660 MW超超臨界機組主蒸汽和再熱熱段蒸汽管道布置方式探討

王 曉， 李廣偉

(1. 山東電力工程咨詢院有限公司， 濟南 250013；2. 中電華創電力技術研究有限公司， 上海 200086)

截至2014年底，全國300 MW及以上火電機組比例達到77.7%。根據《火電工程限額設計參考造價指標》[1]，新建2臺660 MW超超臨界機組需主蒸汽 (簡稱主汽) 管道(材質A335P92)448 t、再熱熱段蒸汽(簡稱熱段)管道(材質A335P92)488 t，綜合造價分別為12.41萬元/t和13.89萬元/t，合計12 338萬元。可見，優化主汽和熱段管道布置方式對降低工程造價有重要意義，同時通過優化管道布置可減少蒸汽壓損，降低汽輪機熱耗，提高汽輪發電機組效率，進而提高能源利用率。

1 工程簡介及管道布置

1.1 工程概況

某工程采用側煤倉布置，汽輪機房跨度29 m，加熱器間跨度9 m，汽輪機中心線距A列12.5 m，主汽閥和中聯門皆布置在基座運轉層，前者接口豎直向下，后者接口水平且與汽輪機房A列成60°。主汽與鍋爐廠兩分界口標高皆為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高皆為57.4 m，距鍋爐中心線皆為19.82 m。

由于鍋爐廠負責提供的主汽和熱段管道規格和布置相同，比較范圍僅從鍋爐廠分界線至汽輪機側閥門接口，不考慮高壓旁路蒸汽管道和低壓旁路蒸汽管道。同時，在造價計算中，只計算管道和彎頭造價，不考慮三通和支吊架造價。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)聯箱兩接口分別引出，在爐前鋼架匯成母管，母管穿過汽輪機房布置到汽輪機基座附近時，分成兩支管，分別接主汽閥(中聯門)兩接口。根據設計經驗，主汽和熱段材質為A335P91時，母管制應用較多。

雙管制即兩根管道(主汽或熱段)分別獨立連接汽輪機側閥門和鍋爐側聯箱接口，為穩定壓力，其間以聯絡管道連接。根據設計經驗，主汽和熱段材質為A335P92時，雙管制應用較多。

2 管道和管件用量

2.1 管道規格計算

內徑管壁厚計算公式見式(1)[2]，計算結果見表1。

(1)

式中：Sm為直管最小壁厚，mm；Di為管道內徑，mm；[σ]t為鋼材在設計溫度下的許用應力，MPa；p為設計壓力，MPa；Y為溫度對計算管道壁厚公式的修正系數；η為許用應力的修正系數；C為考慮腐蝕、磨損和強度要求的附加厚度，mm。

表1 主汽和熱段管道規格及蒸汽流速

由表1可見：主汽(熱段)全容量管的單位質量約為半容量管的2倍，主汽質量偏差1.9%(占全容量管)，熱段質量偏差3.4%(占全容量管)，即1 m母管質量基本等于2 m支管質量。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 《電廠動力管道設計規范》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結合表1中管道規格計算可得管道用量(見表2、表3)。

表2 母管制管道長度及質量(2臺機組)

表3 雙管制管道長度及質量(2臺機組)

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

2.3 彎頭用量

由管道布置圖1～圖4結合表1中管道規格計算可得彎頭用量(見表4、表5)。

表4 母管制彎頭數量及質量(2臺機組)

表5 雙管制彎頭數量及質量(2臺機組)

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

綜上所述，2臺660 MW超超臨界機組中，母管制主汽和熱段管道總質量比雙管制多114 t，彎頭總質量比雙管制多11.7 t，合計多125.7 t。雙管制管道布置更節省管材，方案更優。

3 造價

3.1 單位質量造價

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量造價都高于小口徑、薄壁管道和管件，例如：主汽(熱段)管道中，全容量噸價/半容量噸價=1.2；主汽(熱段)彎頭中，全容量噸價/半容量噸價=1.5。

3.2 造價對比

根據表2～表5的計算結果，結合單位質量造價比，母管制與雙管制管道的造價對比以及彎頭造價對比見表6、表7。

表6 母管制與雙管制管道造價(2臺機組)

表7 母管制與雙管制彎頭造價(2臺機組)

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

4 阻力

阻力計算管段范圍從鍋爐分界線至汽輪機側接口，其中母管制管道總阻力簡化為母管阻力和支管阻力兩部分，支管長度取單臺機組支管長度的一半；雙管制管道長度取單臺機組管道長度的一半。管道和管件的阻力系數取自DL/T 5054—1996 《火力發電廠汽水管道設計技術規定》，摩擦因數查自莫迪圖[3]。

4.1 主汽阻力計算

根據上述內容，主汽管道阻力計算結果見表8(運行參數：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。根據主汽壓力對汽輪機熱耗修正，雙管制主汽管道布置方式可降低熱耗約3.25 kJ/(kW·h)。按年機組利用小時5 500 h計算，2臺機組節省標煤約864 t/a。

4.2 熱段阻力計算

熱段管道阻力計算結果見表9(運行參數：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。根據熱段壓力對汽輪機熱耗修正，熱段管道采用雙管制布置方式可降低熱耗約5.92 kJ/(kW·h)。按機組年利用小時5 500 h計算，2臺機組節省標煤約2 439 t/a。

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

表10 母管制與雙管制比較結果

綜合主汽和熱段阻力計算，采用雙管制布置方式，管道阻力更小，汽輪機熱耗降低。相對于母管制布置方式，2臺機組可節省標煤約3 303 t/a，雙管制方案更優。

5 雙管制注意事項

實際布置中，鍋爐中心線通常與汽輪機中心線一致(鍋爐左右方向)。由于鍋爐聯箱接口通常位于鍋爐中心線兩側(爐左右方向)，汽輪機主汽閥和中聯門接口位于汽輪機一側，采用雙管制布置時，通常存在兩根主汽或熱段管道長度不等的情況。

為簡化計算和方便比較，筆者在進行管道阻力計算時，主汽支管(熱段支管)中管道長度和彎頭數量均為各自兩支管的加權平均值。

為減少兩根管道自身阻力偏差對蒸汽通流影響，靠近鍋爐側的汽輪機接口應與遠離汽輪機機頭側的鍋爐聯箱接口連接(見圖3、圖4)。在進行管道應力分析時，應充分利用長支管管道自身走向吸收熱膨脹，避免設置額外的膨脹彎。

雙管制布置中兩支管的聯絡管道應盡量靠近汽輪機側閥門入口設置，管道容量應滿足規程規范設計要求，管道布置簡短，以更好調節兩支管中蒸汽壓力、流量和溫度的偏差。

6 結語

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