隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平的不斷提高和社會主義市場經(jīng)濟(jì)體制的不斷完善,在電力市場中也進(jìn)行了市場化改革,電廠的利潤空間因為市場競爭機(jī)制的引入而被壓縮,如何在市場競爭環(huán)境下提高電廠的效益,成為電廠行業(yè)面臨的最重要的一個問題,四大管道作為電廠的重要高溫高壓管道,其材料的選擇以及安裝的質(zhì)量直接影響到火電廠發(fā)電機(jī)組的運行效率,而且還關(guān)系到火電廠的生產(chǎn)安全,本文從管道材料的本質(zhì)出發(fā),結(jié)合火電廠運行過程中的實際,對火力發(fā)電廠四大管道材料的選擇及配管進(jìn)行研究和探討。
火力發(fā)電廠四大管道包括:主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道、低溫再熱蒸汽管道及高壓給水管道。這四大管系統(tǒng)和火力發(fā)電機(jī)共同組成了火力發(fā)電廠的火力發(fā)電系統(tǒng),可以說是除了火力發(fā)電機(jī)外火力發(fā)電廠最重要的設(shè)備。本文將對火力發(fā)電廠的管道系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行系統(tǒng)闡述。
在火力發(fā)電企業(yè),隨著市場化競爭機(jī)制的引入和低碳經(jīng)濟(jì)的普及推廣,對管道材料的機(jī)械性能和耐高溫性能都提出了更高的要求,而且在火力發(fā)電廠的建設(shè)過程中,火力發(fā)電機(jī)所占的資源并不多,反而是與之相配套的四大管道系統(tǒng)的建設(shè)在火力發(fā)電廠的建設(shè)投資中占有相當(dāng)大的比重,管道的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)不僅可以提高管材的利用率和可靠性,而且可以最大限度的提高工程施工進(jìn)度,并降低施工建設(shè)成本。
目前在火力發(fā)電領(lǐng)域常用的管道材料主要有兩種,一種是珠光體耐熱鋼,另一種是高強度馬氏體耐熱鋼。珠光體耐熱鋼是一種鋼含量比較高的耐熱鋼材,主要依靠鋼材自身的耐熱性質(zhì)保證管道質(zhì)量,高強度馬氏體耐熱鋼則是一種合金鋼,是專門為火力發(fā)電廠的管道系統(tǒng)設(shè)計的管道鋼材,在這種合金鋼中含有大量的Cr元素,鋼材的抗氧化能力極強,能夠適應(yīng)的工作溫度也較珠光體耐熱鋼高,而且高強度馬氏體耐熱鋼,在高溫狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強度遠(yuǎn)勝于珠光體耐熱鋼。
主蒸汽管道是連接蒸汽輪機(jī)和火力發(fā)電機(jī)的主管道,是將能源燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能的連接通道,所以在主蒸汽管道中的蒸汽壓力和蒸汽的溫度都極高,對主蒸汽管道的結(jié)構(gòu)強度、耐高溫能力,以及在高溫狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強度變化都有嚴(yán)格的要求。在改革開放初期,我國的鋼產(chǎn)量極大,但是火電領(lǐng)域用的特種鋼材生產(chǎn)廠家卻極少,而且特種鋼材的質(zhì)量也一直不如人意,早期的300MW亞臨界機(jī)組工程主蒸汽管道多采用A335P22管材,在低溫狀態(tài)下這一鋼材的表現(xiàn)較為穩(wěn)定,但是隨著溫度的升高的鋼材的結(jié)構(gòu)強度就開始出現(xiàn)下降,A335P22鋼材的這一特性就導(dǎo)致了在同等壓力和溫度條件下,要想保證管道的正常運行就需要增加管道壁的厚度,以300MW亞臨界機(jī)組為例,如果主管道內(nèi)徑為368mm采用A335P22時,為了適應(yīng)機(jī)組在最高產(chǎn)能下的高溫和高壓,管道壁的厚度不能小于66mm;
而同等的溫度和壓力下采用最新型的A335P91的話,管道壁的厚度約為36mm。管道壁的薄厚比為1:0.46,管道的總重比為2:1.當(dāng)前市場條件下兩種管材的價格比為0.8:1,如果一個火力發(fā)電廠的建設(shè)需要100t管道鋼材,使用新型鋼材就可以減重35t,管材購置費用減少120萬元。在火力發(fā)電廠的建設(shè)過程中,使用新型管材不僅節(jié)約了管道施工成本,隨著管道重量的減輕,相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)的承重標(biāo)準(zhǔn)也能夠下調(diào),節(jié)約建筑施工成本,而且管道重量的減輕對相應(yīng)的配套設(shè)施的應(yīng)力作用降低,提高了整個機(jī)組運行的穩(wěn)定性[1]。
相對于主蒸汽管道來說,高溫再熱蒸汽管道承受的壓力并不大,所以在管道建設(shè)過程中一般都采用大直徑薄管壁的形式,既保證了高溫蒸汽的通過性,又保證了工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性,但是就管道的管材選擇而言,因為管道內(nèi)溫度和壓力比較低,如果運用新型的A335P91型管材的話,想達(dá)到合理利用的程度,管道壁就需要做的很薄,這就給生產(chǎn)廠家的加工工藝提出過高的要求,而且在管道運行過程中也不利于管道的維護(hù),所以在高溫再熱蒸汽管道這樣的條件下,建議使用A335P22管材,因為用這樣的管材管壁厚度可以適當(dāng)加厚,對管道的安全性有好處[2]。
從實質(zhì)上來說低溫再熱蒸汽管道,已經(jīng)處于整個火力發(fā)電系統(tǒng)中的第二回路了,高溫蒸汽在推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動一次后進(jìn)入低溫再熱蒸汽管道時,蒸汽的溫度和壓力都已經(jīng)下降到一個安全的程度,實際上已經(jīng)不需要考慮蒸汽溫度和蒸汽壓力對管材的影響,只需要考慮管材本身的安全性和抗氧化性就可以了,所以在這一管道上建議使用20號無縫鋼管[3]。
高壓給誰管道是渦輪發(fā)電機(jī)的主要水入口,因為渦輪發(fā)電機(jī)的鍋爐部分本身蒸汽壓力極大,給水管道中的水壓力要更大才能將水送入鍋爐中,所以給水管道要考慮的問題并不涉及到高溫問題,只涉及到極大的水壓問題,所以在高壓給水管道的管材選擇上建議使用15NiCu-MoNb5-6-4材料,這一材料就是高壓給水管的主要材料,材料特性就是抗壓性極高,十分適合高壓給水管的工作狀態(tài)。
15NiCu-MoNb5-6-4材料不光在抗壓性能上表現(xiàn)出色,而且在經(jīng)濟(jì)性上也有較大優(yōu)勢,與傳統(tǒng)高壓給水管道的材料20G相比,管材20G與15NiCu-MoNb5-6-4在價格比上約為1:2.6,但是在材料的承壓能力上15NiCu-MoNb5-6-4要優(yōu)秀很多,與20G面對相同的管道壓力時,管道壁厚度比為58%,管道總重比為1:3,所以在高壓給水管道的選擇上,15NiCu-MoNb5-6-4無論是在管道性能上還是在管道材料的經(jīng)濟(jì)性上都是極佳的選擇[4]。
配合工廠化加工是火力發(fā)電廠等工藝復(fù)雜的大型企業(yè),在建設(shè)過程中必須要考慮的問題,因為火力發(fā)電廠這樣的大型企業(yè)建設(shè)過程中,對所需要的管道管材和相關(guān)的管材加工工藝都是要求很高的,其中的很多設(shè)備和管材還需要專門定制,所以在火電廠建設(shè)的過程中必須要考慮到工廠的加工流程,并結(jié)合工廠加工過程和現(xiàn)場施工的要求對管道的實際安裝進(jìn)行調(diào)整。
首先,設(shè)計院根據(jù)管材供應(yīng)商所提供的工程管材規(guī)范進(jìn)行管道計算設(shè)計,確定最終的管道布置、各個管件及吊架位置,并將完成的設(shè)計圖提供給配管廠進(jìn)行設(shè)計,設(shè)計圖到配管廠后,配管廠結(jié)合自身的技術(shù)條件和管道的安裝特點,對管道材料進(jìn)行分割和焊接設(shè)計,將整個管道的基本框架勾畫出來,并且在設(shè)計圖上標(biāo)識出來的支撐點和吊裝點預(yù)留相應(yīng)的支撐、吊裝位置,在需要現(xiàn)場焊接的位置預(yù)留接口,一系列設(shè)計完成之后。
配管廠將相應(yīng)的設(shè)計圖紙分別發(fā)給業(yè)主、設(shè)計院、施工單位,由這三方面來進(jìn)行基于自己理解的審查,在這一過程中業(yè)主由于是主要出資人,在對配管廠的配管設(shè)計圖進(jìn)行審查時,主要考慮的就是這一配管設(shè)計是否符合自身進(jìn)行管道建設(shè)的初衷,是否滿足了設(shè)備運行對管道的性能需要;設(shè)計院作為工程監(jiān)理部門是政府安全管理的職能部門,在對配管設(shè)計圖的審查中主要是從工程學(xué)的角度,對管道的設(shè)計和設(shè)計相關(guān)的管材是否符合國家安全標(biāo)準(zhǔn),是否能夠保證相關(guān)企業(yè)的安全生產(chǎn)進(jìn)行評估;
施工單位因為是整個管道施工過程的承包商,是管道施工的執(zhí)行者,所以對配管設(shè)計圖也是有建議權(quán)的,其最關(guān)注的就是管道的設(shè)計會對現(xiàn)場施工造成的影響,配管設(shè)計圖和施工單位自己的施工設(shè)計圖有無沖突等等,而業(yè)主、設(shè)計院和施工單位作為三個行為主體,在整個施工過程中有不同的利益訴求,所以在完成個自對配管設(shè)計圖的審查后,還是需要坐在一起進(jìn)行討論和協(xié)商的。直到三方達(dá)成妥協(xié)形成一個共同的對配管設(shè)計圖的建議,配管廠根據(jù)建議對圖紙進(jìn)行修改并獲得三方首肯之后,業(yè)主根據(jù)最終的配管設(shè)計圖進(jìn)行管材訂貨,由材料供應(yīng)商將材料發(fā)往配管廠進(jìn)行加工,最終將加工好的成品運到施工現(xiàn)場進(jìn)行安裝。
配管設(shè)計安裝過程是一種系統(tǒng)化操作過程,其設(shè)計和安裝的主要依據(jù)是設(shè)計院提供的圖紙資料,為了避免在施工過程中出現(xiàn)因設(shè)計圖紙與實際安裝位置誤差過大而導(dǎo)致的施工問題,設(shè)計院在進(jìn)行圖紙設(shè)計的過程中,要充分考慮施工的地形條件,合理的運用施工地形的優(yōu)勢對施工設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化,由于在管道的定制過程中,管道的上輸水以及熱控點管座都是在工廠生產(chǎn)過程中整體焊接完成的,所以現(xiàn)場施工過程中管道的基座數(shù)量和位置相當(dāng)重要,尤其是不同壓力、溫度的測控點,其設(shè)置不僅要考慮火力機(jī)組正常運行時的需要,還要考慮機(jī)組運行的極限狀況,盡量避免因為施工疏漏而導(dǎo)致的在現(xiàn)場對管道進(jìn)行開孔焊接的情況。
火力發(fā)電廠的建設(shè)是關(guān)系到國計民生的大事,在建設(shè)的過程中要堅持科學(xué)性和系統(tǒng)性的指導(dǎo)原則,對四大管道的材料選擇和配管工作要堅持一切從實際出發(fā)的原則,結(jié)合好火力發(fā)電項目的安全性和經(jīng)濟(jì)性,建設(shè)好落實好火力發(fā)電項目。
[1]李彥萍.霍州電廠主蒸汽管道應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計[D].華北電力大學(xué),2013.
[2]陳劍鳴.三維汽水管道支吊架CAD軟件設(shè)計與實現(xiàn)[D].中山大學(xué),2013.
[3]陸建軍.110MW循環(huán)流化床機(jī)組主要系統(tǒng)及設(shè)備選型及優(yōu)化[D].華北電力大學(xué),2011.
[4]羅喜英.基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)的資源損失定量化研究[D].中南大學(xué),2012.