燃机联合循环机组余热锅炉吹管探讨和实践

彭 冲

（中电建湖北电力建设有限公司，武汉 430030）

0 引言

某425 MW燃气－蒸汽联合循环电厂工程，主机由3台GE公司的PG9171E型燃机配杭锅3台双压自然循环余热锅炉，以及1台东方汽轮机厂200 MW汽轮机组成。按计划的安装程序，首先进行了3台燃机的单循环运行，后进行了3台余热锅炉的水压试验，具备条件时即开始准备余热锅炉的吹管。

1 问题及现状

根据以往工程的经验，既可以单台燃机启动，单台余热锅炉吹管；也可以3台燃机同时启动，3台余热锅炉同时并汽吹管，吹管蒸汽由主蒸汽母管末端排出。表1所示为单台吹管和三台联合吹管各自的优缺点。

经过详细的计算和对比，单机吹管预计总耗时15天，三拖一联合吹管总耗时5～7天。其中临冲管的安装，单机吹管总耗时约（算上冷却时间）20天，联合吹管临冲管的安装在12天左右。

对于工程实践来说，以往“多拖一”的燃机项目，采用单台机／炉吹管，分部投运案例较多，采用几台机／炉同时启动吹管的也有少量案例［1］。为此项目部根据现场情况进行了讨论对比，认为合同对于总工期的总考核是联合循环节点，而不是单循环节点，为保证工期和“三拖一”满负荷联合循环能尽早实现，经与调试单位协商，业主同意决定采用3台燃机同时启动，3台余热锅炉同时并汽吹管的方式。

表1 单台余热锅炉吹管和3台余热锅炉联合吹管优缺点对比

2 解决方案

该工程决定采用“三拖一”联合吹管的方式进行，则需详细地制定吹管方案和制作临冲管的材料、消音器等。经与调试单位协商，分工如下：方案中与吹管有关的参数选取、操作控制等由调试单位完成，临冲管的设计和安装、消音器的制作安装，以及吹管的配合由安装单位完成。总体方案由安装单位汇总，调试单位批准上报。

2.1 吹管参数的选择

查图纸得：正常运行时候高压主蒸汽流量147.327 t／h，压力7.09 MPa，温度480℃；低压主蒸汽流量13.942 t／h，压力0.61 MPa，温度295℃。

根据吹管导则，降压冲管参数的选定原则为：冲管汽流对杂物的冲刷力大于额定工况时的汽流冲刷力，即冲管系数大于1.4；冲管时压力下降值控制在其相应的饱和温度降低值不超过42℃［2］。冲管系数：

βΔρ＝ Δρb／Δρ0

式中：βΔp为压降比，经理论验算及试验，当吹管时过热器压降与锅炉BMCR工况时过热器压降之比值不小于1.4，即能保证吹管过程中各段受热面动量比不小于1的要求；ΔPb为吹管过程中某小区段流动压降（阻力），MPa，下标b代表吹管工况；ΔP0为锅炉BMCR工况下该区段流动压降（阻力），MPa，下标0代表锅炉BMCR工况。

经换算后简易计算的公式为：

βΔp= （吹管时汽包-过热器压差）／（BMCR工况汽包-过热器压差）

根据计算和现场情况，冲管参数如表2所示，冲管时根据压差情况进行适当调整。

表2 吹管压力参数

2.2 临冲管的计算和布置

因为项目所在地基本不生产高压无缝钢管，又要考虑最经济的原则，故考虑临冲门前高压部分管道国内采购，按主蒸汽管道外径匹配其外径，按吹管压力计算壁厚，按最高吹管温度确定材质。临冲门后管道采用现场暂未安装的高、低压旁路管道。这样需要采购和收集的材料如表3、4所示。

表3 高压主蒸汽吹管临时管道材料

表4 低压主蒸汽吹管临时管道材料

由表可知，除部分高压管道和临冲门需购买外，包括临冲门后管道，靶板装置，消音器，部分不规则斜三通均可以通过现场寻找材料、制作完成。这样可以给工程节约大笔的成本，也合理利用了现场的材料，符合节约环保的原则。

临冲管的布置，需根据现场的条件和环境，虽然只是临时管道，但是业主工程师对此非常重视，要求出图出计算。经过多次现场勘查和测量对比，最终选取高压临冲管冲高压主汽门出口至汽机房A排外，低压临冲管冲低压临冲门出口至汽机房C排外。采用对冲布置而不是采用相同布置，主要是考虑到余热锅炉高低压汽包压力、压降均不相等，可能出现同时达到压力吹管的情景，也可能出现临冲门关不严，高压蒸汽吹入低压系统造成破坏。考虑到低压系统压力较低，未设置消音器，采用直排大气的方式，高压系统设置制作的三层消音带托架的消音器。相关计算如下（仅计算高压部分，低压部分因压力／温度较低，计算略）。

2.2.1 临时管道一次应力的计算

临时管道一次应力是由于外力载荷而使管道产生的应力和剪应力，其计算结果必须满足外部和内部力或力矩的平衡法则。其特点是没有自限性，始终随着外力载荷的增加而增大。不会随着时间的延长而降低［3］。超过某一限度时，将会使管道直接破坏。一次应力基本计算公式为：

δL＝ PDn／（D2w－ D2n）＋ 0.75iMA／W ≤ ［δ］t

式中：P为设计压力，MPa；Dn为管道内径，mm；Dw为管道外径，mm；i为应力增强系数；MA为管子自重或其他外载作用在横截面上的合成力矩，N·mm；W为管子的截面抗弯矩，N·mm；［δ］t为钢材在设计温度下的许用应力，MPa。

依据《火力发电厂汽水管道设计技术规定》DL／T 5054-1996，12Cr1MoV钢在400℃时的许用应力为98 MPa；设计压力取降压冲管门前正常冲管最高压力P=5.5 MPa；临冲门前管道为φ325×16 mm；应力增强系数i查ASME规程B31.3 APPENDIX D，i=0.9／（2h／3）；h=TR1／R22；本例中经过计算和查表得知0.75i≈1.64。经计算得到：

δL=27.85+1.312 ＜［δ］t=87 MPa，满足要求。

2.2.2 管道壁厚计算

依据《火力发电厂汽水管道设计技术规定》DL／T 5054-1996，冲管临时管道最小壁厚选用原则为位于吹管门前，其计算压力P=5.5 MPa，计算温度400℃，最小壁厚计算公式为：

式中：Sm为管道的最小壁厚，mm；P为压力，MPa；D0为管道外径，采用公称通径，mm；δ为钢材在设计温度下的许用应力，单位MPa，在400℃时，12Cr1MoV钢的许用应力为98 MPa；η为许用应力修正系数，对于无缝钢管，该系数为1.0；Y为温度对计算管子壁厚公式修正系数，对碳钢，低合金钢，482℃及以下时，Y=0.4；α为考虑腐蚀、磨损和机械强度要求附加厚度，mm，对普通无缝钢管，中高压汽水管道，腐蚀余度均取0 mm，可以不考虑。

计算结果：Sm=8.919 mm＜16 mm，符合要求。

根据现场布置，临冲管的布置如图1所示。

图1 高压临冲管布置

2.3 消音器的制作

消音器制作说明［4］如下。

（1）消音器内外3层分别安装设计制作加工；制作时内筒、中筒均先钻眼再卷管。

（2）消音器工作参数P=0.5 MPa，T=350℃。

（3）综合目前几种典型超临界及超超临界机组消音器，定为内管φ530 mm×12 mm，采用焊接钢管，材质为Q235，在满足通流面积情况下钻φ20 mm孔，孔间距50 mm。

（4）第2层采用δ=12钢板（Q235A）卷制加工为直管，外径为φ1200 mm，钻φ20 mm孔，孔间距50 mm。

（5）第3层采用δ=19钢板（Q235A）卷制加工为直管，因设计为敞开式，最外层为半圆，直接焊接在底座上，外径为φ2 420 mm。

（6）消音器通流计算如下。

①内筒眼孔通流

孔数：（3.14×530×3 465）／2 500=2 306；孔面积：2 306×3.14×100=724 266 mm2；截面积：3.14×2 652=220 506 mm2。则通流系数为内筒眼孔通流／内筒通流截面积，即3.28倍。

②中筒通流面积

孔数：（3.14×1 200×3 465）／2 500=5 222；孔面积：5 222×3.14×100=1639 848 mm2；实际截面积：3.14×6 002-180 864=949 536 mm2。则通流系数为内筒眼孔通流／内筒通流截面积，即1.72倍。

消音器的详细设计如图2所示。

图2 消音器详细设计图

3 吹管过程

本项目从开始吹管至吹管合格历时9天。吹管期间发生了部分问题，现总结如下。

（1）吹管参数的调整

吹管过程中，发现前期制定的2.0～3.3 MPa的降压吹管参数并不能完成满足现场要求，根据公式βΔρ=Δρb／Δρ0，按简易计算方法：βΔρ= （吹管时（汽包-过热器）压差）／（BMCR工况（汽包-过热器）压差），必须保证βΔρ≥1.4，吹管才有实际意义［5］。因燃机-余热锅炉加热非常快，实际操作中吹管系数大于1.4的区间非常短，可能会造成不能完全吹净。后停机期间与调试单位协商，将临冲管的壁厚进行了重新核算。最后将吹管最大压力调整为4～5.0 MPa（过热器出口），这样保证了单次吹管有充足的时间，使吹管进行得更彻底（压力调整必须经过严格的计算，切不可随便增大压力）。

（2）关于吹管噪声问题

前期设计时考虑到低压系统压力低，管径大，认为应不会产生很大的噪声。实际吹管过程中，低压系统虽然只有0.4 MPa的吹管压力，但还是产生了很大的噪声（同期高压系统最高6.0 MPa吹管，但由于采用了消音器，消音效果相当好）。建议余热锅炉吹管期间，低压系统也最好设计一个简易的消音器。

（3）关于用水量

吹管期间，发生缺水导致停止2次。因3台燃机同时启动，3台余热锅炉同时上水吹管所耗水量巨大，据估算最高耗水量为150～180 t／h，而现场化水最高制水量为150 t／h，除盐水箱必须留2 m水位保证再生时的需要，考虑到再生的时间为2～4 h，化水系统同步制水也达不到要求。总结，如想快速一次完成吹管工作，可考虑现场制作吹管临时水箱，或采取措施加快化水制水／再生速度［6］。

（4）关于燃机带负荷

由于吹管期间可能会造成机组不稳定，引起对电网的干扰，建议采用不并网吹管［7］。

4 结束语

南迪普燃机－联合循环工程余热锅炉吹管，从时间和成本上来说，大大节省了工期，材料也多取自现场材料，取得了较大的经济效益。高压系统和低压系统利用自产蒸汽分别吹管，保证了各系统的吹管效果，在机组停机冷却期间加快换水工作，以确保吹管水源的稳定。近年来，燃机－联合循环项目日益增多，本文将为今后同类型机组的吹管提供有力的参考和借鉴。