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        火電機(jī)組吹管臨時管道的設(shè)計與施工

        2011-04-10 15:29:06陳志華
        河北電力技術(shù) 2011年4期
        關(guān)鍵詞:靶板三通蒸汽

        陳志華

        (河北省電力建設(shè)第一工程公司,石家莊 050051)

        1 概述

        根據(jù)火電機(jī)組的啟動要求,新建機(jī)組的過熱器系統(tǒng)、再熱器系統(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)、再熱蒸汽系統(tǒng)、高低壓旁路系統(tǒng)等均應(yīng)進(jìn)行蒸汽吹掃,其目的在于清除在制造、運(yùn)輸、保管、安裝過程中留在過熱器或再熱器內(nèi)部的各種雜物(如沙粒、石塊鐵屑、氧化皮等),同時提高機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性,并改善運(yùn)行期間汽水品質(zhì)。

        火電機(jī)組的吹管方式分穩(wěn)壓吹管和降壓吹管2種。穩(wěn)壓吹管:吹掃時鍋爐升至吹洗壓力,逐漸開啟吹管控制門,在開啟控制門期間,盡可能控制燃料量與蒸汽量保持平衡,控制門全開后保持吹管壓力,吹掃一段時間后,逐漸減少燃料量,關(guān)小控制門,直至全關(guān),一次吹管結(jié)束??刂崎T全開持續(xù)時間主要取決于補(bǔ)充水量,一般為15~30 min。一次吹管結(jié)束后,需要降壓冷卻,相鄰兩次吹掃需要間隔12 h。降壓吹管:用點(diǎn)火燃料量升到吹洗壓力,保持燃料量,并迅速開啟控制門,利用壓力下降產(chǎn)生的附加蒸汽吹管,降壓吹管每小時不得超過4次,降壓吹掃因壓力、溫度變化較大,吹掃效果較好,考慮主蒸汽管道壽命,吹掃時汽包壓力下降值應(yīng)當(dāng)控制在相應(yīng)飽和溫度下降大于42 ℃。對直流鍋爐而言,一般采用穩(wěn)壓吹管方式,設(shè)計有汽包的鍋爐一般采用降壓吹管方式。無論是穩(wěn)壓吹管還是降壓吹管,火力機(jī)組現(xiàn)場臨時管道布置通常分為一階段吹管和二階段吹管。一階段吹管:機(jī)組全系統(tǒng)吹掃一次完成,采用一階段蒸汽吹管需要在再熱器入口加裝集粒器。二階段吹管:第一步吹掃過熱器、主蒸汽管道、再熱冷段管道,由鍋爐再熱器入口處排出;第二步吹掃過熱器、主蒸汽管道、再熱冷段管道、再熱器系統(tǒng)、再熱熱段管道,自中壓主蒸汽門伺服機(jī)構(gòu)接臨時管道排出。

        2 吹管臨時管道的設(shè)計與布置原則

        2.1 吹管臨時管道的設(shè)計

        2.1.1 臨時管道應(yīng)力計算

        吹管臨時應(yīng)力計算分2步:一次應(yīng)力計算和二次應(yīng)力計算。

        一次應(yīng)力是由于外力載荷而使管道產(chǎn)生的應(yīng)力和剪應(yīng)力,其計算結(jié)果必須滿足外部和內(nèi)部力或力矩的平衡法則,一次應(yīng)力的特點(diǎn)是沒有自限性的,始終隨著外力載荷的增加而增大,不會隨著時間的延長而有所降低,當(dāng)它超過某一限度時,將使管道直接破壞,因此要嚴(yán)格控制一次應(yīng)力的數(shù)值,使其控制在相應(yīng)的許用應(yīng)力范圍內(nèi),管道在工作狀態(tài)下由內(nèi)壓自重和持續(xù)外載產(chǎn)生的一次應(yīng)力不得大于鋼材在計算溫度下的基本許用應(yīng)力,計算公式為:

        бL=PDn/(Dw2-Dn2)+0.75iMA/W ≤[б]t

        (1)

        式中:P為設(shè)計壓力,MPa;Dw為管道外徑,mm;Dn為管道內(nèi)徑,mm;i為應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù);MA為自重和其它持續(xù)外載作用在管子橫截面上的合成力矩,N·mm;W為管子截面抗彎矩,N·mm;[б]t為鋼材在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力,MPa。

        二次應(yīng)力是管道的熱膨脹應(yīng)力。由于臨時管道溫度升高,管道的膨脹變形受到約束產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪應(yīng)力不能與外力相平衡而產(chǎn)生的附加力,二次應(yīng)力具有自限性特點(diǎn)。當(dāng)管道局部屈服和產(chǎn)生小量塑性變形時就能使工作狀態(tài)下的二次應(yīng)力減小,對于二次應(yīng)力的限定,并不是一個時間的應(yīng)力水平,而是取決于交變應(yīng)力的范圍和交變的循環(huán)次數(shù),因此多次重復(fù)使用的吹管臨時管道在這方面應(yīng)引起注意。二次應(yīng)力一般不會直接導(dǎo)致臨時管道破壞,只有在應(yīng)力多次重復(fù)交變的情況下才能導(dǎo)致它的破壞,計算公式為:

        бE=iMC/W≤f{[б]20+0.2[б]t1}

        (2)

        式中:i為應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù);MC為按全部長值和鋼材在20 ℃時的彈性模量計算的熱膨脹引起的合成力矩,N·mm;W為管子截面抗彎矩,N·mm;f為應(yīng)力范圍減小系數(shù),在設(shè)計壽命內(nèi)與管道的溫度周期性交變次數(shù)N有關(guān),當(dāng)N≤2 500時,f=1,當(dāng)N>2 500時,f=4.7N-0.2;[б]20為鋼材在20 ℃時的許用應(yīng)力,MPa;[б]t1為鋼材在設(shè)計溫度下的熱膨脹應(yīng)力,MPa。

        2.1.2 臨時管道壁厚計算

        吹管臨時管道壁厚選用原則:位于吹管門前時,其計算壓力Pjs≥9.8 MPa,計算溫度tjs≥450 ℃;吹管門后可采用其計算壓力Pjs≥4 MPa,計算溫度tjs≥450 ℃;中壓門后可采用其計算壓力Pjs≥1.6 MPa,計算溫度tjs≥450 ℃。

        臨時吹管門前管道直徑與主蒸汽管道相同,熱段管道排氣管道可選用截面積大于2/3熱段管。管道壁厚可以根據(jù)管道內(nèi)徑或外徑進(jìn)行計算。按內(nèi)徑計算時,計算公式為:

        Sjs=PDw/(2[б]t2η+2YP)+α

        (3)

        按外徑計算時,計算公式為:

        Sjs=PDn/[2[б]t2-2P(1-Y)]+α

        (4)

        式中:P為設(shè)計壓力,MPa;Dw為管道外徑,mm;Dn為管道內(nèi)徑,mm;[б]t2為管道在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力,MPa;η為許用應(yīng)力修正系數(shù),無縫鋼管取1,縱縫焊接鋼管取決于焊接形勢和探傷檢驗方式,螺旋電焊鋼管按照SY/T 5037-2000《低壓流體輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管》[1]生產(chǎn)和無損探傷檢驗合格者取0.9;Y為溫度對管子的修正系數(shù),對于碳鋼、低合金鋼和高鉻鋼480 ℃以下時Y取0.4,510 ℃時Y取0.5,538 ℃以上時Y取0.7,480~510 ℃和510~538 ℃時的Y值采用內(nèi)插法計算;α為考慮腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度要求的附加厚度,可以不考慮。

        2.1.3 臨時管道支吊架設(shè)計

        臨時管道支吊架在設(shè)計選用過程中多數(shù)選用“門”形架,其管道支架間距計算公式為:

        L=0.2118·(E·I/q)1/4

        (5)

        式中:E為彈性系數(shù),kN/mm2;I為管道截面慣性矩,cm4;q為管道單位長度重量,kN/m。

        2.1.4 消音器的選擇

        消音器的選用取決于吹管時蒸汽的參數(shù)(排汽溫度、排汽壓力和蒸汽流量),600 MW機(jī)組消音器排放量選在800 t/h左右,如果消音器選擇太小,阻礙蒸汽排放,降低吹管系數(shù),達(dá)不到吹管效果,如果消音器選擇太大,起不到消音效果。消音器的設(shè)計與制作應(yīng)遵循中壓主蒸汽門后的參數(shù)。

        2.1.5 堵板的加固

        管道系統(tǒng)吹掃中常用的堵板主要有橢球形堵板、球形堵板、回轉(zhuǎn)堵板和平堵板4種類型。對于標(biāo)準(zhǔn)堵板可依據(jù)參考文獻(xiàn)[2]選??;但對于非標(biāo)準(zhǔn)堵板或者是現(xiàn)場制作內(nèi)置堵板焊接時可采取角板加固方式,加固時應(yīng)重點(diǎn)焊接角板與管道內(nèi)壁連接部位。

        2.1.6 三通的加固

        吹管臨時管道的三通一般在現(xiàn)場直接制作,由于母管和支管得壁厚計算均為管道壁厚計算,如果制作三通后,三通接口處應(yīng)力較大,很容易出現(xiàn)裂口,因此需要將三通焊口位置進(jìn)行加固。加固的類型分為披肩加固和鋼筋補(bǔ)強(qiáng)加固,必要時可以采取三通母管整圈加固。

        2.2 吹管臨時管道的布置原則

        國內(nèi)某進(jìn)口燃煤660 MW發(fā)電機(jī)組,1號機(jī)組于2000年3月進(jìn)行蒸汽吹掃時,臨時管道吹管時發(fā)生劇烈振動,導(dǎo)致每吹掃完成一次需要對振動較大部位的臨時管道焊口進(jìn)行檢查和補(bǔ)焊。母管布置在16.7 m,支管最高點(diǎn)布置在18.5 m,標(biāo)高差約2 m,另外自高壓主蒸汽門出口管道設(shè)計2個直插三通,系統(tǒng)設(shè)計彎頭和堵板等管件較多,對介質(zhì)流動擾動較大。臨時管道現(xiàn)場設(shè)計和布置沒有固定的走向,為避免臨時管道系統(tǒng)吹掃時再次發(fā)生劇烈振動,遵照以下原則,重新對管道進(jìn)行布置后,振動現(xiàn)象消除,吹管工作正常進(jìn)行。

        2.2.1 對稱布置

        高壓主蒸汽門后、中壓主蒸汽門后管道布置時盡量采用對稱布置,這樣可以使得介質(zhì)在管道內(nèi)流動時的流動狀態(tài)盡可能的接近,即便是匯流到母管時,來自不同支管的介質(zhì)之間相互沖擊不是很大,減少管道沖擊。

        2.2.2 低標(biāo)高布置

        結(jié)合目前單機(jī)機(jī)組容量較大,相應(yīng)吹管臨時管道直徑和壁厚較大,因此臨時管道布置時,應(yīng)盡可能降低相對標(biāo)高。如管道布置在汽機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層,吹管臨時管道底部距運(yùn)轉(zhuǎn)層不要超過1 000 mm,只要能夠保證焊接質(zhì)量和正常引出臨時管道即可。

        2.2.3 留邊靠柱布置

        管道留邊靠柱布置的目的是在滿足管道應(yīng)力布置的前提下,便于支吊架安裝,因為靠近廠房柱邊區(qū)域埋件較多,容易固定支吊架,尤其是載荷較大的支撐點(diǎn)顯得尤為重要。

        2.2.4 斜插

        管道布置時不能使介質(zhì)的主流方向在三通內(nèi)改變,也就是說吹掃臨時管道的三通設(shè)計安裝應(yīng)選用斜插三通,避免使用直插90°三通。這樣可以避免蒸汽在管道內(nèi)改變流動方向。同時避免由于介質(zhì)在管道內(nèi)部流動時產(chǎn)生沖擊,減緩管道振動。

        2.2.5 就地取孔

        不論哪種吹掃方式,均需要從汽輪機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層引到汽輪機(jī)房0米層,通常所穿平臺位置一般選在高壓旁路門檢修孔、上下樓梯或B列柱,這樣可以實(shí)現(xiàn)就地穿孔,減少額外工作量。

        2.2.6 成品保護(hù)

        臨時管道布置不論在汽輪機(jī)房,還是排汽口,必須考慮保護(hù)已完成的工程。如廠房內(nèi)臨時管道布置時要考慮管道熱膨脹時是否傷及其它設(shè)備和管道(臨時管道布置前充分考慮管道的膨脹方向和膨脹值,遠(yuǎn)離設(shè)備)。排汽口處的蒸汽是否會污染廠房外邊的封閉墻板或其它管道等。

        3 吹管臨時管道安裝注意事項

        3.1 管道應(yīng)力不平衡

        造成管道不平衡現(xiàn)象的原因主要表現(xiàn)在以下三方面:小管與大管或剛性較大的管子串聯(lián)在一起時,小管道會產(chǎn)生過高的應(yīng)力;局部縮小的管道斷面尺寸或局部采用強(qiáng)度較差的材質(zhì)時,將產(chǎn)生應(yīng)力不平衡現(xiàn)象;管道系統(tǒng)布置不合理,管道系統(tǒng)中的小部分遠(yuǎn)離推力線時,小部分管道將吸收大部分熱脹應(yīng)力而出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。針對以上3種情況,管道安裝時要采取合理的限位裝置或冷緊措施,以緩和彈性轉(zhuǎn)移,防止局部區(qū)域應(yīng)力集中。

        3.2 主蒸汽門內(nèi)置臨時堵板螺絲孔泄漏

        一般機(jī)組吹管一次蒸汽和二次蒸汽聯(lián)絡(luò)是通過主蒸汽閥門伺服機(jī)構(gòu)處聯(lián)通,采用堵板封閉主蒸汽門通向汽輪機(jī)方向,堵板均采用螺栓連接,但是蒸汽往往會通過固定堵板的螺栓縫隙向汽輪機(jī)內(nèi)泄漏,一般處理方法是在螺栓孔處焊接罩帽,罩帽選用厚壁管道,如過熱器減溫水安裝用的厚壁管道。

        3.3 靶板反復(fù)吹飛

        高溫高壓蒸汽在管道中流動,由于蒸汽的流速變化較大,而且受到管道走向和通流面積的影響,因此管道內(nèi)部蒸汽流動過程中造成管道振動非常大,尤其在管系中的彎頭、三通和閥門處,蒸汽擾動大,這樣管道內(nèi)部的僅僅靠2~3個螺栓固定的鋁制靶板或銅制靶板很容易被吹飛。因此吹管臨時管道靶板位置的一般安裝在臨時管系管件后4~6 m處。

        3.4 吹管門卡澀

        電廠在吹管過程中吹管門卡澀是比較常見的,卡澀的原因主要是閥門在高溫高壓狀態(tài)下使用時,受熱膨脹,相對動靜間隙變小,使得閥門開啟力矩大于閥門驅(qū)動電動機(jī)力矩。因此吹管門在安裝前必須解體檢查,主要檢查閥座與閥芯之間的配合間隙,同時檢查軸承、驅(qū)動裝置、盤根、墊片等。軸承部位確保潤滑良好。檢修完畢后的閥門必須在空負(fù)荷下進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn),檢查是否有異常響聲,轉(zhuǎn)動是否靈活,開啟時間是否在60 s以內(nèi)。

        3.5 吹管靶板設(shè)計

        要使靶板軸的設(shè)計達(dá)到足夠的強(qiáng)度,其密封性、操作性、換取靶板時的安全性尤為重要。常用的靶板器結(jié)構(gòu)有法蘭式、直軸式、串軸式和框架式4種。前3種形式屬于內(nèi)置式靶板,框架式靶板屬于外置式靶板。進(jìn)入二階段吹管時,盡量將第一階段吹管結(jié)束后的靶板拆除,不要在第一階段處安裝靶板,吹管加工的靶板要拋光,肉眼檢查不得發(fā)現(xiàn)瘢痕。采用直軸式靶板和法蘭式靶板方式時,臨時管道內(nèi)必要焊接短的套管,主要用于限制靶板軸非法蘭端,臨時管道外壁所引短管要進(jìn)行加固,防止由于靶板在吹掃過程中長時間晃動而發(fā)生斷裂。

        3.6 再熱系統(tǒng)超溫控制

        合理布置再熱蒸汽系統(tǒng)的臨時管道也是控制再熱器超溫的有效途徑。二次蒸汽中壓主蒸汽門后吹管臨時管道采用的口徑同再熱蒸汽進(jìn)口管道口徑,這樣可有效減小介質(zhì)在臨時管道內(nèi)的阻力,使蒸汽迅速排出,對再熱器超溫具有一定的

        抑制作用。

        4 結(jié)束語

        十多年來,多臺機(jī)組吹管臨時管道布置和安裝經(jīng)驗證明,無論是無再熱系統(tǒng)的小容量生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組,還是超超臨界機(jī)組,合理布置吹管臨時管道,不僅能夠縮短機(jī)組施工工期,提高機(jī)組安裝質(zhì)量,而且給安裝和運(yùn)行人員提供了安全保障。

        [1] SY/T 5037-2000,低壓流體輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管[S].

        [2] 郭曉克,黎明紅,黃 濤.火力發(fā)電廠汽水管道零件及部件典型設(shè)計[M].長春:東北電力設(shè)計院,2006.

        本文責(zé)任編輯:楊秀敏

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