H級多軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主汽、再熱系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)

梁其鋒 柳治民

（華電福新廣州能源有限公司，廣東 廣州 511300）

0 前言

廣東某燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程按2×670MW級燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)供熱機(jī)組建設(shè)。主機(jī)采用2套H級一拖一雙軸布置的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)供熱機(jī)組，每套機(jī)組配1臺燃?xì)廨啓C(jī)、1臺余熱鍋爐和1臺抽凝式汽輪機(jī)，其中燃機(jī)和汽機(jī)各單獨(dú)配置1臺發(fā)電機(jī)。燃機(jī)采用西門子公司生產(chǎn)的SGT5-8000H型燃?xì)廨啓C(jī)，余熱鍋爐為東方菱日有限公司生產(chǎn)的MHDB-SGT5/8000H-Q1型三壓再熱、無補(bǔ)燃、自然循環(huán)、臥式余熱鍋爐，汽機(jī)為西門子公司生產(chǎn)的SST5-5000三壓、再熱、抽凝式、高中壓合缸、水平一側(cè)排汽汽輪機(jī)。

主蒸汽及再熱蒸汽系統(tǒng)的壓降是一項(xiàng)重要的性能考核指標(biāo)。合理優(yōu)化主蒸汽及再熱蒸汽系統(tǒng)的規(guī)格及壓降，對于H級多軸燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐和汽機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都有極為重要的意義。對主汽管道、再熱系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)參數(shù)的選取、管道材質(zhì)的選擇等內(nèi)容進(jìn)行論證，并通過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，優(yōu)化出H級多軸燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組最合理的主汽管道、再熱系統(tǒng)管道規(guī)格。并通過性能試驗(yàn)驗(yàn)收核實(shí)，其設(shè)計(jì)的合理性及優(yōu)越性[1-3]。

1 主汽管道、再熱系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化

H級多軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組采用布雷頓-朗肯聯(lián)合循環(huán)原理的聯(lián)合循環(huán)，設(shè)計(jì)需要根據(jù)西門子汽機(jī)廠家汽機(jī)設(shè)計(jì)最大額定參數(shù)和現(xiàn)場的土建布置實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了保證主汽、再熱管系的安全性，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇應(yīng)兼顧供熱、純凝等各個(gè)工況。

1.1 主汽管道、再熱系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)

主蒸汽管道的設(shè)計(jì)壓力為主汽門進(jìn)口處設(shè)計(jì)壓力的105%（主汽門入口處設(shè)計(jì)壓力為汽輪機(jī)額定進(jìn)汽壓力的105%），設(shè)計(jì)溫度取過熱器出口蒸汽最高工作溫度，并考慮過熱器出口至主氣門進(jìn)口溫降3 ℃，及5 ℃溫度偏差。

再熱熱段管道的設(shè)計(jì)壓力取用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)氣門全開工況熱平衡中對應(yīng)汽機(jī)缸體排汽壓力的1.15倍，設(shè)計(jì)溫度取再熱器出口蒸汽最高工作溫度，并考慮再熱器出口至中聯(lián)閥進(jìn)口溫降3 ℃，及5 ℃溫度偏差。

該工程為供熱機(jī)組，機(jī)組在純凝運(yùn)行工況和供熱工況時(shí)，高壓缸排汽壓力和再熱器出口蒸汽最高工作溫度因運(yùn)行工況的不同而差異很大，因此，該工程再熱熱段管道的設(shè)計(jì)參數(shù)按純凝運(yùn)行工況和供熱工況分別取值。

該工程主蒸汽管道、再熱熱段蒸汽管道和再熱冷段蒸汽管道的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)表

該工程主蒸汽管道、再熱熱段蒸汽管道和再熱冷段蒸汽管道的設(shè)計(jì)參數(shù)，主汽管道設(shè)計(jì)壓力、溫度為19.30 MPa、608 ℃，再熱熱段蒸汽管道設(shè)計(jì)壓力、溫度為4.4 MPa、618 ℃，再熱冷段蒸汽管道設(shè)計(jì)壓力、溫度為4.4 MPa、399 ℃。由于土建布局較早，考慮整體設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，主汽、再熱系統(tǒng)管道的長度（管道布置的幾何參數(shù)見表2）設(shè)計(jì)基本可以確定[2]。

表2 管道布置的幾何參數(shù)

該工程的主汽和熱再熱段的設(shè)計(jì)溫度為608 ℃和618 ℃，因此主汽和熱再材質(zhì)的選擇參照火電超超臨界機(jī)組的材質(zhì)，主蒸汽管道和再熱蒸汽管道的材質(zhì)選用A335P92，對于再熱冷段蒸汽管道，該工程再熱冷段管道設(shè)計(jì)參數(shù)為399 ℃& 4.4 MPa，管道的材質(zhì)可以考慮選用ASTM A672 B70 CL32直縫電熔焊管、20G無縫鋼管、12Cr1MoVG無縫鋼管等。再熱冷段的管徑規(guī)格為DN700和DN600，無縫鋼管的制造和加工完全能實(shí)現(xiàn)，因此，可以不考慮采用ASTM A672 B70 CL32直縫電熔焊管。A672 B70 CL32直縫電熔焊管為進(jìn)口材質(zhì)，采購周期長，單位價(jià)格高。12Cr1MoVG，20G材質(zhì)均可在國內(nèi)采購，且為無縫鋼管，采購周期短，單位價(jià)格A672 B70 CL32＞12Cr1MoVG＞20G；如果采用20G無縫鋼管，與采用12Cr1MoVG無縫鋼管相比，在同等外徑的情況下，壁厚比采用12Cr1MoVG無縫鋼管的壁厚厚約4 mm～6 mm，導(dǎo)致管道和管件的重量和初投資、支吊架的重量和初投資、土建的初投資會增加；同時(shí)壁厚的增加使得管系剛度增加，對汽輪機(jī)，鍋爐接口的推力也會隨之增大，不利于安全運(yùn)行；另外，也不滿足后續(xù)機(jī)組安裝吹管時(shí)高參數(shù)要求。在考慮價(jià)格、可靠性及采購時(shí)長3個(gè)方面因素后選擇12Cr1MoVG作為設(shè)計(jì)管材。

該工程主蒸汽管道、再熱熱段管道、再熱冷段管道通過改變介質(zhì)流速，分別提出了3種不同管徑規(guī)格的方案。由于設(shè)計(jì)參數(shù)及管道布置確定情況下，不同規(guī)格管徑的流速及壓損計(jì)算結(jié)果見表3（主汽、再熱系統(tǒng)管道阻力計(jì)算表）[1-3]。

表3 主汽、再熱系統(tǒng)管道阻力計(jì)算表

根據(jù)以往的燃機(jī)工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，主汽管道壓降宜小于主汽門額定進(jìn)汽壓力的3.5%；再熱熱段管道壓降宜小于高壓缸排汽壓力的2.5%，再熱熱段管道壓降宜小于高壓缸排汽壓力的1.5%。表3中可以看出3種方案都滿足現(xiàn)在設(shè)計(jì)的需要。

對3種方案進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，主蒸汽、再熱熱段蒸汽和再熱冷段蒸汽管道各不同規(guī)格方案的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表4（主汽、再熱系統(tǒng)管道強(qiáng)度計(jì)算表）[4-7]。

表4 主汽、再熱系統(tǒng)管道強(qiáng)度計(jì)算表

3種方案中選擇任一方案都適合該工程選擇，為了選出最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案需要比較主蒸汽及再熱蒸汽系統(tǒng)不同管徑規(guī)格投資及壓降方案的經(jīng)濟(jì)性。

1.2 主汽、再熱系統(tǒng)管道經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化

經(jīng)濟(jì)性比較的原則是以西門子實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)估算的單位壓降的經(jīng)濟(jì)效益數(shù)值為根據(jù)，在總壓降不超標(biāo)的前提下，比較主蒸汽及再熱蒸汽系統(tǒng)不同管徑規(guī)格投資及壓降方案的經(jīng)濟(jì)性。具體考慮的經(jīng)濟(jì)因素有以下4點(diǎn)：1） 主蒸汽及再熱蒸汽系統(tǒng)進(jìn)口管道的初投資費(fèi)用（含支吊架材料費(fèi)用）。2） 主蒸汽及再熱蒸汽系統(tǒng)管道的安裝費(fèi)用。3） 主蒸汽及再熱蒸汽系統(tǒng)管道的保溫材料費(fèi)用。4） 累計(jì)20年因壓降引起發(fā)電量減少而產(chǎn)生的成本。此數(shù)值根據(jù)由西門子所提供的單位壓降的經(jīng)濟(jì)效益數(shù)值計(jì)算，是技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較的基礎(chǔ)資料。

經(jīng)濟(jì)性比較費(fèi)用取值：1） 管材管件費(fèi)用。主蒸汽管道A335 P92管材、支吊架及管件復(fù)合單價(jià)81132元/t（RMB）；再熱熱段管道A335 P92管材、支吊架及管件復(fù)合單價(jià)92171元/t（RMB）；再熱冷段管道12Cr1MoVG管材、支吊架及管件復(fù)合單價(jià)34089元/t（RMB）。2） 安裝費(fèi)用。主蒸汽管道安裝費(fèi)用32117元/t（RMB）；再熱熱段管道安裝費(fèi)用33514元/t（RMB）；再熱冷段管道安裝費(fèi)用15275元/t（RMB）。3） 保溫保護(hù)層材料費(fèi)用。保溫材料費(fèi)用680 元/m3（RMB）；保護(hù)材料費(fèi)用25 元/m2（RMB）。4） 壓降引起發(fā)電量減少而產(chǎn)生的成本（燃機(jī)發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)0.715 元/kW·h年發(fā)電小時(shí)數(shù)為5640 h、20年、貸款利率4.9%）。

從省煤器進(jìn)口到汽輪機(jī)進(jìn)口的過熱蒸汽系統(tǒng)的壓降每降低0.1 MPa時(shí)，聯(lián)合循環(huán)可多發(fā)16 kW電量。再熱系統(tǒng)壓降每降低0.1 MPa時(shí)，聯(lián)合循環(huán)可多發(fā)60 kW電量。

通過綜合計(jì)算，將管材管件費(fèi)用、安裝費(fèi)用、保溫保護(hù)層材料費(fèi)用加總，并考慮累計(jì)20年因壓降引起發(fā)電量減少而產(chǎn)生的成本，則各管徑規(guī)格下經(jīng)濟(jì)性見表5。優(yōu)化推薦的方案2再熱熱段管道，再熱冷段管道的規(guī)格，不但壓降能滿足要求，而且經(jīng)濟(jì)性最好；主蒸汽管道中方案二的經(jīng)濟(jì)性能并不是最好，方案3及方案2的經(jīng)濟(jì)性比較接近，但是考慮到方案3，流速過快，并不利于機(jī)組的安全運(yùn)行，綜合考慮選擇方案2比較適合機(jī)組。因此選擇方案2作為該項(xiàng)目的優(yōu)選設(shè)計(jì)。

表5 主汽、再熱系統(tǒng)管道綜合經(jīng)濟(jì)性計(jì)算表

2 主汽、再熱系統(tǒng)管道運(yùn)行檢驗(yàn)及性能試驗(yàn)

第一套和第二套機(jī)組順利投產(chǎn)后，機(jī)組進(jìn)入調(diào)峰商運(yùn)階段，機(jī)組運(yùn)行方式為協(xié)調(diào)投入，AGC投入，一次調(diào)頻投入，pss投入，燃機(jī)隨調(diào)度指令調(diào)節(jié)總負(fù)荷，汽機(jī)壓控模式（即跟隨狀態(tài)：調(diào)門全開），旁路全關(guān)。主汽、再熱冷段及再熱熱段在當(dāng)前負(fù)荷下為最高流速。

由于試驗(yàn)過程中機(jī)組負(fù)荷由調(diào)度控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不在同一天，采集數(shù)據(jù)中不同日期的環(huán)境溫度不同，抽汽量，導(dǎo)致機(jī)組總出力一樣情況下，汽機(jī)出力并不一樣。試驗(yàn)的參數(shù)情況見表6。

表6 不同汽機(jī)負(fù)荷下主汽、再熱管道壓力

試驗(yàn)汽機(jī)負(fù)荷在210 MW時(shí)，為當(dāng)前環(huán)境溫度下抽凝機(jī)組最大出力（50 t抽汽）。對設(shè)計(jì)值進(jìn)行和實(shí)際值性能數(shù)據(jù)對比，見表7。

表7 設(shè)計(jì)值和實(shí)際值性能數(shù)據(jù)對比

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以看出，主蒸汽管道及再熱熱段蒸汽管道設(shè)計(jì)值與實(shí)際值變差在合理范圍內(nèi)，并且實(shí)際壓損比設(shè)計(jì)值大；但是再熱冷段蒸汽管道，實(shí)際壓損比設(shè)計(jì)值小，該項(xiàng)目達(dá)到設(shè)計(jì)值的偏差范圍內(nèi)。

在額定工況下，主蒸汽管道的壓降為0.4814 MPa，為汽輪機(jī)額定進(jìn)汽壓力（16.5 MPa）的2.9%；再熱冷段管道的壓降為0.0413 MPa，再熱熱段蒸汽管道的壓降為0.0721 MPa，分別為汽輪機(jī)高壓缸排汽壓力（3.82 MPa）的1.08%、1.88%；均滿足與燃?xì)廨啓C(jī)廠設(shè)計(jì)的主汽3.5%的壓降，再熱系統(tǒng)（除再熱器外）4%的壓降的要求。

從省煤器進(jìn)口到汽輪機(jī)進(jìn)口的過熱蒸汽系統(tǒng)的壓降每降低0.1 MPa時(shí)，聯(lián)合循環(huán)每小時(shí)可多發(fā)16 kW電量。再熱系統(tǒng)壓降每降低0.1 MPa時(shí)，聯(lián)合循環(huán)每小時(shí)可多發(fā)60 kW電量。

單臺機(jī)組20年綜合收益約654萬元，2臺雙投20年綜合收益約1308萬元。

3 結(jié)語

綜上所述，對主汽管道、再熱系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)參數(shù)的選取、管道材質(zhì)的選擇等內(nèi)容進(jìn)行論證，并通過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，優(yōu)化出H級多軸燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組最合理的主汽管道、再熱系統(tǒng)管道規(guī)格，通過實(shí)施運(yùn)行后性能試驗(yàn)，驗(yàn)證管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的的經(jīng)濟(jì)性及優(yōu)越性。

國內(nèi)第一臺H級多軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主汽、再熱系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)研究的方法及結(jié)果可以為以后H級多軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主汽、再熱系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。