胡信韜，陳雨歡，王 操，彭義林

(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430000)

壓氣站燃?xì)廨啓C(jī)余熱利用項(xiàng)目中，需要將壓氣站內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)空排放煙氣通過煙道引接至新建余熱發(fā)電廠區(qū)余熱鍋爐入口。

由于新建余熱發(fā)電廠區(qū)全部熱源都來自壓氣站煙氣余熱，因此煙道的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在常規(guī)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠中，燃?xì)廨啓C(jī)低位布置，排氣通過燃?xì)廨啓C(jī)擴(kuò)散段引至余熱鍋爐入口，燃?xì)廨啓C(jī)擴(kuò)散段屬于燃?xì)廨啓C(jī)廠家供貨范圍。而在壓氣站燃?xì)廨啓C(jī)余熱利用項(xiàng)目中，煙道需要設(shè)計(jì)，同時(shí)具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

(1)距離長。由于壓氣站和新建余熱發(fā)電廠屬于不同建設(shè)方，煙道需穿越壓氣站后到達(dá)新建余熱發(fā)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(tài)與余熱鍋爐[1-5]、燃?xì)廨啓C(jī)排氣擴(kuò)散段[6]一致，均屬于大流量、高溫度的狀態(tài)，所以通常煙道的設(shè)計(jì)會(huì)參考余熱鍋爐設(shè)計(jì)。

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

余熱鍋爐煙道設(shè)計(jì)方案安全可靠，經(jīng)過了余熱鍋爐廠家實(shí)踐考驗(yàn)，在全國很多余熱發(fā)電項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。但與工廠化加工不同，本項(xiàng)目煙道需現(xiàn)場(chǎng)制作，為縮短現(xiàn)場(chǎng)施工周期、減少不銹鋼材料消耗量，經(jīng)過優(yōu)化，開發(fā)出一種大截面內(nèi)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(nèi)襯板方案耗鋼量、施工周期，推薦煙道采用大截面內(nèi)襯板方案，能夠顯著縮短現(xiàn)場(chǎng)施工周期并減少不銹鋼消耗量。

1 項(xiàng)目概況

某壓氣站設(shè)置有三臺(tái)羅爾斯-羅伊斯RB211-G62 PhII燃?xì)廨啓C(jī)，用于驅(qū)動(dòng)三臺(tái)天然氣壓縮機(jī)，兩運(yùn)一備，將天然氣從6.3 MPa(g)增壓至10.0 MPa(g)。

為了利用燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)空排放余熱，節(jié)約能源，在壓氣站東側(cè)空地新建一座余熱發(fā)電廠。將燃?xì)廨啓C(jī)頂部對(duì)空排放的高溫?zé)煔馔ㄟ^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(shè)置一臺(tái)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(fā)電廠與壓氣站切斷開。煙道母管引接至新建廠區(qū)余熱鍋爐入口，余熱鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽、補(bǔ)汽進(jìn)入一臺(tái)15 MW汽輪機(jī)發(fā)電。其中煙氣系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 煙氣系統(tǒng)圖

型號(hào)DB607，臺(tái)數(shù)三臺(tái)。余熱鍋爐型號(hào)Q416/420-42.5(14.9)-4.37(0.5)/406(225)。

2 小截面內(nèi)襯板設(shè)計(jì)方案

2.1 研究對(duì)象

為了量化研究內(nèi)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(duì)象。煙道母管外護(hù)板為厚度5 mm的Q235B，內(nèi)保溫為厚度4層每層厚度為50 mm的錯(cuò)縫鋪設(shè)的陶瓷纖維棉，內(nèi)襯板為厚度3 mm的409不銹鋼。在外護(hù)板上，沿周向分布有18個(gè)內(nèi)保溫鉤釘、36個(gè)壓塊，用于將內(nèi)保溫、內(nèi)襯板固定于外護(hù)板上，如圖2所示。內(nèi)襯板的一側(cè)直接與520 ℃煙氣接觸，外護(hù)板的一側(cè)與大氣接觸。內(nèi)襯板設(shè)計(jì)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(nèi)襯板設(shè)計(jì)思路

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

圖3 小截面內(nèi)襯板展開圖

小截面內(nèi)襯板設(shè)計(jì)方案主要參考余熱鍋爐的設(shè)計(jì)思路是：520 ℃煙氣介質(zhì)，會(huì)使圓形煙道產(chǎn)生徑向和軸向兩個(gè)方向的熱膨脹。為消化熱膨脹，每一塊內(nèi)襯板中心設(shè)置有1個(gè)固定點(diǎn)，四周設(shè)置有8個(gè)膨脹點(diǎn)。

如圖4所示，固定點(diǎn)處，內(nèi)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(diǎn)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(nèi)襯板能夠在上、下兩個(gè)壓塊之間自由膨脹。

圖4 膨脹點(diǎn)詳圖

當(dāng)煙氣進(jìn)入煙道后，內(nèi)襯板開始沿固定點(diǎn)向四周膨脹，內(nèi)襯板沿?zé)煹缽较蚝洼S向的熱膨脹靠內(nèi)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(nèi)襯板就不碰撞到鉤釘，即內(nèi)襯板的膨脹是安全而自由的，不會(huì)在管道內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力而導(dǎo)致內(nèi)襯板翹起、脫落。

小截面內(nèi)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(nèi)襯板，數(shù)量特別大，安裝耗時(shí)久。②內(nèi)襯板之間重疊區(qū)域多，浪費(fèi)材料。經(jīng)過計(jì)算，13.755 m長煙道內(nèi)襯板需409不銹鋼板4 969 kg。

3 大截面內(nèi)襯板設(shè)計(jì)方案

3.1 研究對(duì)象

為了量化研究內(nèi)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(duì)象。煙道母管外護(hù)板為厚度5 mm的Q235B，內(nèi)保溫為厚度4層每層厚度為50 mm的錯(cuò)縫鋪設(shè)的陶瓷纖維棉，內(nèi)襯板為厚度3 mm的409不銹鋼。在外護(hù)板上，沿周向分布有18個(gè)內(nèi)保溫鉤釘、36個(gè)壓塊，用于將內(nèi)保溫、內(nèi)襯板固定于外護(hù)板上，如圖2所示。內(nèi)襯板的一側(cè)直接與520 ℃煙氣接觸，外護(hù)板的一側(cè)與大氣接觸。內(nèi)襯板設(shè)計(jì)采用大截面4 256 mm×1 200 mm方案。

3.2 大截面內(nèi)襯板設(shè)計(jì)思路

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

圖5 大截面內(nèi)襯板展開圖/mm

大截面內(nèi)襯板設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)思路是：520 ℃煙氣介質(zhì)，會(huì)使圓形煙道產(chǎn)生徑向和軸向兩個(gè)方向的熱膨脹。為消化熱膨脹，每塊內(nèi)襯板設(shè)置1個(gè)固定點(diǎn)、16個(gè)膨脹點(diǎn)和4個(gè)導(dǎo)向搭接點(diǎn)。

如圖4所示，固定點(diǎn)處，內(nèi)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(diǎn)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(nèi)襯板能夠在上、下兩個(gè)壓塊之間自由膨脹。

當(dāng)煙氣進(jìn)入煙道后，內(nèi)襯板開始沿固定點(diǎn)向四周膨脹，內(nèi)襯板沿?zé)煹缽较蚝洼S向的熱膨脹靠內(nèi)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(nèi)襯板就不碰撞到鉤釘，即內(nèi)襯板的膨脹是安全而自由的，不會(huì)在管道內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力而導(dǎo)致內(nèi)襯板翹起、脫落。

從圖6中可以看出，大截面煙道內(nèi)襯板設(shè)計(jì)方案中，徑向上，僅設(shè)置3個(gè)固定點(diǎn)，徑向?qū)?nèi)襯板的數(shù)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(hù)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(shù)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(fā)生后，第三膨脹距離處的內(nèi)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(xiàn)場(chǎng)卷板機(jī)的限制，安裝單位要求每塊內(nèi)襯板尺寸不超過1 200 mm。為滿足安裝單位需求，大截面內(nèi)襯板軸向方向長度設(shè)計(jì)為1 200 mm。大截面內(nèi)襯板不但能夠解決煙道受熱膨脹問題，優(yōu)點(diǎn)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(nèi)襯板，與小截面內(nèi)襯板方案相比，數(shù)量減少了64%。②節(jié)約材料。經(jīng)過計(jì)算，13.755 m長煙道母管內(nèi)襯板需409不銹鋼4 262 kg。這是因?yàn)榇蠼孛鎯?nèi)襯板數(shù)量少，其互相搭接的重疊區(qū)域面積少，所以同樣長度的煙道，與小截面內(nèi)襯板方案相比，采用大截面內(nèi)襯板鋪設(shè)節(jié)約409不銹鋼材14%。

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

表1 小截面內(nèi)襯板和大截面內(nèi)襯板方案對(duì)比表

同時(shí)，由于不銹鋼板數(shù)量減少了64%，安裝速度顯著提高。根據(jù)安裝單位初步測(cè)算，煙道采用大截面內(nèi)襯板方案，安裝時(shí)間減少40%。

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)比較了大截面內(nèi)保溫?zé)煹纼?nèi)襯板方案的選擇，通過對(duì)比小截面內(nèi)襯板方案和大截面內(nèi)襯板方案，得出了以下結(jié)論：

(1)煙道采用大截面內(nèi)襯板方案，全廠節(jié)約409不銹鋼6.3 t，安裝時(shí)間減少40%，為總承包項(xiàng)目節(jié)約了工程造價(jià)和工期。

(2)煙道采用大截面內(nèi)襯板方案安全可靠，目前該壓氣站燃?xì)廨啓C(jī)余熱發(fā)電項(xiàng)目已移交業(yè)主兩年，業(yè)主未反饋任何內(nèi)襯板出現(xiàn)脫落等因煙道設(shè)計(jì)不合理而影響電廠安全運(yùn)行的情況。