单宏威,张丹,王学关

(浙江省火电建设公司,杭州市,310016)

0 引言

华能海门电厂一期工程建设 2×1 000 MW机组,三大主机均由东方电气集团设计供货。锅炉为东方锅炉厂供货的超超临界变压运行直流锅炉,锅炉型号DG3000/26.15-Ⅱ1型,单炉膛,一次中间再热,尾部双烟道结构。

锅炉冲管采用二阶段、降压吹管方式进行。第一阶段对过热器系统和主蒸汽管道进行吹扫,合格后在第二阶段依次对过热器系统、主蒸汽、高压旁路、再热系统进行吹扫,过热器系统、主再热及高旁管道吹扫合格后进行小机高压进汽吹扫。

过热器、再热器及其管路吹扫时启动分离器压力6.5～7.5MPa时开临冲阀,当启动分离器压力4.5～5.0MPa时关临冲阀。吹扫过程中控制主汽温度不超过 450℃,控制过热器、再热器、水冷壁均不超温。

锅炉过热器、再热器系统及其蒸汽管道内部的清洁程度,对机组的安全运行及能否顺利投产关系重大。为了清除在制造、运输、保管、安装过程中残留在过热器、再热器系统及相关蒸汽管道中的各种杂物,必须进行蒸汽吹扫。由于蒸汽吹扫时参数高,管道的冷热载荷、冷热位移、冲击载荷大,必须对临时管道的设计参数、管材选用、管壁厚度、管道布置、支吊架选型、管道补偿等因素进行分析和计算,以确保吹扫过程安全、经济。

1 临冲管设计

1.1 临冲管设计参数选择

根据冲管参数及超临界、亚临界机组冲管的经验而选择:临冲阀前临时管道设计压力10.0MPa,温度500℃;临冲阀后至低温再热蒸汽管道的临时管道设计压力5.0MPa,温度500℃;排汽管临时管道设计压力2.0 MPa,温度500℃。

1.2 临冲管材质及壁厚选择

选择一、二次系统及疏水临冲管材料为12Cr1MoV(含消音器)。壁厚计算参照:

式中:sm为直管的最小壁厚,mm;P为冲管压力, MPa;D0为公称外径,mm;[δ]t为临冲管在冲管温度下的许用应力,MPa;η为许用应力修正系数,无缝钢管取1.0,自动焊机下的单面焊接有坡口焊缝取0.85; Y为温度对计算管道壁厚公式的修正系数,对于铁素体钢 482℃及以下时取 0.4,538℃及以上时取0.7,对于奥氏体钢 566℃及以下时取 0.4,593℃及以上时取0.5,621℃及以上时取0.7,中间温度采用内插法计算;α为腐蚀磨损量,对于临冲管暂不考虑。

1.3 支吊架设计

临冲管支吊架间距应满足刚度、强度、静态载荷、有冲击力的热态载荷、对汽轮机接口力矩的限制要求。临冲管支吊架设计以不阻碍膨胀、承担排汽反力、限制对汽轮机产生位移为原则。以下位置需重点考虑并消除影响:中联门出口母管至 0m层垂直段,该垂直段前后水平段较长且消音器摩擦力较大,因此该垂直段往往承受较大前后水平段的膨胀应力,并且该垂直段上下端弯头受蒸汽冲击力较大,综上所述,需考虑在垂直管设计能承受蒸汽冲击力的Z向弹簧吊架或阻尼吊架,并设计X或 Y向弹簧支架或限位支架,如图 1—3。高压主汽门出口管道冲击力及热位移大且应避免对汽轮机推力的超标,因此应设计弹簧吊架以减少冲击力形成的管道 Z向位移,并设计 X向限位支架以免对汽轮机形成推力,如图4—6。

临冲管受成本影响应以滑动支架、限位支架为主,弹簧支架、恒力吊架、阻尼吊架为辅。弹簧支架、恒力吊架应考虑滑动支架对弹簧Z向工作的影响,因此上述支吊架前后滑动支架距离应以远为宜。临冲管不宜采用固定支架。

普通弹簧、恒力弹簧的载荷应考虑管道、管件、保温的重力载荷及蒸汽冲击载荷和热位移的影响。

1.4 走向选择

临冲管走向可供选择的空间往往受制于汽轮发电机、主变、厂变、备变、吊物孔布置而较小。临冲管末端宜设置带消音片的复合消音器,以最大程度降低冲管期间产生的噪音污染。

消音器周边应有半径r≥20 m的空间,如周边有变压器及出线装置,应考虑消音器设置于变压器的下风口,以防止铁屑污染变压器及出线导致短路。消音器宜远离汽机房 A排,防止垃圾及蒸汽对 A排彩钢板的污染。

临冲管从汽轮机高中压主汽门接出后,在前轴承座前的运行平台布置临冲阀、靶板装置、一二次系统切换阀或切换回转堵板、临冲阀操作台后以垂直管至0 m层。至0m层垂直管可利用吊物孔(如吊物孔在汽轮机纵轴线正前方)或厂房固定端外立面(如固定端外立面在汽轮机纵轴线正前方)而布置。

临冲管布置弯头宜少,以提高冲管系数、降低冲管次数,但牺牲管道补偿性能,因此弯头数量的选择在保证管道补偿性能的前提下尽可能少。临冲管布置宜低,以增加稳定性,提高安全性且减少支吊架材料。

主再热及小机高压进汽疏水管外接至厂外,以避免凝汽器汽水品质受到破坏。疏水均外接至母管,为降低噪音宜接至临冲管主消音器。疏水母管可以分别设计为一、二次系统母管,或共用 1根母管,但应遵从低压在高压前方的原则。主再热及小机高压进汽疏水管宜以斜 30°进入疏水母管。

2 设计中考虑的因素

2.1 热应力

临冲管承受高温、高压、高流量蒸汽的作用,且降压法以不规律的应力作用于管道焊口,因此必须认真考虑热应力影响。三通、靶板座法兰、弯头容易成为应力集中位置。临冲管设计中必须考虑不同参数管道热膨胀率、热膨胀方向对上述管件的影响。如一、二次系统至排汽母管的三通,一次系统与排汽母管的参数不同、长度不同对三通位置产生的力的大小、方向是不同的,因此宜采用锻制异径三通。

靶板座法兰焊缝在以往机组冲管期间发生裂纹事件,因此该处宜采用 60°单面坡口后堆焊并超声波合格方可,不应采用加强筋。

冷段材质 A 672B70CL32材料的许用温度为427℃,经过核算冷段能承受的极限工作参数为压力4.5MPa,温度 425℃,因此第二阶段冲管期间应适当降低冲管参数,以保证管道及相应支吊架的安全。

因热应力影响,不建议在临冲管上设计法兰式回转堵板,除非设计院应力校核满足要求。

2.2 补偿性能

高中压汽门之间连通管热膨胀对汽轮机位移有影响,一、二次系统排汽母管热膨胀对弯头焊缝有影响,因此需考虑管道补偿性。临冲管补偿性一般采用柔性自补偿、冷拉以降低应力为目的的方法。临冲管的柔性自补偿受厂房空间及冲管系数的限制而仅能进行一定的改变。冷拉能改变热态应力的产生,以牺牲冷态应力来获得热态应力的满足,冷拉值一般是热膨胀量的 2/3。

海门电厂对上述 2个位置以修改管道布置,保证管道柔性,通过自补偿获得应力满足。

2.3 热膨胀

热膨胀ΔL计算公式为:

式中:L0指管道冷态的长度,mm;Δt指管道运行温度与安装温度之差值,安装温度取 20℃;α指材料的平均线膨胀系数,10-6/℃。

2.4 消音器

消音器应考虑降低排汽噪音,噪音量宜小于60 dB;消音器结构需考虑能承受排汽反力;消音器流通面积、材质应能满足蒸汽吹管需要。消音器所放置的地方应平坦、无坡度、地基硬实,一般采取夯实后铺设履带吊路基板即可,必要时可采取浇注钢筋混凝土地基。消音器四周应搭设 8～10m高的双层脚手架,并铺设钢脚手片以防止垃圾造成人员伤害。

海门电厂 1号机组锅炉冲管消音器设计排汽压力2.0MPa、排汽量1 600 t/h、排汽温度500℃、噪音量不大于50 dB、主材质12Cr1MoV吸音板材质304吸音材料为非金属。

2.5 临冲阀

临冲阀的开启时间应满足电综[1998]179号《火电机组启动蒸汽吹管导则》的要求,在满足其前提的要求下宜采用开启时间较长的临冲阀,以减少吹管次数。

一次系统排放管建议设置 2个临冲阀,以减少因临冲阀卡涩、铜套损坏、阀瓣损坏等原因造成的停炉。临冲阀选用符合冲管参数的压力10MPa、温度500℃、阀体及阀瓣材质为WC9、电装功率大于13 kW且通流面积大于主汽主管道的阀门,宜自带旁路暖管阀。

临冲阀应搭设操作平台,并设置为远方电操型,应装设于水平直管段上。

2.6 靶板装置

近年靶板装置发展较快,有单面靶板装置、双面靶板装置、串联式靶板装置、自动靶板装置,其中尤以自动靶板装置为最好。靶板取放往往工作量较大且带有极大的危险性,自动靶板装置能解决上述问题。自动靶板装置以气动或电动为动力,由主隔离阀、靶板升降阀、密封装置等构成。

靶板装置应放置于临冲阀后 2～3m的直管段上,靶板装置后应有 3～4m的直管段,以免因蒸汽紊流导致冲管次数增加。

2.7 临冲管安装

临时管的安装要求以一、二次系统为分界线有不同的标准。要求一次系统包括一次系统排汽管、至冷段管道以酸洗或喷砂控制管内清洁度,以免因临时管垃圾而导致冲管次数上升。二次系统以控制靶板器前管内清洁度为要求。

靶板装置前焊口要求 100%超声波检验,其余焊口以抽检为宜。临冲管焊口宜采取氩弧焊打底、电焊盖面的工艺。

临冲管应顺着蒸汽流动方向形成i≥0.005的坡度,切勿倒坡以形成水击。对于高中压汽门出口管道可设计成汽门疏水的坡度,如局部位置出线 U型则应设计疏水管。

3 结语

锅炉冲管以其介质参数高、流量大在许多电厂中往往因临冲管设计不合理、临冲阀选型不当、靶板装置不合理、消音器不当而出现安全问题。临冲管的走向与冲管系数有必然的关系,冲管系数高、靶板装置定位合理、临冲阀定位合理、临冲管内部清洁度佳,均能有效降低冲管次数,从而提高冲管经济性。一、二次系统单独吹扫是近年冲管的趋势,具有降低冲管次数,提高经济性的优点。

[1]张仕涛,李振国.不投盘车冲管方案的应用与分析[J].电力建设, 2006,27(3):11-13.

[2]马万军,孙辉,毛永清.典型吹管工艺在超临界直流锅炉上的实践对比[J].中国电力,2007,40(7):33-36.

[3]陈国封,庄红钢,张晓梅,等.连续蒸汽吹扫技术在乌奇工程上应用浅析[J].锅炉技术,1999,30(12):22-25,30.

[4]SDGJ 6—90火力发电厂汽水管道应力计算技术规定[S].北京:能源部电力规划建设管理局,1991.

[5]冯伟忠.900MW机组临冲管爆管事故分析-管壁压力共振问题探讨[J].华东电力,2004,32(2):1-6.

[6]DL/T 5047—95电力建设施工及验收技术规范:锅炉机组篇[S].北京:中华人民共和国电力工业部,1995.

[7]电综[1998]179号火电机组启动蒸汽吹管导则[S].北京:中华人民共和国电力工业部,1998.

[8]DL/T 5054—1996火力发电厂汽水管道设计技术规定[S].北京:中华人民共和国电力工业部,1996.