吳 斌，江 蛟，宋坤林

（江蘇省電力設計院，南京市，211102）

0 引言

火力發(fā)電廠四大管道主要指主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道、低溫再熱蒸汽管道和高壓給水管道。華能巢湖工程結合主廠房設備布置及建筑結構特點，對四大管道進行了優(yōu)化設計。該工程2臺機組已商業(yè)運行1年多，實踐證明，四大管道的優(yōu)化創(chuàng)新取得了成功。

1 四大管道規(guī)格的選擇

主蒸汽、再熱蒸汽系統(tǒng)系按汽輪發(fā)電機組VWO（閥門全開）工況時的熱平衡蒸汽量設計。給水系統(tǒng)按最大運行流量即BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況時相對應的給水量進行設計。

主蒸汽系統(tǒng)管道的設計壓力為鍋爐過熱器出口額定主蒸汽壓力。主蒸汽系統(tǒng)管道的設計溫度為鍋爐過熱器出口額定主蒸汽溫度與鍋爐正常運行時允許溫度正偏差5℃之和。

低溫再熱蒸汽系統(tǒng)管道的設計壓力為VWO工況下汽輪機高壓缸排汽壓力的1.15倍。低溫再熱蒸汽管道的設計溫度是根據VWO工況下汽輪機高壓缸排汽參數等熵求取管道設計壓力下的對應溫度。

高溫再熱蒸汽系統(tǒng)管道的設計壓力為鍋爐再熱器出口安全閥動作的最低整定壓力。高溫再熱蒸汽管道系統(tǒng)的設計溫度為鍋爐再熱器出口額定再熱蒸汽溫度與鍋爐正常運行時的允許溫度正偏差5℃之和。

主蒸汽管道和再熱熱段蒸汽管道采用按美國ASTM A335 P91標準生產的無縫鋼管，再熱冷段蒸汽管道采用按美國ASTM A672 B70 CL32標準生產的電熔焊鋼管，高壓給水管道采用符合EN10216-2004標準的15NiCuMoNb5-6-4無縫鋼管。

巢湖工程四大管道的設計參數、管材、管徑、管內流速等見表1。

中國電力工程顧問集團公司（以下簡稱“顧問集團公司”）于2005年6月29—30日組織召開了超臨界和超超臨界機組四大管道規(guī)格設計專題研討會，會議形成相關紀要，紀要中推薦的超臨界機組四大管道規(guī)格如表2所示。

對比表1和表2可以看出，本工程主汽、再熱熱段、再熱冷段三大管道選擇的規(guī)格和顧問集團公司推薦的規(guī)格不同，本工程選擇的管徑比顧問集團公司推薦的管徑要小一些，但管道內流速符合要求。

表3為本工程采用小規(guī)格管徑節(jié)省的投資（與采用顧問集團公司推薦的管徑相比），表4為本工程采用小規(guī)格管徑后因阻力增加造成的電費損失。

由表3可知，本工程設計的三大管道，因為對規(guī)格進行了優(yōu)化，每臺機組節(jié)約投資1 300萬元。若按投資回報率為8％，回收周期為20年計，要收回1 300萬元投資，要求每年產生132.47萬元的收益，高于表4中年電費損失。

表1 四大管道設計參數Tab.1 Design parametersof HTHPpipes

表2 四大管道直管推薦規(guī)格表Tab.2 Recommended specificationsof HTHPpipe straight tubes

在巢湖工程四大管道規(guī)格上進行的優(yōu)化選擇，在安全可靠、經濟適用之間找到了最佳的平衡點。

2 四大管道布置

四大管道布置和主廠房設備布置及建筑結構緊密結合。當前我國運行中的燃煤電廠在設計過程中，往往由于設計周期短，存在因循守舊、套用傳統(tǒng)或習慣布置模式而優(yōu)化創(chuàng)新、精細設計不夠的問題，造成整個廠房容積較大，工程造價相對較高。巢湖工程節(jié)約四大管道用量的主要措施如下：（1）采用側煤倉方案壓縮汽機與鍋爐之間距離，減少四大管道用量。（2）取消除氧間，進一步壓縮了汽機與鍋爐之間距離。（3）合理利用和壓縮爐前通道。（4）高壓加熱器同層布置，給水管道短，阻力小。

2.1 管道走向的確定

主蒸汽及高、低溫再熱蒸汽系統(tǒng)采用單元制系統(tǒng)，均采用“雙管、單管、雙管”的布置方式。主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道分別從過熱器和再熱器的出口聯(lián)箱的兩側引出，然后匯成1根母管，到汽輪機前

表3 采用小規(guī)格管徑節(jié)省的投資Tab.3 The saving cost foradopting small-sized diameter

表4 采用小規(guī)格管徑后造成的電費損失Tab.4 The electricity loss foradopting small-sized diameter

再分成2根支管分別接入高壓缸和中壓缸兩側主汽關斷閥和再熱關斷閥。低溫再熱蒸汽管道從高壓缸的2個排汽口引出，在機頭處匯成1根總管，到鍋爐前再分成2根支管分別接入再熱器入口聯(lián)箱。這樣既可以減少由于鍋爐兩側熱偏差和管道布置差異所引起的蒸汽溫度和壓力的偏差，有利于機組的安全運行，同時還可以簡化布置，節(jié)省管道投資。

高加采用同層布置，使高壓給水管道布置簡捷，距離相對較短；高壓給水閥門集中布置，方便運行人員巡視和維護。

2.2 管道標高的確定

主汽、再熱熱段在汽輪機頭部第1檔內穿過汽機房，管道中心距離梁底的空間應考慮滿足支吊架的安裝設計，電纜橋架考慮從管道上方布置，最終確定標高為10.2m。

由于整個主廠房比常規(guī)工程壓縮了2檔，再熱冷段在機島外布置已不合理，最終確定再熱冷段在機島內從底層穿過汽機房，為避開電纜主通道，最終確定標高為4.5m。

高壓給水管道在中間層穿過汽機房，和四抽、小機供汽管、高加疏水管等多根管道交叉，其標高確定非常困難。雖然最終給水管道標高確定為11.20m，但現場仍出現了管道外保溫相碰的問題。在今后的管道設計中應進一步細化，管道模型中應考慮坡度的影響。

2.3 降低管道推力和力矩的措施

超臨界機組采用常規(guī)布置方案的主蒸汽管道和再熱蒸汽管道柔性比較好，熱脹應力小，對設備的接口推力也較小，已不成為設計中的主要矛盾。但本工程由于采用優(yōu)化布置方案，管道布置剛性大，管道對設備推力和力矩的絕對值也加大。加之機爐為單元制，無法加設中間固定支架，因此管系的零力矩線就遠離設備接口，造成管系對設備的力矩也較大，難以滿足設備對推力和力矩的要求。如果再采用改變管系的布置方案，增加其柔性，則需要增加管系進口管材的消耗量，增大投資費用。因此，在工程設計中成立了相關課題組，采取措施降低管道的推力和力矩。

一般來說，除了采用冷緊的方法減少運行初期管道對設備的推力和力矩以外，合理選擇支吊架型式，也是降低管道在某些方向上推力和力矩的重要措施。經過計算，最終確定在管系的適當位置加裝剛性吊架或限位支吊架，以限定管系在某些方向的位移（線位移或角位移），從而改變整個管系的力和力矩的分布，使管道對設備的推力和力矩降低，這顯然比改變管道的布置來減少推力和力矩更為優(yōu)越。雖然這樣設計會使管系的熱脹應力有所增加，但只要限定在許用應力范圍以內，仍然是經濟合理的。

在管系上加裝適當的剛性吊架或限位支吊架，還可以增加管系的穩(wěn)定度，避免管系由于支吊架荷載之誤差或轉移而造成管系失穩(wěn)或下垂。

2.4 管道設計軟件的靈活應用

2.4.1 可靠的管系靜態(tài)分析

巢湖工程設計中采用了國際上在電力、石化等多個行業(yè)應用經驗豐富的Caesar II最新版軟件（滿足最新版ASMEB31.1等國際標準及規(guī)范的要求）進行管系靜態(tài)應力分析，并組織經驗豐富的設計人員負責相關工作，同時聘請著名管道專家進行審核，保證管系應力在各種工況處于綜合優(yōu)化的水平。

2.4.2 先進的管系動態(tài)分析

除了進行常規(guī)的管系靜態(tài)應力分析外，還采用了先進的Pipenet軟件結合Caesar II最新版軟件對管系進行以下動態(tài)分析的設計：（1）汽錘及水錘動態(tài)管系分析；（2）安全閥排汽反力動態(tài)管系分析；（3）地震動態(tài)管系分析。

2.4.3 細致而有序的管系設計

采用AVEVA公司PDMS三維設計軟件進行設計，確保管道整體布置的合諧、優(yōu)化。另外，采用自主開發(fā)的保溫軟件，將管道外保溫同步設計輸入管道三維模型中，避免了管道之間的碰撞，確?，F場施工順利進行。

2.5 設計優(yōu)化成果

通過精細化設計，巢湖工程的四大管道工程量與參考工程及限額指標對比如表5。

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表5 巢湖工程的四大管道工程量與參考工程及限額指標對比Tab.5 Contrastof HTHPpipe projectof Chaohu project and reference project，lim it indicator

從表5可以看出，巢湖工程四大管道的工程量約為參考工程的84％，約為限額指標的65％。

巢湖工程四大管道的管系應力控制在合理范圍內，接口的推力及力矩得到制造廠的最終確認，整個管系阻力正委托西安熱工院進行測試，相信其結果亦能達到設計要求。

3 四大管道優(yōu)化后現場情況

四大管道設計優(yōu)化后，減少了管道及相應支吊架的用量，減輕了現場吊裝及焊接量，配管及現場施工進度大大加快。但管道的優(yōu)化設計及廠房的緊湊布置造成個別支吊架生根結構偏復雜，施工技術難度加大。另外，盡管設計時考慮了支吊架結構尺寸，如管部、彈簧、恒吊等，但因為到貨規(guī)格與原設計有偏差，在機組運行有熱位移后，還是造成了管道上個別彈簧吊架碰管道自身保溫、管部橫擔與土建墻體碰撞的情況。今后將認真吸取巢湖工程的經驗，進一步對工程進行優(yōu)化設計。

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