660 MW超超临界机组主蒸汽和再热热段蒸汽管道布置方式探讨

王 晓， 李广伟

(1. 山东电力工程咨询院有限公司， 济南 250013；2. 中电华创电力技术研究有限公司， 上海 200086)

截至2014年底，全国300 MW及以上火电机组比例达到77.7%。根据《火电工程限额设计参考造价指标》[1]，新建2台660 MW超超临界机组需主蒸汽 (简称主汽) 管道(材质A335P92)448 t、再热热段蒸汽(简称热段)管道(材质A335P92)488 t，综合造价分别为12.41万元/t和13.89万元/t，合计12 338万元。可见，优化主汽和热段管道布置方式对降低工程造价有重要意义，同时通过优化管道布置可减少蒸汽压损，降低汽轮机热耗，提高汽轮发电机组效率，进而提高能源利用率。

1 工程简介及管道布置

1.1 工程概况

某工程采用侧煤仓布置，汽轮机房跨度29 m，加热器间跨度9 m，汽轮机中心线距A列12.5 m，主汽阀和中联门皆布置在基座运转层，前者接口竖直向下，后者接口水平且与汽轮机房A列成60°。主汽与锅炉厂两分界口标高皆为63.5 m，距锅炉中心线皆为17.96 m；热段与锅炉厂两分界口标高皆为57.4 m，距锅炉中心线皆为19.82 m。

由于锅炉厂负责提供的主汽和热段管道规格和布置相同，比较范围仅从锅炉厂分界线至汽轮机侧阀门接口，不考虑高压旁路蒸汽管道和低压旁路蒸汽管道。同时，在造价计算中，只计算管道和弯头造价，不考虑三通和支吊架造价。采用母管制和双管制布置方式的主汽和热段管道布置见图1～图4。

图1 母管制主汽管道布置图

图3 双管制主汽管道布置图

图4 双管制热段管道布置图

1.2 双管制和母管制

母管制即主汽和热段采用 “2-1-2”布置，主汽(热段)两支管从过热器(再热器)联箱两接口分别引出，在炉前钢架汇成母管，母管穿过汽轮机房布置到汽轮机基座附近时，分成两支管，分别接主汽阀(中联门)两接口。根据设计经验，主汽和热段材质为A335P91时，母管制应用较多。

双管制即两根管道(主汽或热段)分别独立连接汽轮机侧阀门和锅炉侧联箱接口，为稳定压力，其间以联络管道连接。根据设计经验，主汽和热段材质为A335P92时，双管制应用较多。

2 管道和管件用量

2.1 管道规格计算

内径管壁厚计算公式见式(1)[2]，计算结果见表1。

(1)

式中：Sm为直管最小壁厚，mm；Di为管道内径，mm；[σ]t为钢材在设计温度下的许用应力，MPa；p为设计压力，MPa；Y为温度对计算管道壁厚公式的修正系数；η为许用应力的修正系数；C为考虑腐蚀、磨损和强度要求的附加厚度，mm。

表1 主汽和热段管道规格及蒸汽流速

由表1可见：主汽(热段)全容量管的单位质量约为半容量管的2倍，主汽质量偏差1.9%(占全容量管)，热段质量偏差3.4%(占全容量管)，即1 m母管质量基本等于2 m支管质量。为便于比较，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 《电厂动力管道设计规范》中推荐的过热蒸汽流速上限60 m/s。

2.2 管道用量

由管道布置图1～图4结合表1中管道规格计算可得管道用量(见表2、表3)。

表2 母管制管道长度及质量(2台机组)

表3 双管制管道长度及质量(2台机组)

由表2和表3可见:母管制管道总质量为721.2 t，双管制管道总质量为607.2 t，两者相差114.0 t。由于主汽和热段在汽轮机侧和锅炉侧都有两个接口，在汽轮机和锅炉侧接口处，两方案的管道规格相同且长度基本相等；在中间段管道处，母管制长度近似为双管制2倍，考虑到母管与支管每米管道质量约为2∶1，母管制管道总质量比双管制要大(约18.8%)。

2.3 弯头用量

由管道布置图1～图4结合表1中管道规格计算可得弯头用量(见表4、表5)。

表4 母管制弯头数量及质量(2台机组)

表5 双管制弯头数量及质量(2台机组)

由表4和表5可见:母管制弯头总质量为86.8 t，双管制弯头总质量为75.1 t，两者相差11.7 t。以90°主汽弯头为例，母管质量为2.66 t，支管质量为0.97 t，母管质量约为支管的3倍，但数量上双管制中支管弯头数量约为母管制弯头数量的2倍，因而在弯头总质量上，双管制更轻更省材料。

综上所述，2台660 MW超超临界机组中，母管制主汽和热段管道总质量比双管制多114 t，弯头总质量比双管制多11.7 t，合计多125.7 t。双管制管道布置更节省管材，方案更优。

3 造价

3.1 单位质量造价

由于加工工艺难易程度不同，大口径、厚壁管道和管件的单位质量造价都高于小口径、薄壁管道和管件，例如：主汽(热段)管道中，全容量吨价/半容量吨价=1.2；主汽(热段)弯头中，全容量吨价/半容量吨价=1.5。

3.2 造价对比

根据表2～表5的计算结果，结合单位质量造价比，母管制与双管制管道的造价对比以及弯头造价对比见表6、表7。

表6 母管制与双管制管道造价(2台机组)

表7 母管制与双管制弯头造价(2台机组)

由表6和表7可见：2台660 MW超超临界机组，双管制的主汽和热段的管道和弯头总造价低于母管制约3 313万元。双管制管道布置造价更低，初投资更少，方案更优。

4 阻力

阻力计算管段范围从锅炉分界线至汽轮机侧接口，其中母管制管道总阻力简化为母管阻力和支管阻力两部分，支管长度取单台机组支管长度的一半；双管制管道长度取单台机组管道长度的一半。管道和管件的阻力系数取自DL/T 5054—1996 《火力发电厂汽水管道设计技术规定》，摩擦因数查自莫迪图[3]。

4.1 主汽阻力计算

根据上述内容，主汽管道阻力计算结果见表8(运行参数：压力为28 MPa，温度为605 ℃)。

表8 母管制与双管制主汽阻力

由表8可见；计算管段的母管制主汽阻力约为0.932 MPa，双管制主汽阻力约为0.779 MPa，双管制比母管制减少阻力约0.153 MPa。根据主汽压力对汽轮机热耗修正，双管制主汽管道布置方式可降低热耗约3.25 kJ/(kW·h)。按年机组利用小时5 500 h计算，2台机组节省标煤约864 t/a。

4.2 热段阻力计算

热段管道阻力计算结果见表9(运行参数：压力为6.1 MPa，温度为623 ℃)。

表9 母管制与双管制热段阻力

由表9可见：计算管段的热段若采用母管制布置方式，阻力约为0.218 MPa，若采用双管制布置方式，阻力约为0.136 MPa，减少阻力约0.082 MPa。根据热段压力对汽轮机热耗修正，热段管道采用双管制布置方式可降低热耗约5.92 kJ/(kW·h)。按机组年利用小时5 500 h计算，2台机组节省标煤约2 439 t/a。

通过比较，660 MW超超临界机组主汽和热段管道采用双管制和母管制布置方式的计算结果见表10。

表10 母管制与双管制比较结果

综合主汽和热段阻力计算，采用双管制布置方式，管道阻力更小，汽轮机热耗降低。相对于母管制布置方式，2台机组可节省标煤约3 303 t/a，双管制方案更优。

5 双管制注意事项

实际布置中，锅炉中心线通常与汽轮机中心线一致(锅炉左右方向)。由于锅炉联箱接口通常位于锅炉中心线两侧(炉左右方向)，汽轮机主汽阀和中联门接口位于汽轮机一侧，采用双管制布置时，通常存在两根主汽或热段管道长度不等的情况。

为简化计算和方便比较，笔者在进行管道阻力计算时，主汽支管(热段支管)中管道长度和弯头数量均为各自两支管的加权平均值。

为减少两根管道自身阻力偏差对蒸汽通流影响，靠近锅炉侧的汽轮机接口应与远离汽轮机机头侧的锅炉联箱接口连接(见图3、图4)。在进行管道应力分析时，应充分利用长支管管道自身走向吸收热膨胀，避免设置额外的膨胀弯。

双管制布置中两支管的联络管道应尽量靠近汽轮机侧阀门入口设置，管道容量应满足规程规范设计要求，管道布置简短，以更好调节两支管中蒸汽压力、流量和温度的偏差。

6 结语

对于660 MW超超临界机组主汽和热段管道，采用双管制布置方式管材更省，造价更低，蒸汽阻力更小。在今后类似工程中，在综合考虑机组的汽温偏差和管道系统的布置空间的前提下，建议采用双管制布置方式。