超超临界机组汽水系统的设计特点分析

　第３０卷第２期华电技术Ｖｏｌ．３０　Ｎｏ．２　　　２００８年２月ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＦｅｂ．２００８　　超超临界机组汽水系统的设计特点分析Ｄｅｓｉｇｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｔｅａｍ－ｗａｔｅｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｕｌｔｒａ－ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｕｎｉｔ陈瑞克ＣＨＥＮＲｕｉ－ｋｅ（西北电力设计院，陕西西安　７１００７５）（ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎ７１００７５，Ｃｈｉｎａ）摘　要：对邹县发电厂四期工程和系统状况进行了介绍，确定了主蒸汽系统和主给水系统管道的设计参数，选择了管道材料。对２×１０００ＭＷ超超临界机组主蒸汽系统及主给水系统的主要设计特点进行了论述。关键词：超超临界机组；主蒸汽系统；主给水系统；设计特点中图分类号：ＴＫ２６：ＴＫ２２３．５＋２　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２００８）０２－００１１－０６Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰｒｏｊｅｃｔａｎｄｓｙｓｔｅｍｓｉｔｕａｔｉｏｎｉｎＺｏｕｘｉａｎＰｏｗｅｒＰｌａｎｔｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｉｐｉｎｇｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｐｉｐｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｏｆｍａｉｎｓｔｅａｍｓｙｓｔｅｍａｎｄｍａｉｎｆｅｅｄｗａｔｅｒｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｓｔｅａｍａｎｄｗａｔｅｒｓｙｓｔｅｍｉｎ２×１０００ＭＷｕｌｔｒａｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｕｎｉｔｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｕｎｉｔ；ｍａｉｎｓｔｅａｍｓｙｓｔｅｍ；ｈｏｓｔｆｅｅｄｗａｔｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｄｅｓｉｇｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ收稿日期：２００７－１２－１８１　工程概况和系统介绍１．１　工程概况华电国际邹县发电厂四期扩建工程安装２台１０００ＭＷ超超临界机组（机组厂内编号分别为＃７，＃８机组），其中＃７机组于２００６年１２月建成投产，＃８机组于２００７年７月建成投产。该期工程装设２台超超临界参数变压直流炉、单炉膛、一次再热、平衡通风、前后墙对冲燃烧、运转层以上露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。汽轮机为超超临界、一次中间再热、四缸四排汽、单轴、双背压、凝汽式汽轮机。汽轮机具有８级非调整回热抽汽，给水泵汽轮机排汽进入主机凝汽器。汽轮机额定转速为３０００ｒ／ｍｉｎ，汽轮机主要技术参数见表１。１．２　系统介绍热力系统中除辅助蒸汽系统考虑设联络母管外，其他系统均采用单元制系统。１．２．１　主蒸汽系统主蒸汽系统采用单元制，系统主要包括主蒸汽、热再热蒸汽、冷再热蒸汽及旁路蒸汽系统。该系统还包括浮动式主汽门、主调门及其后的高压导汽管、由＃４高压导汽管接出的高压缸排汽通风阀（ＶＶ阀）有关管道以及浮动式中压联合汽门。主蒸汽、热再热蒸汽为双管布置；冷再热蒸汽采用“二一二”的布置方式。主蒸汽由锅炉过热器出口集箱２路接出，２根主蒸汽管道在汽轮机机头分成４路分别接入布置在汽轮机机头的４个主汽门，在靠近主汽门的２路主蒸汽主管道上设有平衡压力的连通管；热再热蒸汽管道分别由锅炉再热器出口集箱双管接出，再分别接至汽轮机的左右侧中压联合汽门，在靠近中压联合汽门的２路管道上设有平衡压力的连通管；冷再热蒸汽由汽轮机高压缸排汽口双管接出，合成单管后接至炉前，在锅炉Ｋ１～Ｋ２轴之间再分成双管接入锅炉再热器进口集箱。工程设２７％ＢＭＣＲ容量的一级启动大旁路系统，汽轮机采用高压缸启动方式。高压旁路的入口管道由主蒸汽压力平衡连通管接出，经高压旁路阀后分２路分别接入２个凝汽器。高旁阀布置在１７ｍ运转层　·１２·华电技术第３０卷　表１　汽轮机主要参数汇总表ＴＲＬ工况Ｔ－ＭＣＲ工况ＶＷＯ工况ＴＨＡ工况功率／ＭＷ１０００．０１０４４．１１０８３．５１０００．０主蒸汽压力／ＭＰａ（ａ）２５．０２５．０２５．０２５．０再热蒸汽压力／ＭＰａ（ａ）４．４５４．４７４．６８４．２５主蒸汽温度／℃６００．０６００．０６００．０６００．０再热蒸汽温度／℃６００．０６００．０６００．０６００．０主蒸汽流量／（ｋｇ·ｈ－１）２８８８５３３２８８８５３３３０３２９６０２７３３４３４再热蒸汽流量／（ｋｇ·ｈ－１）２３４７０７３２３６１４９０２４６９６７３２２４５５２６高压缸排汽压力／ｋＰａ（ａ）４．９４４．９７５．２０４．７３低压缸排汽压力／ｋＰａ（ａ）１１．３／１２．３４．５／５．７４．５／５．７４．５／５．７低压缸排汽流量／（ｋｇ·ｈ－１）１６１２６０２１６２００６２１６８３０７４１５５０７５６补给水率／％３０００下方、８．６ｍ中间层上方，采用角式旁路且水平布置。高压缸排汽通风阀（ＶＶ阀）有关管道由＃４高压导汽管接出，经ＶＶ阀后接至凝汽器。１．２．２　主给水系统给水系统采用单元制。每台机组主给水系统配置２台５０％容量的汽动给水泵，１台２５％容量的电动调速给水泵作为启动和备用泵，各给水泵前均设有前置泵。在＃１高压加热器出口、省煤器进口的给水管路上设有电动闸阀并设有１５％ＢＭＣＲ容量的启动调节旁路，在旁路管道上装有气动控制阀。系统设置双列、三级、６台５０％容量的高压加热器，每列高压加热器均各自采用电动闸阀大旁路系统。高压加热器分成双列布置在除氧框架１７ｍ运转层上。汽动给水泵汽轮机正常工作汽源来自主汽轮机四级抽汽，备用汽源来自主汽轮机高压缸排汽。小汽轮机排汽进入主凝汽器。机组正常运行时，２台汽动给水泵并联运行，单台汽动给水泵可供给锅炉５５％ＢＭＣＲ的给水量；单台电动调速给水泵可供给锅炉２７％ＢＭＣＲ的给水量。２　系统管道设计参数的确定及管道材料的选择主蒸汽系统及主给水系统４大管道（指主蒸汽管道、高温和低温再热蒸汽管道、高压给水管道）的设计流量均按汽轮机ＶＷＯ工况下所对应的流量选取。２．１　主蒸汽管道２．１．１设计压力的选取按ＤＬ／Ｔ５０５４－１９９６《火力发电厂汽水管道设计技术规定》要求［１］，主蒸汽系统管道的设计压力取用锅炉过热器出口的额定工作压力即为２６．２５ＭＰａ（ａ）。国外规程对主蒸汽管道的设计压力选取各有差异，美国ＡＳＭＥ规范、英国ＢＳ８０６标准、德国ＴＲＤ－３００标准以及美国ＥＢＡＳＣＯ公司的标准设计准则均要求主蒸汽管道取用的设计压力大于过热器出口压力。三菱公司设计的主蒸汽管道的设计压力与过热器出口集箱设计压力相同，取为过热器出口压力的１．０５倍。根据中国电力工程顾问集团公司于２００５年６月２９日至６月３０日在长春主持召开的《超临界和超超临界４大管道规格设计专题研讨会纪要》的要求，“４大管道设计参数和超超临界机组主蒸汽管道的设计压力按锅炉最大连续蒸发量下过热器出口的工作压力加５％余量选取；其他管道的设计参数按ＤＬ／Ｔ５０５４－１９９６《火力发电厂汽水管道设计技术规定》执行。”主蒸汽管道设计压力取过热器出口压力的１．０５倍，即为２７．４６ＭＰａ（ｇ）。２．１．２　设计温度的选取主蒸汽系统管道的设计温度选取锅炉过热器出口额定主蒸汽温度６０５℃加锅炉正常运行时允许温度正偏差５℃，即６１０℃。高压旁路阀前管道设计参数同主蒸汽管道，阀后管道设计参数为１．６ＭＰａ（ｇ），２５０℃。２．１．３　管道材料的选择国外用于运行参数为２５～３０ＭＰａ、６００℃／６００℃等级机组的高温蒸汽管道材料有Ａ３３５Ｐ９１，Ａ３３５Ｐ９２，Ａ３３５Ｐ１２２，Ｅ９１１，其均有用于不大于６１０℃主蒸汽管道的运行业绩。上述钢种均属于调质状态下使用的９％～１２％Ｃｒ回火马氏体钢，是在相同的思路下研制开发的，它们具有相似的基本特点。　第２期陈瑞克：超超临界机组汽水系统的设计特点分析·１３·　　　（１）Ｐ９１。ＡＳＭＥ认证，技术成熟、来源广泛、应用最多，但用于６００℃参数，已达其温度使用极限，并且管壁较厚，管系对设备的推力、力矩均较大。（２）ＨＣＭ１２Ａ（Ｐ１２２）。日本钢种，ＡＳＭＥ认证，强度与Ｐ９２接近，２０００年以后在日本开始应用，其抗氧化性能优于９％Ｃｒ钢，但焊接性能差于９％Ｃｒ钢。（３）Ｅ９１１。欧洲钢种，强度介于Ｐ９１与Ｐ９２之间，目前只在欧洲得到应用。（４）Ｐ９２。Ｐ９２钢在Ｐ９１钢的基础上加入１．５％～２％的Ｗ，降低了Ｍｏ含量，从而大大增强了固溶强化的效果，具有更高的许用应力，使用温度则可达到６２０℃。Ｔ９２／Ｐ９２的焊接工艺与９％～１２％Ｃｒ的铁素体钢焊接工艺相同，Ｔ９１／Ｐ９１材料焊接技术可以直接运用于Ｔ９２／Ｐ９２，而我国近１０年来，在３００ＭＷ及以上机组的主蒸汽管道上已大量使用Ｐ９１管材，基本掌握了Ｐ９１钢的焊接工艺。经过技术经济比较，主蒸汽管道材质最终确定为Ａ３３５Ｐ９２。然而，材料在高温下长期运行会发生蠕变、疲劳、腐蚀和组织变化，导致材料性能随时间变化。组织演变引起材料性能恶化，通常需要很长时间。一种新材料须经过长时间的试验和运行考核，才能验证是否成功。关于材料许用应力的值，在材料使用初期，试验未能达到１０５ｈ的时候，用各种外推的方法得到的数据，会由于试验数据的积累而发生一些变化。如Ｐ１２２的高温许用应力值在近年有较大的降低；而对于Ｐ９２材料（Ｅ９１１也同样），欧洲蠕变研究协会ＥＣＣＣ在１９９９年和２００５年的标准中，许用应力的数值比ＡＳＭＥ标准又有所降低，使用时必须注意，应加强管道的蠕胀监测。２．２　再热热段蒸汽管道２．２．１　设计压力的选取按ＤＬ／Ｔ５０５４－１９９６《火力发电厂汽水管道设计技术规定》的要求，热再热蒸汽管道系统的设计压力为ＶＷＯ工况热平衡图中汽轮机高压缸排汽压力的１．１５倍或锅炉再热器出口安全阀动作的最低整定压力。该工程ＶＷＯ工况汽轮机高压缸排汽压力为５．２ＭＰａ（ａ），其１．１５倍为５．９６５ＭＰａ（ａ）；再热器出口安全阀起座压力５．７／５．８５ＭＰａ（ｇ）（回座压力５．４７／５．６２ＭＰａ（ｇ））。管道设计时考虑到再热器出口安全阀起座压力有可能调整，且５．７／５．８５ＭＰａ（ｇ）与５．９６５ＭＰａ（ａ）相差不大，再热热段蒸汽管道的设计压力取值为５．９６５ＭＰａ（ａ），即５．８６４ＭＰａ（ｇ）。２．２．２　设计温度的选取热再热蒸汽管道系统的设计温度取锅炉再热器出口额定再热蒸汽温度６０３℃加锅炉正常运行时的允许温度正偏差５℃，即６０８℃。２．２．３　管道材料的选择尽管Ｐ９１的推荐使用温度不大于６００℃，但国外已投运蒸汽参数不大于６１０℃机组的热再热蒸汽管道大多采用Ｐ９１材料。对于再热热段管道，虽然蒸汽温度较高，但由于压力低，Ｐ９１还是可以运用的。热再热蒸汽管道材质最终确定为Ａ３３５Ｐ９１。不过在运行中要加强管道的监测以保证机组的安全运行。２．３　再热冷段蒸汽管道２．３．１　设计压力的选取按ＤＬ／Ｔ５０５４－１９９６《火力发电厂汽水管道设计技术规定》的要求，冷再热蒸汽系统管道的设计压力取机组ＶＷＯ工况热平衡图中汽轮机高压缸排汽压力的１．１５倍，即５．９６５ＭＰａ（ａ）。２．３．２　设计温度的选取按ＤＬ／Ｔ５０５４－１９９６《火力发电厂汽水管道设计技术规定》的要求，冷再热蒸汽管道的系统的设计温度取ＶＷＯ工况热平衡图中汽轮机高压缸排汽参数等熵求取在管道设计压力下相应的温度，经计算为３７７℃（ＶＷＯ工况下的工作温度为３５６．２℃）。根据ＤＬ／Ｔ５０５４－１９９６《火力发电厂汽水管道设计技术规定》的条文说明，如果汽轮机在运行方式上有特殊要求，而使低温再热蒸汽管道内介质温度超过了上述方法选取的数值时，制造厂则应选取管内可能出现的最高温度作为该管道的设计温度。该工程高压缸排汽报警温度为３９０℃，跳闸停机温度为４１０℃。再热冷段蒸汽管道的设计温度为４１０℃。２．３．３　管道材料的选择Ａ６７２Ｂ７０ＣＬ３２电熔焊钢管的最高允许使用温度为４２７℃，并在国内３００ＭＷ及以上机组的再热冷段管道上大量采用，再热冷段管道最终采用Ａ６７２Ｂ７０ＣＬ３２电熔焊钢管。２．４　高压给水管道２．４．１　设计压力的选取按ＤＬ／Ｔ５０５４－１９９６《火力发电厂汽水管道设计技术规定》要求：主给水泵出口至关断阀的管道，设计压力取