大機組供熱改造廠內蒸汽管道設計

楊林+宋琴

摘 要：近年來300MW及以上純凝機組通過大機組改造，由純凝機組改造為供熱機組。在純凝機組改為供熱機組的過程中不可避免的需要做大量的蒸汽管道設計工作，本文以“望亭發電廠燃煤機組供熱改造”為工程實例，對大機組供熱改造廠內管道的設計過程及注意要點進行闡述。

關鍵詞：供熱改造；蒸汽管道；材質；支吊架；跨距

1 前言

近年來隨著國家節能減排政策的推進，國內小機組逐漸關停，為了完成節能減排任務，300MW純凝機組關停趨勢逐漸明朗，且由于現在市場煤價維持在較高水平，300MW純凝機組發電虧損較大，為了扭轉300MW純凝機組發電虧損及關停局面，越來越多的300MW純凝機組通過供熱改造，獲得生存及扭虧為盈，在300MW純凝機組改造過程中不可避免的遇到大量的蒸汽管道設計工作。

2 供熱改造蒸汽管道的設計

2.1 抽汽點及管道材質的選擇

供熱改造管道設計中管材的選擇至關重要，在供熱改造廠內的設計中常用的管材為20#、20G、12Cr1MoVG等。在望亭發電廠燃煤機組供熱改造設計中抽汽點較多，主要為高排冷段抽汽、高排熱段抽汽、中低壓聯通管打孔抽汽、全廠備汽母管抽汽，根據各抽汽點壓力、溫度參數及以上所列管材的使用溫度上限合理選擇管道材質。

2.2 管道管徑的選擇

供熱改造管道管徑的計算根據《火力發電廠汽水管道設計技術規定》，按下列公式計算： G-介質質量流量t/h，v-介質比容m3/Kg，w-介質流速m/s。望亭發電廠燃煤機組供熱改造中管道的流速按《火力發電廠汽水管道設計技術規定》推薦流速選取：高排冷段抽汽推薦流速為30～45m/s，高排熱段抽汽推薦流速為50～65m/s，高排熱段抽汽減溫后按高排冷段抽汽推薦流速選取，中低壓聯通管打孔抽汽、全廠備汽母管抽汽推薦流速為30～50m/s。在設計過程中推薦按最小值選取，對于某些進入設備較長的管道為保證蒸汽參數管徑放大一級。

2.3 管道跨距的設置

供熱改造管道支吊架的間距設置根據《火力發電廠汽水管道設計技術規定》規定，考慮剛度條件，管道的一階固有頻率應大于3.5Hz，即單跨管道按簡支梁計算其最大擾度不應大與2.62mm；根據剛度條件，均布荷載水平直管道的支吊架允許最大間距用下式計算：

式中Lmax——支吊架的最大允許間距，m；Et——鋼材在設計溫度下的彈性模數，kN/mm2； I——管子截面慣性矩，cm4；q——管道單位長度自重，kN/m。

管道強度應按《火力發電廠汽水管道應力計算技術規定》有關外載應力驗算的規定計算，使管道的持續外載當量應力在允許的范圍內；并且單跨管道按簡支梁計算，管道自重引起的最大彎曲應力不大于23.5MPa，根據強度條件，均布荷載水平直管道的最大支吊架間距按下式計算：

式中 W——管子截面抗彎矩，cm3。

《火力發電廠汽水管道設計技術規定》中剛度條件的規定是出于控制管道一階固有頻率的目的，使之避開管道輸送介質的激振頻率，以防止發生共振。根據以上公式計算出來的跨距選取最小值，跨距值相對較小，在實際運用中建議高溫、高壓等主要蒸汽管道采用以上計算公式。對于低溫、低壓等次要蒸汽管道，支吊架間距可以適當加大，但不應大于按下列公式（“原管規”剛度公式）及強度條件確定的最大間距。“原管規”剛度公式：

根據以上所介紹的蒸汽管道跨距計算公式確定基本跨距后，在實際布管設計中，管道支吊架位置的設置需根據現場實際情況確定。在機房外管道支吊架間距設置基本按照確定的基本跨距設置，對于水平90°彎管兩端支吊架間的管道展開長度，不應大于水平直管道上允許支吊架的基本跨距的0.73倍，對于管道有抬高降低的兩支吊架間平面展開長度不應大于水平直管道上允許支吊架的基本跨距的0.5倍；在機房內管道支吊架間距的設置在考慮管道基本跨距的同時，還要考慮對廠房的影響，對于小跨距小管徑管道按基本跨距設計，對于大跨距大管徑管道盡量根據廠房框架柱柱距設置支吊架，300MW、600MW機組廠房的框架柱柱距在8～12m左右，同時在需利用框架梁、頂梁設計支吊架時，大跨距大管徑管道跨距應相應縮小以減小對已建廠房主體結構的影響。

2.4 管道補償的選擇

管道補償在供熱改造設計中廣泛采用自然補償，盡量少采用補償器補償，主要采取的自然補償形式為L型、π型、Z型等。在望亭發電廠燃煤機組供熱改造廠內設計中充分利用地形及管道走向完成管道補償，但在局部直管段距離大于100m以上的水平直管敷設中采用了旋轉補償器。

2.5 管道支吊架設計

供熱改造廠內管道敷設時不可避免有些管道支吊點存在一定的豎向位移或需要放松約束的地方，在此情況下就需設置可變彈簧支吊架。根據彈簧的連接形式彈簧可分為中間連接吊架彈簧、上下連接吊架彈簧、支架彈簧。選擇彈簧時應遵循下列原則：（1）彈簧載荷變化率不應超過工作載荷的35%，對于機房內主要管道載荷變化率不應超過25%，但對于次要管道如彈簧載荷變化率超過載荷變化率25%時，可以考慮載荷變化率放大至35%；（2）彈簧的安裝載荷或工作載荷不應大于彈簧的最大允許載荷，并且彈簧的變形量應在實驗載荷下變形量的30～70%范圍內選擇；（3）彈簧串聯安裝時，應選用最大允許載荷相同的彈簧，此時熱位移值應按彈簧的最大允許載荷下的變形量比例分配，并聯安裝時，應選用相同的型號，其載荷由兩側彈簧平均承受。彈簧的具體選擇簡要介紹如下：通過管系的應力分析，得到工作狀態下彈簧的工作載荷和管道支吊點位移量（即為彈簧從安裝狀態到工作狀態的變形量），由工作載荷查對應彈簧的最大允許載荷和最小允許載荷，選擇合適的彈簧；彈簧選定后可以確定彈簧的安裝載荷，管道位移向上時，安裝載荷=工作載荷+位移量×彈簧剛度，管道位移向下時，安裝載荷=工作載荷-位移量×彈簧剛度，求得安裝載荷后在復合彈簧載荷變化率，確定彈簧選擇是否合適。在管系中彈簧可以吸收豎向位移和改善管系應力水平，但不建議在管系中過多設置彈簧，避免影響管系的穩定性。endprint