能电厂2×660MW的燃煤机组高温高压管道设计与选材研究

鄢青云　杨华

摘   要：针对华能电厂2×660MW的燃煤机组“上大压小”机组工程四大管道，从温度和压力方面分析了超超临界机组通用管材的规格参数，并进一步进行管道材料和规格的比选，结合先进的软件技术对管道的安全性能进行分析，获得了满足该电厂机组四大管道合理参数。

关键词：超超临界机组  四大管道  管道材料  数值仿真

中图分类号：TM621                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（c）-0084-03

Abstract： The four kinds of pipe unit engineering of 2 x 660 MW coal-fired units in Huaneng power plant were designed in this work. The specifications of the ultra supercritical unit general pipe parameters for 2 x 660 MW coal-fired units were analyzed from the aspects of temperature and pressure. Moreover， the materials and specifications of piping were compared and pipeline safety performance was also analyzed by advanced software technology. Thus， the reasonable parameters of the power plant unit four pipes were obtained.

Key Words： Ultra-supercritical units; Four pipelines; Pipeline materials; Numerical simulation

隨着我国国民经济的不断迅速发展，对电力市场的需求越来越大，电力建设行业迎来了一次新的发展机遇，电力市场的份额以每年接近一个亿千瓦装机的规模不断增长。根据对电力工业发展的预测，我国电力市场的装机总容量和煤电装机总容量在2020年的时候分别会接近13.4万亿千瓦和9.1万亿千瓦[1]。煤炭作为一次能源，在我国的能源结构中占据主导地位，因此，我国的电力生产中形成了以煤炭为主的格局。然而随着电煤供需矛盾愈加尖锐，环境污染和高能耗成为制约电力行业发展的两个尖锐的问题。因此，我们需要研究开发出一种环境友好型且容量更大的超超临界机组，从而提高发电效率，节约煤炭资源和节省发电成本。

超超临界机组所需的参数对管道系统，尤其是对四大管道材料实际应用具有较高的标准。其中四大管道指的是主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道（热段）、低温再热蒸汽管道（冷段）和高压给水管道[2]，并包括汽机旁路。为了满足机组所需的参数，在设计管道时应采取完善的技术措施，从而保证管道系统的安全性和经济性。主蒸汽及高、低温再热蒸汽管道系统采用的是单元制系统，即“双管、单管、双管”这样的构造体系。主蒸汽管道从过热器的两侧出口引出，而再热蒸汽管道是从再热器的两侧的出口引出，然后两个管道在出口处汇成一根母管，母管延伸至汽轮机前再分流成两根支管分别接入高压缸和中压缸左右两侧的主汽关断阀和再热关断阀中。冷再热蒸汽管道沿着低位高压缸的两个排气口，然后分别接入高位锅炉再热器的联箱。这样设计符合DL/T 5054-1996 《火力发电厂汽水管道设计技术规定》要求，同时具有管道设计量少，经济成本相对较低的优点。每台机组设置一套汽轮机旁路系统的设计是为了改善整个机组的运行启动条件以及在运行过程中机组的负荷特性，增强机组的灵活性。

本文针对华能电厂2×660MW的燃煤机组工程四大管道，从温度和压力方面分析了超超临界机组通用管材的规格参数，结合先进的软件技术对管道的安全性能进行分析，获得了满足该电厂机组四大管道合理参数，对华能电厂的2×660MW的燃煤机组高温高压管道进行了优化设计。

1  四大管道的设计参数

1.1 管道设计压力

锅炉过热器出口额定主蒸汽压力称为主蒸汽系统管道的设计压力。根据IEC（60045-1，1991，MOD）规定要求：在电机运行过程中，汽轮机进口处的平均蒸汽压力应小于额定压力，因此，主蒸汽管道的压力不应超过额定压力的105%[3]。根据IEC的要求，只要保证12个月平均值不超过额定值，汽轮机超压5%是可以连续运行的。因此，主蒸汽管的设计压力等于汽轮机额定进汽压力的105%加上主蒸汽管道的压降（按5%考虑）[3]。

按照国内外标准及规范，热再热蒸汽管道系统的设计压力是汽轮机高压缸排汽压力的1.15倍或锅炉再热器出口安全阀动作的最低整定压力（约为1.1倍的再热器进口压力）。此压力低于1.15倍的高压缸排汽压力，由于相差不大，因此再热热段蒸汽管道设计压力按1.15倍汽轮机高压缸排汽压力考虑。冷再热蒸汽系统管道的设计压力与再热热段蒸汽管道设计压力一样。

1.2 管道设计温度

按照国内外标准及规范，主蒸汽系统管道的设计温度等于锅炉过热器出口的额定温度加正常运行时的锅炉允许的温度正偏差5℃[4]。

按照国内外标准及规范，热再热蒸汽管道系统的设计温度等于锅炉再热器出口额定温度加正常运行时锅炉的允许的温度正偏差5℃。

根据国内规程：汽轮机高压缸排汽参数的熵为冷再热蒸汽管道的系统的设计温度。若汽轮机在运行方式上有特殊要求时，该设计温度应采用最高工作温度。

1.3 汽机旁路管道

高压旁路阀前管道的设计参数与主蒸汽管道相同，阀后管道的设计参数与冷再热蒸汽管道相同;低压旁路阀前管道的设计参数与热再热蒸汽管道相同。

1.4 高压给水管道

对于高压给水管道（主给水泵出口到关断阀），设计压力的值等于泵在额定转速特性曲线最高点对应的压力加上泵进水侧压力;对于高压给水管道（从关断阀后到省煤器进口），设计压力的值等于1.1倍泵的提升压力（泵在额定转速及设计流量下）加上进水侧压力。最终管道的具体参数将按给水泵制造厂提供的特性曲线核算后再确定。四大管道设计的具体参数如表1所示。

2  四大管道材料及规格的选择

2.1 四大管道材料的选择

根据目前国内大容量超超临界机组的运行情况，推荐四大管道的材料如下[5]：

（1）高压给水管道的材料选用15NiCuMoNb5-6-4。

（2）再热（冷段）蒸汽管道的材料选用A691 Cr1-1/4 CL22电熔焊接管。

（3）对于主蒸汽管道，由于P122、E911钢价格偏高，且E911许用应力偏低，P122加工和焊接工艺目前国内掌握的不够熟练，所以选用相对来说各种加工和焊接技术已经成熟的P91钢。但在技术方面，P91钢已应用到最高极限温度，且管道壁厚较厚，对设备的推力大，能够影响机组的变负荷速率。因此，综合以上的技术因素以及经济因素，本工程中的主蒸汽管道采用的是P92钢。

（4）对于高温再热蒸汽管道，P91钢或P92钢均能满足所需的要求，由（3）可知P91钢已应用到材料极限温度（推荐温度为593℃），从机组的安全性考虑，在价格相差不大时，优先采用P92钢。

2.2 四大管道规格的选择

华能石洞口第二电厂1号机组及2号机组分别于2009年11月及12月通过168h试运行，正式投入商业运行。根据现场实测的四大管道运行参数，额定负荷时系流动阻力均小于理论公式计算的数据。建议对本工程，四大管道的规格暂按表2所示。

3  管道设计软件的应用

超超临界机组高参数不但要求采用国际上实际应用经验有待丰富的新材料，而且对新材料的应用参数也接近推荐范围的上限，因此，必须在设计时采取充分的技术措施，以保证管系的高度安全性。

对华能长兴电厂2×660MW燃煤机组“上大压小”机组工程，将采用国际上在电力、石化等多个行业应用经验丰富的Caesar II最新版软件（满足最新版ASME B31.1等国际标准及规范的要求）进行管系静态应力分析;除了进行常规的管系静态应力分析外，华东电力设计院具有采用先进的Pipenet软件结合Caesar II最新版软件对管系进行以下动态分析的设计能力;对室外风速较高区域的电厂，有必要进行管系风荷载分析，以全面提高电厂在发电高峰期的可靠性。

对于有些设备的接口，如凝汽器低压旁路接口，有些厂家要求采用补偿器连接，设备接口允许的推力及力矩非常小。采用Caesar II最新版软件，可进行包括补偿器管系的准确分析;有些锅炉范围安全阀排汽管道在主管道上支撑，常规应力分析软件建模比较复杂且不准确，利用Caesar II最新版软件，采用Cnode方式，可准确地进行这种布置方式管系的应力分析。此外，采用Intergraph公司PDS三維设计程序进行设计，确保管道整体布置的和谐、优化;通过在这几年电力行业快速发展过程的实际应用，已形成规模化设计能力，可高效率、高质量的进行电厂设计。另外采用自主开发获QC优秀奖的支吊架建模软件，将支吊架模型同步设计输入管道三维模型中，避免支吊架与管道之间的碰撞，确保现场施工顺利进行。

4  结语

根据对四大管材的分析，给出了华能电厂“上大压小”燃煤机组四大管道材料的合理选择。基于前期工程的四大管道设计经验，采用可靠的管系动、静态分析，全面的管系风载荷分析，准确的管系计算方法和细致而有序的管系设计的方法对管道安全进行设计，给出合理管道设计方案。

参考文献

[1] 张祖辉.超超临界机组高温高压管道应用分析[D].华北电力大学，2011.

[2] 武秀峰.超超临界火电机组四大管道选材分析[J].电力科学与工程，2008（10）：73-78.

[3] 王亚军，朱佳琪，李林，等.二次再热机组六大管道设计研究[J].电力勘测设计，2016（4）：26-33.

[4] DL T.5054-1996.火力发电厂汽水管道设计技术规定[S].中国电力出版社，北京，1996.

[5] 刘发灿，陈瑞克.电厂1000MW超超临界机组四大管道设计方案寻优比较[J].广西电力，2011，34（6）：40-43.