火电厂四大管道系统弯管弯头设计对比分析.pdf

第 3 1卷 第 1 0期 2 0 0 9年 l 0月 华 电 技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y V0 1 ． 3l No ． 1 0 0c t ． 2 0 0 9 火 电厂 四大 管道 系统 弯管弯头设计对 比分析 张洪元 ， 吕道 华 ， 闫平 ， 吕继祖 中国华 电工程 集 团 有 限公 司 ， 北京1 0 0 0 4 8 摘要 介绍了上海外高桥第三发电厂 21 0 0 0MW超超临界机组四大管道采用弯管设计的使用情况， 分析了弯管代替 弯头的技术优势。通过具体的数据对 比可知， 采用弯管设计可以减少投资、 降低机组热耗率， 达到节能减排的目的， 同时 有利于管道安全运行 。 关键词 四大管道 ； 弯管 ； 弯头； 对比 中图分类号 T M 6 2 1 ． 9 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 0 9 1 0 0 0 2 7 0 5 0 引言 上海外高桥第三发电厂 21 0 0 0 MW 超超 临界 机 组 第 1台 机 组 供 电 煤 耗 标 煤 为 2 7 2 ．6 k W h ， 第 2台机组为 2 7 2 ． 9 k W h ， 达到 世界领先水平。四大管道采用弯管设计是降低机组 热耗的一项工作。 1 弯管代替弯 头技术分析 1 ． 1 弯管工艺介绍 目前 ， 国内应用 的弯管工艺有感应加热弯管和 冷弯。感应加热弯管工作原理是利用中高频 电源对 管子 圆周方向狭窄带进行加热 ， 直到弯管所需 的温 度 ， 同时将钢管匀速推进 ， 弯矩作用到管子的加热区 域使管子沿预设的轨道弯曲， 从 而形成具有一定 曲 率半径和角度 的弯管。冷弯的工作原理是将管子沿 胎具旋转拖拽从而形成具有一定曲率半径和角度的 弯管， 不需 对管 子进 行加 热。冷 弯一 般 用 于外径 2 7 3 mm以下 的管 子。电厂 四大管道弯管一般采用 中频感应加热弯管。 目前 ， 四大 管 道 从 碳 钢 、 WB 3 6 ， P 1 1 ， P 2 2和 1 2 C r l M o V等低合金钢到 P 9 1 ， P 9 2等高合金钢 的各 种材料的弯管工艺都 已评定合格 ， 使 弯管工艺成为 成熟 的加工工艺。 1 ． 2 我国火力发电厂四大管道 中弯管的应用情况 从我 国火 力发 电厂的设计 发展来 看 ， 2 O年 以 前 ， 我国的主力发电机组是 2 0 0 M W 及以下机组 ， 四 大管道采用弯管设计 较为普遍 ， 由外商总承包 的火 力发 电机组四大管道也都采用弯管设计 。但 随着我 国电力工业的迅速发展 ， 机组单机容量越来越大 ， 机 组也从亚临界迅速发展到超临界 、 超超临界机组 ， 这 收稿 日期 2 0 0 9 0 21 3 一 阶段的四大管道设计 基本上全部 改成 了弯头设 计 ， 采用弯管设计的项 目非常少 。据初步调查 ， 最近 1 0年采用弯管设计 的项 目有邯峰 、 王曲、 外高桥二 期 、 外高桥三期 、 宁海二期、 台山二期等工程 。其中 邯峰、 王曲、 外高桥二期工程都是外商总包项 目， 外 高桥三期 、 宁海二期 、 台山二期工程是 国内设计 。外 高桥三期工程 已经投产 ， 宁海二期 、 台山二期工程正 在建设 中。 外高桥三期工程 以下简称外三工程 四大管 道中没有锅炉厂供货的管道 。四大管道采用弯管数 量多 ， 1台机组共 有 1 8 5个弯管 。四大管道主管道 上共有 1 5 9个 弯， 采 用 弯 管 1 3 1个 ， 弯 曲半径 为 2 ． 5～ 3 ． 7 O D； 采用弯头 2 8个 ， 弯 曲半径 1 ． 5 D N 。主 汽 2 8个 、 热段 3 0个 、 高压旁路出 口 1 6个 、 低 压旁路入 口 1 个 全部采用弯管 ； 冷段采用 1 7个弯 管和 2个弯头 ； 高压给水和给水再循环采用 了 2 7个 弯管和 2 6个弯头。外高桥三期工程 四大弯管弯头 使用情况见表 1 。 1 ． 3 采用弯管代替弯头的技术优势 弯管与弯头的技 术参 数对 比见 表 2 参 照外三 工程 。弯管的优势如下 1 弯管可以明显降低管道的振动。管道振动 可加速材料的疲劳损坏 ， 大大缩短材料的使用寿命 ， 可引发管道焊接接 口的破坏失效 。弯管降低管道振 动的原因有 2个 一是加大流动介质的转弯半径 ， 降 低了流体 由于流向变 化对管系 的冲击 ； 二是提高了 管道 的刚度 ， 很多振动是由于刚度不足引起。 2 弯管 的局部 阻力小 ， 可 以降低管道 的总阻 力。从 D L ／ T 5 0 5 4 --1 9 9 6 火力发 电厂汽水管 道设 计技术规定 可知， 采用 9 0 。 弯管时的局部阻力系 数为 0 ． 2， 而 采 用 9 0 。 弯 头 时 的 局 部 阻 力 系 数 为 0 ． 2 5 ， 可见， 不计内径的变化 ， 仅局部阻力系数不 同引起的局部阻力可相差 2 5 ％。对外三工程 ， 经计 2 8 华 电 技 术 第 3 1 卷 主蒸汽 1 ／ 2容量 管 I D 3 6 21 0 5 ． 1 A 3 3 5 P 9 2 9 0 2 0 2 0 0 0 0 表 2 弯管弯头技术参数对比 算主汽 、 热段和冷段对等 长度 的单个 弯管 如图 1 所示 和 R1 ． 5 D N单个弯头及其 直管段组合 如 图 2所示 对 比， 其单个弯 曲部分 总阻力 沿程阻 力 局部阻力 主汽降低约 1 7 ％， 热段降低约 2 6 ％ ， 冷段 降低约 3 1 ％ 见表 3 ； 降低整个管道总 阻力 不含大小头 、 三通 、 阀门等 主汽 1 ／ 2容量管 8 ． 6 7 ％ ， 热 段 1 ／ 2容量 管 1 2 ． 3 8 ％ ， 冷段 全容 量管 l 3 ． 5 5 ％ 见表 4 。 不是 1 0 0 ％通流面积的弯头与直管连接处的变 径都存在局部阻力 ， 因此 ， 在做对 比时没有考虑。 3 弯管内流动的介质对弯管外弧 内壁 的冲刷 比弯头小。流动的介质对弯曲部分外弧 内壁的冲刷 与流速和弯曲半径有关， 9 5 ％通流面积的弯头比 1 0 0 ％通流面积的弯管流速高 5 ． 3 ％， 弯管 的弯曲半 径是弯头的2倍以上。四大管道中主汽和热段流速 在 4 0 m／ s 以上 ， 在小半径弯头转弯处高速汽流对 外壁的冲蚀较大半径弯管要大。 4 弯管 比弯头 的应力增加系数小 。 弯曲部分 第 1 0期 张洪元 ， 等 火电厂四大管道 系统弯管弯头设计对 比分析 2 9 a弯管 f 一 一 l旷 、 l I r、＼ r I ～＼ j l tl’＼ ＼ l l／ 、 l l 90。 f ＼ b弯头 直管 图 1 弯管和弯头阻力对比模型 弯管内径与直管内径相同 1__ R I I 、 ＼ ＼＼ l J ＼ l | 1 『 一 a弯 管 r 5 0 ‘● ● J ⋯ l r、、 ， J L ＼ ． } L 1 t 一 - 。E _ 一 b弯头 直 管 图2 弯管和弯头阻力对比模型 弯管内径与直管内径不同 表 3 外 高桥 三期工程 四大管道 主汽 、 热段 、 冷段管道弯管和弯头压 降对 比 3 0 华 电技 术 第3 1卷 图 2 b 弯头 O D 6 1 0 6 5 9 0 9 1 4 3 7 5 0 3 7 5 0 弯 曲部分 4 6 7 ． 8 4 6 1 ． 9 5 4 1 3 ． 4 9 8 直管4 8 0 ． 0 0 0 】 】 ． 8 1 5 图2 a 弯管0 13 4 5 7 X 5 5 9 0 1 8 3 0 2 7 3 0 2 7 3 0 弯曲部分 5 ． 2 7 4 1 8 ． 5 3 9 3 4 7． 0 o o 2 4 ． 3 5l 直管 5 ． 8 1 2 注 1 ． 高压给水采用外径管 ， 弯管用的管材和直管用的管材外径一样 ， 弯管管材壁厚增加 ， 导致通流面积达不到 1 0 0 ％ ， 且两端直段的 长度长， 造成压降降低 不明显 ； 2 ． 大 口径薄壁管 ， 采用弯管降低压降效果明显 ， 适用于再热管道 热段 、 冷段 。 表4 外高桥三期工程四大管道主汽、 热段、 冷段管道 不含三通、 大小头、 阀门等 弯管和弯头总阻力对比 的应力增加系数与 1 ／ R 成正 比 ， 可见大弯曲 半径 尺的弯管 比弯头应力增加系数要小 ， 使管道系 统的应力分布更均匀。 5 弯管可以减少管道的总焊 口数 。一般采用 1 个弯管可节约 1道焊 口。 6 弯管焊 口远离弯 曲部分 ， 更安全。由于弯 头的直管段受成型限制， 一般为5 0 mm左右， 弯头起 弧点距焊15很近， 对厚壁 管焊 口热影 响区与弯头起 弧点重合 ， 使不利因素迭加。对于小角度弯曲， 采用 弯头时弯头两边焊缝间的距 离非常短， 使内弧两端 的焊缝过近， 以致厚壁管 的道焊缝 的热影 响区也相 互迭加 ， 采用弯管就不存在这些问题。 7 1 0 0 ％通 流面 积的弯 管， 蒸 汽管道 便于疏 水， 杜绝积水对焊 口的腐蚀。由于弯头 的通流面积 达不到 1 0 0 ％ ， 在管道焊口内壁形成 台阶， 造成蒸汽 管道停机时积水对焊 口的腐蚀 。 8 采用弯管可 以缩短管件的采购生产周期 。 弯管代替弯头后 ， 管件数量大大减少 ， 由于设计中弯 曲的角度与安装坡度有关系 ， 没有弯头 ， 设计方只需 要确认三通 、 大小头的图纸， 可以缩短管件的采购生 产周期 2个月。 1 ． 4 采用弯管需考虑的问题 1 弯管 的弯 曲曲率半径大 ， 给管道的布置带 来一定困难。在布置上无法通过的个别梁等结构位 置 ， 仍可使用弯头。 2 弯管 的刚度大 ， 增加设计难度。采用弯管， 缩短了整个管线的展开长度 ， 加上弯管的弯 曲半径 大， 提高了整个管系的刚度， 管系对锅炉和汽机等设 备接 口推力 含力矩 也会增加， 会给设计带来难度。 采用弯头时 ， 在弯 曲半径为 1 ． 5 0 D时， 弯头的 内弧壁厚 比直管壁厚增加约 2 5 ％ ， 设计上也需要考 虑由此带来的刚度变化的影响。 3 弯管和直管的不等壁厚 ， 设计需进行复算 ， 并影响支 吊架的设计和生产工期。由于弯后外弧壁 厚减薄 ， 弯管和直管的壁厚不一致 ， 随弯曲半径的不 同， 弯管比直管的壁厚厚 1 0 ％ ～2 0 ％。弯制弯管用 的管材是非定尺管材 ， 弯管两边的直管段受单根不 定尺管材长度限制 ， 相对于弯头不是标准设计 ， 设计 方需在弯管两边直管段确定后进行复算 ， 特别是同 期 2台机组需分别复算。由于内径管的弯管和直管 外径存在差异以及接 口位置 的变化 ， 无法确定支 吊 架管夹的尺寸 ， 给支吊架的设计带来困难 ， 并延长支 第 1 0期 张洪元， 等 火电厂 四大管道系统弯管弯头设计对比分析 3 1 吊架 的生产周期 。 4 弯管和直管 采用不等壁厚 ， 增加 了采 购规 格 ， 给采购带来一定的困难 。弯管和直管采用不等 壁厚使原设计的 1种规格管材变为 2种 规格管材 ， 增加了采购规格 。 5 采用弯管 的配管加工工期长。时间 比采用 弯头的 1台机组长 2个月 ， 要合理安排工期 。 6 采用弯管不便于运输和吊装。弯管的外形尺 寸宽长比值大； 弯头 直管的外形尺寸宽长比值小 。 1 ． 5 中／ 高频感应弯管弯曲半径和壁厚的确定 1 弯曲半径一般选择 3倍弯管的管子外径 。 2 弯管壁厚的选择。壁厚选择满足设计和弯 管加工要求即可 ， 壁厚过大 ， 增加投资 ， 增加管道的计 算难度。弯管和直管不等壁厚示意图如图3所示。 1 确定直管的最小壁厚 6 i 和直管的选取壁厚 6 考虑壁厚负偏差 、 直径偏差及坡 口内径 C值 ； 2 根据弯管 的弯曲半 径／ 外 径 比值 比值越大 外弧减薄率越小 ， 为主要 因素 、 外径／ 壁厚 比值 比 值越大外弧减薄率越大 、 材料 一般合金含量高减 薄率高 ， 确定减薄率对应壁厚加厚系数 b ； 3 弯管的最小壁厚 6 b ⋯ 1 b ， 6 ； 4 弯管的选择壁厚 6 壁厚负偏差 ； 5 当 6 ≤6时 ， 弯管 和直管选择 壁厚 同为 6， 控制 内径管壁厚的负偏差 为 0， 焊管壁厚 的负偏差 为 一 0 ． 3 mm， 焊管 6 与 一般 比较接近。 ＼ ＼ 图 3 弯管和直 管不等壁 厚示意图 2 用弯管代 替弯头的投资分析 本文仅对外三工程 主汽 、 热段 含低 压旁路入 口 和冷段 含高压旁路 出口 进行分析 ， 外三工程 这 3个系统采用弯管后 2台机组共节省投资人民币 1 6 7 8万元 。采用弯管可能会增加支吊架 的投资 ， 而 焊 口减少会降低焊 口焊接费用 ， 2项可以相抵 。 3 外三工程采用弯管的运行经济分析 3 ． 1 主汽系统 在 V WO工况 下， 锅炉过热 器联箱 出 口压力为 2 8 MP a ， 汽机主汽门前压力为 2 7 MP a ， 允许主汽管道 的压降为 1 MP a ， 现实测值为 0 ． 6 MP a ， 这样 的结果 有如下好处 1 保 持汽机 主汽 门前 的 2 7 MP a ， 锅 炉联箱 出 口压力只要 2 7 ． 6 MP a即可 ， 可 以大 大延长 主汽管 道 、 锅 炉 的使 用 寿 命 ， 并 可 以减 低 给水 泵 的输 出 功率 ； 2 在汽轮机设计 允许 下 ， 汽轮机 主汽门的入 口压力可从 2 7 ． 0 MP a提高到 2 7 ． 4 MP a ， 可以提高机 组最大发电负荷和机组的效率 。 3 ． 2 再热系统 蒸汽经过高压缸后 ， 焓降很大 ， 到汽轮机末级湿 度较大 ， 威胁到汽轮机末级叶片的运行 。通过再热 系统 回热循环 ， 使得蒸汽具有较高的过热温度 ， 提高 了末级蒸汽干度 ， 延长叶片寿命 。 再热蒸汽系统主要包含冷段再热管道 高压缸 排汽至锅 炉再热 器入 口 、 再热器 、 热段再 热管道 再热器出口至高压缸入口 。 D L ／ T 5 0 5 4 --1 9 9 6 火力 发 电厂汽水管道 设计 技术规定 8 ． 1 ． 2中规定 大容量机组冷段再热蒸汽 管道 、 再热器 、 热段蒸汽管道额定工况下 的压力降 ， 宜 分 别 为 汽 轮 机 额 定 工 况 下 高 缸 排 汽 压 力 的 1 ． 5 ％ 一 2 ． 0 ％ 、 5 ％ 、 3 ． 5 ％ ～ 3 ． 0 ％ ； 再热器 出口额定 蒸汽温度 比汽轮 机中压缸额定进 汽温度宜高 2 C。 一 般而言 ， 再热系统 的总压降不应超过 高压缸排汽 压力的 1 0 ％ ， 其 中再 热器压 降和再热 系统管道 含 热段管道和冷段管道 的压降各占 5 ％_ l。 降低管道的阻力能提高机组 的热经济性 ， 但 同 时再热系统管道及锅炉再热 器的投资也会 随之增 加。管道降低压降方法有几个途径 减少管道长度 、 加大管道内径 、 降低局部阻力 、 降低管道 内壁的等值 粗糙度。 从表 3可 以看 出 采用 弯管 不含三通 、 大小 头 再热热 段 1 ／ 2容 量管可 以使管道 总压降 降低 1 2 ． 3 8 ％ ， 采用再热冷段全容量管可以使管道总压降 降低 1 3 ． 5 5 ％。 假设再热系统采用弯头压降为高压缸排汽压力 的 1 0 ％ ， 再热器 、 阀门及三通 、 大小头等管件为 6 ％ ， 其余管道为 4 ％ ， 那 么采用弯管后 的其余 管道 压降 为 3 ． 5 ％ ， 再 热 系统从 压 降 为高 压缸 排 汽压 力 的 1 0 ％降低为 9 ． 5 ％。 采用弯管后可以降低热耗 0 ． 0 3 7 ％ ， 按煤耗 标 煤 2 8 0 g ／ k W h 计算 ， 每发电 1 k W h可以节省 约 0 ． 1 g标 煤 ， 2台百 万千 瓦机组每年 共发 电 1 2 0 亿 k W h ， 每年可节约标煤 1 2 0 0 t 。 下转 第3 5页 第 1 0期 郭伯春 O v a t i o n f o r S o l a r i s工程师站在 P C机上的仿真实现 3 5 图 3 广安发 电有 限责任公 司 2 X 6 0 0 Mw 工程仿真 画面 兼工程师站仿真 ， 具有生产现场 的 D r o p 2 0 0站 同样 的功能 ， 相 当于 1台离线的 D r o p 2 0 0站。对于运行 人员而言 ， 可熟悉 O v a t i o n操作界面， 熟悉生产流程 画面 ， 掌握 D C S相关操作过程等 ； 而 D C S热控人员 除了可以熟练运行人员 的相关操作外 ， 还可 以打开 C B练习画组态 图， 用 G B画运行操作画面 ， 练 习 1 0 和点 的创 建 、 报表 的制 作以及 O v a t i o n的备份 和恢 复 ， 通过对 S o l a r i s的练习 ， 熟悉 S o l a r i s 操作 系统的 相关操作 ， 除需在 线 的相关操作 外 ， 与生产现场 的 D r o p 2 0 0一模一样 ， 而且 ， 它还有独特的优势 。 该仿真只属于 Wi n d o w s X P的一个应用程序 ， 在 需要练习的时候 ， 才运行它， 不影响电脑办公和上 网 等其他用途 ； 它可 以批量安装方便 ， 只要 1台 P c机 上安装成功后 ， 可直接把安装 生成 的几个文件复制 到其他 P C机上 ， 运行 即可。它未接人生产现场的 工程师站， 不会对生产过程产生任何影响； 它还具有 创建还原检测点功能 ， 不怕练习人员误操作 ， 出现异 常时， 只需重新加载检测点 即可恢复到异常前的 O v a t i o n状 态 。 4 结束语 O v a t i o n f o r S o l a r i s工程师站在 P c机上仿真实 现 ， 是一个较 为复杂的过程 ， 通过不 断的实践和摸 索 ， 完成了仿真平台的建立。在此 ， 希望能通过本文 提供给读者一些指 引， 运用该方 法 ， 快捷 地完成仿 真 ， 把更 多 的时 间 和精 力 花 到 O v a t i o n系统 培 训 中去。 编辑 王书平 作者 简介 郭伯春 1 9 7 6 一 ， 男 ， 四川南充人， 工程师， 从事电厂热 工仪表及自动装置检修方面的工作。 上接 第 3 1页 参考文献 4 结论 1 采用弯管可 以减少投资 ， 降低机组热耗率 ， 达到节能减排的 目的 ， 同时有利于管道安全运行。 2 采用弯管可以缩短管件采购 生产周期 ， 虽 然配管加工工期有所延长 ， 但通过合理安排 ， 总体上 不会增加从订货到交货的总工期。 3 外径／ 壁厚比值较大的再热系统管道采用弯 管更能节省投资 ， 更能 降低管道阻力 ， 如果弯管和直 管的壁厚比较接近 ， 建议弯管和直管选择同一壁厚。 4 进一步研究 弯管标准化 问题 ， 推进 弯管在 工程中的应用。 [ 1 ] D L ／ T 5 0 5 4 --1 9 9 6 ， 火力发电厂汽水管道设计技术规定[ s ] [ 2 ] A S ME B 3 1 ． 1 2 0 0 7 ， P o w e r P i p i n g [ S ] ． 编辑 刘芳 作者简介 张洪元 1 9 7 2 一 ， 男 ， 辽宁开 原人 ， 工程 师 ， 从 事火 力发 电厂高压高温管道的项 目管理方面的工作。 吕道华 1 9 6 1 一 ， 男 ， 云南昭通人， 高级工程师， 从事火 力发 电厂 高压 高温管道的设计和工艺方面 的研究工作 。 闫平 1 9 6 0 一 ， 男 ， 河北高 阳人 ， 高级工 程师 ， 从事 火力 发电厂高压高温管道的设计和工艺方面的研究工作。 吕继祖 1 9 6 3 一 ， 男 ， 甘肃秦 安人 ， 高级 工程师 ， 从 事火 力发电厂高压高温管道的设计和工艺方面的研究工作。