考慮腐蝕、磨損和強(qiáng)度要求的附加厚度，mm。

表1 主汽和熱段管道規(guī)格及蒸汽流速

由表1可見：主汽(熱段)全容量管的單位質(zhì)量約為半容量管的2倍，主汽質(zhì)量偏差1.9%(占全容量管)，熱段質(zhì)量偏差3.4%(占全容量管)，即1 m母管質(zhì)量基本等于2 m支管質(zhì)量。為便于比較，表1中全容量管和半容量管中蒸汽流速基本相同，接近于GB 50764—2012 《電廠動(dòng)力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的過熱蒸汽流速上限60 m/s。

2.2 管道用量

由管道布置圖1～圖4結(jié)合表1中管道規(guī)格計(jì)算可得管道用量(見表2、表3)。

表2 母管制管道長(zhǎng)度及質(zhì)量(2臺(tái)機(jī)組)

表3 雙管制管道長(zhǎng)度及質(zhì)量(2臺(tái)機(jī)組)

由表2和表3可見:母管制管道總質(zhì)量為721.2 t，雙管制管道總質(zhì)量為607.2 t，兩者相差114.0 t。由于主汽和熱段在汽輪機(jī)側(cè)和鍋爐側(cè)都有兩個(gè)接口，在汽輪機(jī)和鍋爐側(cè)接口處，兩方案的管道規(guī)格相同且長(zhǎng)度基本相等；在中間段管道處，母管制長(zhǎng)度近似為雙管制2倍，考慮到母管與支管每米管道質(zhì)量約為2∶1，母管制管道總質(zhì)量比雙管制要大(約18.8%)。

2.3 彎頭用量

由管道布置圖1～圖4結(jié)合表1中管道規(guī)格計(jì)算可得彎頭用量(見表4、表5)。

表4 母管制彎頭數(shù)量及質(zhì)量(2臺(tái)機(jī)組)

表5 雙管制彎頭數(shù)量及質(zhì)量(2臺(tái)機(jī)組)

由表4和表5可見:母管制彎頭總質(zhì)量為86.8 t，雙管制彎頭總質(zhì)量為75.1 t，兩者相差11.7 t。以90°主汽彎頭為例，母管質(zhì)量為2.66 t，支管質(zhì)量為0.97 t，母管質(zhì)量約為支管的3倍，但數(shù)量上雙管制中支管彎頭數(shù)量約為母管制彎頭數(shù)量的2倍，因而在彎頭總質(zhì)量上，雙管制更輕更省材料。

綜上所述，2臺(tái)660 MW超超臨界機(jī)組中，母管制主汽和熱段管道總質(zhì)量比雙管制多114 t，彎頭總質(zhì)量比雙管制多11.7 t，合計(jì)多125.7 t。雙管制管道布置更節(jié)省管材，方案更優(yōu)。

3 造價(jià)

3.1 單位質(zhì)量造價(jià)

由于加工工藝難易程度不同，大口徑、厚壁管道和管件的單位質(zhì)量造價(jià)都高于小口徑、薄壁管道和管件，例如：主汽(熱段)管道中，全容量噸價(jià)/半容量噸價(jià)=1.2；主汽(熱段)彎頭中，全容量噸價(jià)/半容量噸價(jià)=1.5。

3.2 造價(jià)對(duì)比

根據(jù)表2～表5的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合單位質(zhì)量造價(jià)比，母管制與雙管制管道的造價(jià)對(duì)比以及彎頭造價(jià)對(duì)比見表6、表7。

表6 母管制與雙管制管道造價(jià)(2臺(tái)機(jī)組)

表7 母管制與雙管制彎頭造價(jià)(2臺(tái)機(jī)組)

由表6和表7可見：2臺(tái)660 MW超超臨界機(jī)組，雙管制的主汽和熱段的管道和彎頭總造價(jià)低于母管制約3 313萬元。雙管制管道布置造價(jià)更低，初投資更少，方案更優(yōu)。

4 阻力

阻力計(jì)算管段范圍從鍋爐分界線至汽輪機(jī)側(cè)接口，其中母管制管道總阻力簡(jiǎn)化為母管阻力和支管阻力兩部分，支管長(zhǎng)度取單臺(tái)機(jī)組支管長(zhǎng)度的一半；雙管制管道長(zhǎng)度取單臺(tái)機(jī)組管道長(zhǎng)度的一半。管道和管件的阻力系數(shù)取自DL/T 5054—1996 《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，摩擦因數(shù)查自莫迪圖[3]。

4.1 主汽阻力計(jì)算

根據(jù)上述內(nèi)容，主汽管道阻力計(jì)算結(jié)果見表8(運(yùn)行參數(shù)：壓力為28 MPa，溫度為605 ℃)。

表8 母管制與雙管制主汽阻力

由表8可見；計(jì)算管段的母管制主汽阻力約為0.932 MPa，雙管制主汽阻力約為0.779 MPa，雙管制比母管制減少阻力約0.153 MPa。根據(jù)主汽壓力對(duì)汽輪機(jī)熱耗修正，雙管制主汽管道布置方式可降低熱耗約3.25 kJ/(kW·h)。按年機(jī)組利用小時(shí)5 500 h計(jì)算，2臺(tái)機(jī)組節(jié)省標(biāo)煤約864 t/a。

4.2 熱段阻力計(jì)算

熱段管道阻力計(jì)算結(jié)果見表9(運(yùn)行參數(shù)：壓力為6.1 MPa，溫度為623 ℃)。

表9 母管制與雙管制熱段阻力

由表9可見：計(jì)算管段的熱段若采用母管制布置方式，阻力約為0.218 MPa，若采用雙管制布置方式，阻力約為0.136 MPa，減少阻力約0.082 MPa。根據(jù)熱段壓力對(duì)汽輪機(jī)熱耗修正，熱段管道采用雙管制布置方式可降低熱耗約5.92 kJ/(kW·h)。按機(jī)組年利用小時(shí)5 500 h計(jì)算，2臺(tái)機(jī)組節(jié)省標(biāo)煤約2 439 t/a。

通過比較，660 MW超超臨界機(jī)組主汽和熱段管道采用雙管制和母管制布置方式的計(jì)算結(jié)果見表10。

表10 母管制與雙管制比較結(jié)果

綜合主汽和熱段阻力計(jì)算，采用雙管制布置方式，管道阻力更小，汽輪機(jī)熱耗降低。相對(duì)于母管制布置方式，2臺(tái)機(jī)組可節(jié)省標(biāo)煤約3 303 t/a，雙管制方案更優(yōu)。

5 雙管制注意事項(xiàng)

實(shí)際布置中，鍋爐中心線通常與汽輪機(jī)中心線一致(鍋爐左右方向)。由于鍋爐聯(lián)箱接口通常位于鍋爐中心線兩側(cè)(爐左右方向)，汽輪機(jī)主汽閥和中聯(lián)門接口位于汽輪機(jī)一側(cè)，采用雙管制布置時(shí)，通常存在兩根主汽或熱段管道長(zhǎng)度不等的情況。

為簡(jiǎn)化計(jì)算和方便比較，筆者在進(jìn)行管道阻力計(jì)算時(shí)，主汽支管(熱段支管)中管道長(zhǎng)度和彎頭數(shù)量均為各自兩支管的加權(quán)平均值。

為減少兩根管道自身阻力偏差對(duì)蒸汽通流影響，靠近鍋爐側(cè)的汽輪機(jī)接口應(yīng)與遠(yuǎn)離汽輪機(jī)機(jī)頭側(cè)的鍋爐聯(lián)箱接口連接(見圖3、圖4)。在進(jìn)行管道應(yīng)力分析時(shí)，應(yīng)充分利用長(zhǎng)支管管道自身走向吸收熱膨脹，避免設(shè)置額外的膨脹彎。

雙管制布置中兩支管的聯(lián)絡(luò)管道應(yīng)盡量靠近汽輪機(jī)側(cè)閥門入口設(shè)置，管道容量應(yīng)滿足規(guī)程規(guī)范設(shè)計(jì)要求，管道布置簡(jiǎn)短，以更好調(diào)節(jié)兩支管中蒸汽壓力、流量和溫度的偏差。

6 結(jié)語

對(duì)于660 MW超超臨界機(jī)組主汽和熱段管道，采用雙管制布置方式管材更省，造價(jià)更低，蒸汽阻力更小。在今后類似工程中，在綜合考慮機(jī)組的汽溫偏差和管道系統(tǒng)的布置空間的前提下，建議采用雙管制布置方式。