华能巢湖电厂四大管道优化设计

吴 斌，江 蛟，宋坤林

（江苏省电力设计院，南京市，211102）

0 引言

火力发电厂四大管道主要指主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道、低温再热蒸汽管道和高压给水管道。华能巢湖工程结合主厂房设备布置及建筑结构特点，对四大管道进行了优化设计。该工程2台机组已商业运行1年多，实践证明，四大管道的优化创新取得了成功。

1 四大管道规格的选择

主蒸汽、再热蒸汽系统系按汽轮发电机组VWO（阀门全开）工况时的热平衡蒸汽量设计。给水系统按最大运行流量即BMCR（锅炉最大连续蒸发量）工况时相对应的给水量进行设计。

主蒸汽系统管道的设计压力为锅炉过热器出口额定主蒸汽压力。主蒸汽系统管道的设计温度为锅炉过热器出口额定主蒸汽温度与锅炉正常运行时允许温度正偏差5℃之和。

低温再热蒸汽系统管道的设计压力为VWO工况下汽轮机高压缸排汽压力的1.15倍。低温再热蒸汽管道的设计温度是根据VWO工况下汽轮机高压缸排汽参数等熵求取管道设计压力下的对应温度。

高温再热蒸汽系统管道的设计压力为锅炉再热器出口安全阀动作的最低整定压力。高温再热蒸汽管道系统的设计温度为锅炉再热器出口额定再热蒸汽温度与锅炉正常运行时的允许温度正偏差5℃之和。

主蒸汽管道和再热热段蒸汽管道采用按美国ASTM A335 P91标准生产的无缝钢管，再热冷段蒸汽管道采用按美国ASTM A672 B70 CL32标准生产的电熔焊钢管，高压给水管道采用符合EN10216-2004标准的15NiCuMoNb5-6-4无缝钢管。

巢湖工程四大管道的设计参数、管材、管径、管内流速等见表1。

中国电力工程顾问集团公司（以下简称“顾问集团公司”）于2005年6月29—30日组织召开了超临界和超超临界机组四大管道规格设计专题研讨会，会议形成相关纪要，纪要中推荐的超临界机组四大管道规格如表2所示。

对比表1和表2可以看出，本工程主汽、再热热段、再热冷段三大管道选择的规格和顾问集团公司推荐的规格不同，本工程选择的管径比顾问集团公司推荐的管径要小一些，但管道内流速符合要求。

表3为本工程采用小规格管径节省的投资（与采用顾问集团公司推荐的管径相比），表4为本工程采用小规格管径后因阻力增加造成的电费损失。

由表3可知，本工程设计的三大管道，因为对规格进行了优化，每台机组节约投资1 300万元。若按投资回报率为8％，回收周期为20年计，要收回1 300万元投资，要求每年产生132.47万元的收益，高于表4中年电费损失。

表1 四大管道设计参数Tab.1 Design parametersof HTHPpipes

表2 四大管道直管推荐规格表Tab.2 Recommended specificationsof HTHPpipe straight tubes

在巢湖工程四大管道规格上进行的优化选择，在安全可靠、经济适用之间找到了最佳的平衡点。

2 四大管道布置

四大管道布置和主厂房设备布置及建筑结构紧密结合。当前我国运行中的燃煤电厂在设计过程中，往往由于设计周期短，存在因循守旧、套用传统或习惯布置模式而优化创新、精细设计不够的问题，造成整个厂房容积较大，工程造价相对较高。巢湖工程节约四大管道用量的主要措施如下：（1）采用侧煤仓方案压缩汽机与锅炉之间距离，减少四大管道用量。（2）取消除氧间，进一步压缩了汽机与锅炉之间距离。（3）合理利用和压缩炉前通道。（4）高压加热器同层布置，给水管道短，阻力小。

2.1 管道走向的确定

主蒸汽及高、低温再热蒸汽系统采用单元制系统，均采用“双管、单管、双管”的布置方式。主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道分别从过热器和再热器的出口联箱的两侧引出，然后汇成1根母管，到汽轮机前

表3 采用小规格管径节省的投资Tab.3 The saving cost foradopting small-sized diameter

表4 采用小规格管径后造成的电费损失Tab.4 The electricity loss foradopting small-sized diameter

再分成2根支管分别接入高压缸和中压缸两侧主汽关断阀和再热关断阀。低温再热蒸汽管道从高压缸的2个排汽口引出，在机头处汇成1根总管，到锅炉前再分成2根支管分别接入再热器入口联箱。这样既可以减少由于锅炉两侧热偏差和管道布置差异所引起的蒸汽温度和压力的偏差，有利于机组的安全运行，同时还可以简化布置，节省管道投资。

高加采用同层布置，使高压给水管道布置简捷，距离相对较短；高压给水阀门集中布置，方便运行人员巡视和维护。

2.2 管道标高的确定

主汽、再热热段在汽轮机头部第1档内穿过汽机房，管道中心距离梁底的空间应考虑满足支吊架的安装设计，电缆桥架考虑从管道上方布置，最终确定标高为10.2m。

由于整个主厂房比常规工程压缩了2档，再热冷段在机岛外布置已不合理，最终确定再热冷段在机岛内从底层穿过汽机房，为避开电缆主通道，最终确定标高为4.5m。

高压给水管道在中间层穿过汽机房，和四抽、小机供汽管、高加疏水管等多根管道交叉，其标高确定非常困难。虽然最终给水管道标高确定为11.20m，但现场仍出现了管道外保温相碰的问题。在今后的管道设计中应进一步细化，管道模型中应考虑坡度的影响。

2.3 降低管道推力和力矩的措施

超临界机组采用常规布置方案的主蒸汽管道和再热蒸汽管道柔性比较好，热胀应力小，对设备的接口推力也较小，已不成为设计中的主要矛盾。但本工程由于采用优化布置方案，管道布置刚性大，管道对设备推力和力矩的绝对值也加大。加之机炉为单元制，无法加设中间固定支架，因此管系的零力矩线就远离设备接口，造成管系对设备的力矩也较大，难以满足设备对推力和力矩的要求。如果再采用改变管系的布置方案，增加其柔性，则需要增加管系进口管材的消耗量，增大投资费用。因此，在工程设计中成立了相关课题组，采取措施降低管道的推力和力矩。

一般来说，除了采用冷紧的方法减少运行初期管道对设备的推力和力矩以外，合理选择支吊架型式，也是降低管道在某些方向上推力和力矩的重要措施。经过计算，最终确定在管系的适当位置加装刚性吊架或限位支吊架，以限定管系在某些方向的位移（线位移或角位移），从而改变整个管系的力和力矩的分布，使管道对设备的推力和力矩降低，这显然比改变管道的布置来减少推力和力矩更为优越。虽然这样设计会使管系的热胀应力有所增加，但只要限定在许用应力范围以内，仍然是经济合理的。

在管系上加装适当的刚性吊架或限位支吊架，还可以增加管系的稳定度，避免管系由于支吊架荷载之误差或转移而造成管系失稳或下垂。

2.4 管道设计软件的灵活应用

2.4.1 可靠的管系静态分析

巢湖工程设计中采用了国际上在电力、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ASMEB31.1等国际标准及规范的要求）进行管系静态应力分析，并组织经验丰富的设计人员负责相关工作，同时聘请著名管道专家进行审核，保证管系应力在各种工况处于综合优化的水平。

2.4.2 先进的管系动态分析

除了进行常规的管系静态应力分析外，还采用了先进的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：（1）汽锤及水锤动态管系分析；（2）安全阀排汽反力动态管系分析；（3）地震动态管系分析。

2.4.3 细致而有序的管系设计

采用AVEVA公司PDMS三维设计软件进行设计，确保管道整体布置的合谐、优化。另外，采用自主开发的保温软件，将管道外保温同步设计输入管道三维模型中，避免了管道之间的碰撞，确保现场施工顺利进行。

2.5 设计优化成果

通过精细化设计，巢湖工程的四大管道工程量与参考工程及限额指标对比如表5。

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表5 巢湖工程的四大管道工程量与参考工程及限额指标对比Tab.5 Contrastof HTHPpipe projectof Chaohu project and reference project，lim it indicator

从表5可以看出，巢湖工程四大管道的工程量约为参考工程的84％，约为限额指标的65％。

巢湖工程四大管道的管系应力控制在合理范围内，接口的推力及力矩得到制造厂的最终确认，整个管系阻力正委托西安热工院进行测试，相信其结果亦能达到设计要求。

3 四大管道优化后现场情况

四大管道设计优化后，减少了管道及相应支吊架的用量，减轻了现场吊装及焊接量，配管及现场施工进度大大加快。但管道的优化设计及厂房的紧凑布置造成个别支吊架生根结构偏复杂，施工技术难度加大。另外，尽管设计时考虑了支吊架结构尺寸，如管部、弹簧、恒吊等，但因为到货规格与原设计有偏差，在机组运行有热位移后，还是造成了管道上个别弹簧吊架碰管道自身保温、管部横担与土建墙体碰撞的情况。今后将认真吸取巢湖工程的经验，进一步对工程进行优化设计。

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