CN109404625B - 一种夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道，包括由内至外依次设置的管道内层壁、绝热层、管道中层壁、环形夹层、管道外层壁，所述管道内层壁、绝热层和管道中层壁组成管道复合壁；所述管道内层壁采用镍基合金制成，所述管道中层壁和管道外层壁采用P92钢或P91钢制成；所述绝热层采用耐高温绝热材料制成；蒸汽在管道内层壁构成的圆形管道中流动，冷却流体在环形夹层中流动，冷却流体的流动方向与蒸汽的流动方向相反。本发明采用镍基合金、耐高温绝热材料与P92或P91钢构成的多层壁以及环形夹层隔热与承压的管道结构替代全部镍基合金的单层壁管道，大幅度降低了660℃至760℃高温蒸汽管道的造价。
Description
技术领域
本发明涉及一种夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道，属于发电厂热力系统技术领域。
背景技术
对于蒸汽温度范围为660℃至760℃、蒸汽压力范围为1MPa至45MPa、发电机组功率范围为300MW至1500MW的高温蒸汽管道，其工作温度超过620℃。制造与焊接性能好的P92钢的工作温度的上限为620℃，P91钢的工作温度的上限为600℃，这两种钢管无法在蒸汽温度为660℃至760℃的高温蒸汽管道上使用。
660℃至760℃高温蒸汽管道的现有技术方案，是采用镍基合金单层壁管道结构。采用镍基合金制造660℃至760℃高温蒸汽管道，面临两大技术难题：一是镍基合金高温蒸汽管道的制造与焊接的技术难度大，造价昂贵；二是全球镍资源较少，难以大批量制造660℃至760℃高温蒸汽管道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以节省镍基合金的使用量，降低造价的660℃至760℃高温蒸汽管道。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道，其特征在于：包括由内至外依次设置的管道内层壁、绝热层、管道中层壁、环形夹层、管道外层壁，所述管道内层壁、绝热层和管道中层壁组成管道复合壁；
所述管道内层壁采用镍基合金制成，所述管道中层壁和管道外层壁采用P92钢或P91钢制成；所述绝热层采用耐高温绝热材料制成；
温度为660℃至760℃、压力为1MPa至45MPa的蒸汽在管道内层壁构成的圆形管道中流动，用于降低管道复合壁的内外压差的冷却流体在环形夹层中流动，冷却流体的流动方向与蒸汽的流动方向相反。
优选地，所述660℃至760℃高温蒸汽管道适用于蒸汽温度范围为660℃至760℃、蒸汽压力范围为1MPa至45MPa、发电机组功率范围为300MW至1500MW的工况。
优选地，所述环形夹层内设有用于防止管道中层壁与管道外层壁相接触的非整圈环形垫块；沿环形夹层中心线每隔5m至15m设置一个非整圈环形垫块；
每个非整圈环形垫块由2～4个弧形垫块均匀布置于环形夹层内组成，相邻弧形垫块之间设有间隙；弧形垫块由P92钢或P91钢制成。
优选地，所述非整圈环形垫块的内直径为管道中层壁的外直径D3，非整圈环形垫块的外直径为管道外层壁的内直径D4，非整圈环形垫块沿圆周方向的宽度为15mm至40mm，非整圈环形垫块沿轴向的长度为20mm至50mm。
优选地，所述冷却流体由发电厂内部系统或外部系统提供，以一段或多段进入和流出所述环形夹层，管道中层壁与管道外层壁之间的环形夹层流过冷却流体使管道复合壁与管道外层壁承压，以降低管道复合壁的内外压差；所述冷却流体包括但不限于过热蒸汽、超临界二氧化碳、氦气。
优选地，所述冷却流体的流速为0.3m/s至15m/s，所述冷却流体的流量为蒸汽流量的0.3％至5％。
优选地，所述660℃至760℃高温蒸汽管道为主蒸汽管道、一次再热蒸汽管道或二次再热蒸汽管道；
当冷却流体采用过热蒸汽时：
针对主蒸汽管道，冷却流体采用的过热蒸汽取自锅炉过热器的进口集箱，离开环形夹层的过热蒸汽进入锅炉过热器的与其温度最相近的集箱；冷却流体所吸收的热量可以利用；
针对一次再热蒸汽管道，冷却流体采用的过热蒸汽取自汽轮机超高压缸的排汽，离开环形夹层的过热蒸汽进入锅炉一次再热器与其温度最相近的集箱；冷却流体所吸收的热量可以利用；
针对二次再热蒸汽管道，冷却流体采用的过热蒸汽取自汽轮机高压缸的排汽，离开环形夹层的过热蒸汽进入锅炉二次再热器的与其温度最相近的集箱；冷却流体所吸收的热量可以利用；
当夹层承压流体采用超临界二氧化碳或氦气时，超临界二氧化碳或氦气由外部系统提供，离开环形夹层的超临界二氧化碳或氦气温度升高，用于驱动二氧化碳透平或氦气透平发电。
优选地，所述冷却流体从汽轮机的进汽阀处流向锅炉出口集箱处；
在660℃至760℃主蒸汽管道的环形夹层，冷却流体从汽轮机超高压缸的进汽阀处流向锅炉末级过热器的出口集箱处；
在660℃至760℃一次再热蒸汽管道的环形夹层，冷却流体从汽轮机高压缸的进汽阀处流向锅炉一次再热器的出口集箱处；
在660℃至760℃二次再热蒸汽管道的环形夹层，冷却流体从汽轮机中压缸的进汽阀处流向锅炉末级二次再热器的出口集箱处。
优选地，已知冷却流体的进口温度，采用传热计算方法确定冷却流体的出口温度，管道中层壁与管道外层壁采用P92钢时冷却流体的出口温度不超过620℃，管道中层壁与管道外层壁采用P91钢时冷却流体的出口温度不超过600℃。
优选地，660℃至760℃高温蒸汽管道的出口蒸汽温度为汽轮机进口额定蒸汽温度，高温蒸汽管道的进口蒸汽温度为锅炉出口额定蒸汽温度，已知汽轮机进口额定蒸汽温度，采用传热计算方法确定锅炉出口额定蒸汽温度；
优选地，660℃至760℃高温蒸汽管道的出口蒸汽压力为汽轮机进口额定蒸汽压力，高温蒸汽管道的进口蒸汽压力为锅炉出口额定蒸汽压力，已知汽轮机进口额定蒸汽压力，采用管道沿程压损计算公式确定锅炉出口额定蒸汽压力；
优选地，依据管道内层壁内蒸汽流量和流速范围为40m/s至60m/s的限制，确定管道内层壁的内直径D1；依据进口蒸汽温度和管道复合壁内外表面的最大压差，确定管道内层壁的厚度δ1、绝热层的厚度δ2与管道中层壁的厚度δ3；
管道内层壁用于承受高温，管道内层壁的厚度δ1为5mm至15mm；管道内层壁的外直径D2＝D1+2δ1；
绝热层用于隔热，绝热层紧贴管道内层壁和管道中层壁，绝热层的厚度δ2为5mm至20mm；
管道中层壁用于防止绝热层受潮，管道中层壁的温度不超过620℃，管道中层壁的厚度δ3为3mm至15mm；管道中层壁的外直径D3＝D2+2δ2+2δ3；
管道外层壁用于承压，冷却流体的压力应接近、等于或略高于管道内层壁中高温蒸汽的压力；依据冷却流体的进口压力与出口温度，确定管道外层壁的厚度，管道外层壁的厚度δ4为3mm至80mm；管道外层壁的内直径D4大于管道中层壁的外直径D3，依据冷却流体的流速和流量确定管道外层壁的内直径D4；管道外层壁的外直径D5＝D4+2δ4。
优选地，所述管道外层壁的外表面设置保温层，保温层紧贴管道外层壁的外表面。
优选地，所述保温层外表面设置用于防水、防潮、抗大气腐蚀的保护层，保护层由铝合金薄板、不锈钢薄板或镀锌薄钢板制成，保护层的厚度为0.3mm至1.0mm。
本发明提供的装置克服了现有技术的不足，对于蒸汽温度的范围为660℃至760℃、蒸汽压力的范围为1MPa至45MPa的高温蒸汽管道，采用镍基合金、耐高温绝热材料与P92或P91钢构成的多层壁以及环形夹层隔热与承压的管道结构替代全部镍基合金的单层壁管道，管道内层壁采用少量镍基合金制造，管道中层壁采和管道外层壁采用P92钢或P91钢，环形夹层隔热与承压，大幅度降低了660℃至760℃高温蒸汽管道的造价。
附图说明
图1为夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道布置示意图；
图2为实施例1中夹层隔热与承压的660℃至760℃主蒸汽管道横截面示意图；
图3为实施例2中夹层隔热与承压的660℃至760℃一次再热蒸汽管道横截面示意图；
图4为实施例3中夹层隔热与承压的660℃至760℃二次再热蒸汽管道横截面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
某型号1000MW二次再热发电机组，汽轮机超高压缸进口额定主蒸汽温度为700℃，额定主蒸汽压力为35MPa，主蒸汽流量为2402.54t/h，两根700℃主蒸汽管道布置如图1所示，700℃主蒸汽管道4位于锅炉过热器3与汽轮机超高压缸7之间，单根主蒸汽管道的流量为1201.27t/h。该主蒸汽管道采用多层壁管道结构的横截面如图2所示，多层壁管道由管道内层壁10、绝热层11、管道中层壁12、环形夹层13、非整圈环形垫块14、管道外层壁15、保温层16与保护层17组成。
700℃主蒸汽管道4采用多层壁结构，由管道内层壁10、管道中层壁12和管道外层壁15组成，管道内层壁10采用CCA617镍基合金，管道中层壁12采用P92钢，管道外层壁15采用P92钢。
700℃主蒸汽管道4的管道内层壁10与管道中层壁12之间设置绝热层11，由管道内层壁10、绝热层11与管道中层壁12构成主蒸汽管道4的管道复合壁，绝热层11采用耐1000℃高温的绝热材料硅酸铝管壳制品。
700℃主蒸汽在管道内层壁10构成的圆形管道中流动，依据主蒸汽流量1201.27t/h和管内流速的范围为40m/s至60m/s的限制，确定管道内层壁10的内直径D1为315mm，对应的管内流速为48.20m/s。
700℃主蒸汽管道4的管道中层壁12与管道外层壁15之间的环形夹层13流过冷却流体使管道复合壁与管道外层壁承压，以降低管道复合壁的内外压差，冷却流体的压力接近、等于或略高于管道内层壁10中主蒸汽压力，冷却流体可以是过热蒸汽、超临界二氧化碳、氦气等，但不限于此，也可以采用其他工质作为冷却流体。
700℃主蒸汽管道4的冷却流体采用的过热蒸汽，取自锅炉过热器3的进口集箱，冷却流体的进口压力为36.04MPa，冷却流体的进口温度为470℃，离开环形夹层13的过热蒸汽，进入锅炉过热器3的蒸汽温度相近的集箱，冷却流体所吸收的热量可以利用。
700℃主蒸汽管道4的环形夹层13的冷却流体的流动方向，与主蒸汽的流动方向相反，在700℃主蒸汽管道4的环形夹层13，冷却流体从汽轮机超高压缸7的进汽阀处流向锅炉过热器3的出口集箱处。
700℃主蒸汽管道4的冷却流体由发电厂内部系统提供，以一段或多段进入和流出700℃主蒸汽管道4的环形夹层13。
已知700℃主蒸汽管道4的冷却流体的进口温度470℃，采用传热计算方法确定冷却流体的出口温度为490.8℃，冷却流体的出口温度不超过620℃。
700℃主蒸汽管道4的出口蒸汽温度为汽轮机超高压缸7进口额定主蒸汽温度700℃，主蒸汽管道4的进口蒸汽温度为锅炉过热器3出口额定蒸汽温度，已知汽轮机超高压缸7进口额定蒸汽温度700℃，采用传热计算方法确定锅炉过热器3出口额定蒸汽温度704.2℃。
700℃主蒸汽管道4的出口蒸汽压力为汽轮机超高压缸7进口额定主蒸汽压力35MPa，主蒸汽管道4的进口蒸汽压力为锅炉过热器3出口额定蒸汽压力，已知汽轮机超高压缸7进口额定蒸汽压力35MPa，采用管道沿程压损计算公式确定锅炉过热器3出口额定蒸汽压力36.75MPa。
依据700℃主蒸汽管道4的进口蒸汽温度704.2℃和管道复合壁的内外表面最大压差1.04MPa，确定管道内层壁10的厚度δ1、绝热层11的厚度δ2与管道中层壁12的厚度δ3；
700℃主蒸汽管道4的管道内层壁10的主要功能是承受高温，管道内层壁10的厚度δ1的范围为5mm至15mm，本实施例的管道内层壁10的厚度δ1为5mm。
700℃主蒸汽管道4的绝热层11的主要功能是隔热，绝热层11紧贴管道内层壁10和管道中层壁12，绝热层的厚度δ2的范围为5mm至20mm，本实施例的绝热层11的厚度δ2为15mm。
700℃主蒸汽管道4的管道中层壁12的主要功能是防止绝热层11受潮，采用P92钢时管道中层壁12的温度不超过620℃，采用P91钢时管道中层壁12的温度不超过600℃，管道中层壁的厚度δ3的范围为3mm至15mm，本实施例管道中层壁12内表面壁温为498.9℃，管道中层壁12的厚度δ3为10mm。
700℃主蒸汽管道4的管道内层壁10的外直径D2为管道内层壁10的内直径D1与2倍管道内层壁10的厚度δ1之和，即D2＝D1+2δ1＝315+2×5＝325mm。
700℃主蒸汽管道4的管道中层壁12的外直径D3为管道内层壁10的外直径D2与2倍绝热层11的厚度δ2以及2倍管道中层壁12的厚度δ3之和，即D3＝D2+2δ2+2δ3＝325+2×15+2×10＝375mm。
700℃主蒸汽管道4的环形夹层13的冷却流体的流速的范围为0.3m/s至15m/s，环形夹层13冷却流体的流量取主蒸汽流量的范围为0.3％至5％，本实施例的环形夹层13的冷却流体的流速为1.93m/s，对应冷却流体的流量10t/h为主蒸汽流量的0.83％。
700℃主蒸汽管道4的管道外层壁15的内直径D4大于管道中层壁12的外直径D3，依据环形夹层13的冷却流体的流速1.93m/s和流量10t/h确定管道外层壁15的内直径D4＝390mm。依据冷却流体的进口压力36.02MPa与出口温度490.8℃，确定700℃主蒸汽管道4的管道外层壁15的厚度，管道外层壁15的厚度δ4为70mm。
700℃主蒸汽管道4的管道外层壁15的外直径D5为管道外层壁15的内直径D4与2倍管道外层壁15的厚度δ4之和，即D5＝D4+2δ4＝390+2×70＝530mm。
在700℃主蒸汽管道4的管道中层壁12与管道外层壁15之间的环形夹层13，沿环形夹层13的中心线每隔10m，设置非整圈环形垫块14，在每一设置非整圈环形垫块14所在截面的沿圆周方向，非整圈环形垫块14数量取为4，非整圈环形垫块14的材料选取P92，以防止管道中层壁12与管道外层壁15相接触。
非整圈环形垫块14的内直径为管道中层壁12的外直径D3＝375mm，非整圈环形垫块14的外直径为管道外层壁15的内直径D4＝390mm，非整圈环形垫块14沿圆周方向宽度取为20mm，轴向长度取为30mm。
700℃主蒸汽管道4的管道外层壁15的外表面设置保温层16，保温层16紧贴管道外层壁15的外表面。
保温层16外表面设置保护层17，保护层17的材料选用铝合金薄板，保护层17的主要功能是防水、防潮、抗大气腐蚀，保护层17的厚度取为0.7mm。
本实施例中，对于一根主蒸汽管道，采用CCA617镍基合金与P92钢多层壁以及夹层隔热与承压的管道结构替代全部CCA617镍基合金的单层壁管道，可以节省CCA617镍基合金118.28t，多采用P92钢100.24t，多采用硅酸铝管壳制品1.9m3。CCA617镍基合金管道价格按照150万元/t计算，P92钢管道价格按照6万元/t计算，硅酸铝管壳制品价格按照2600元/m3计算，一根主蒸汽管道可以减少造价1.714亿元，一台机组两根主蒸汽管道可以减少造价3.428亿元。本实施例降低了700℃主蒸汽管道的造价。
实施例2
某型号1000MW二次再热发电机组，汽轮机高压缸进口额定一次再热蒸汽温度为720℃，额定一次再热蒸汽压力为11.16MPa，额定一次再热蒸汽流量为2020.38t/h，两根720℃一次再热蒸汽管道布置如图1所示，720℃一次再热蒸汽管道5位于锅炉一次再热器2与汽轮机高压缸8之间，单根一次再热蒸汽管道的流量为1010.19t/h。该一次再热蒸汽管道采用多层壁管道结构的横截面如图3所示，多层壁管道由管道内层壁18、绝热层19、管道中层壁20、环形夹层21、非整圈环形垫块22、管道外层壁23、保温层24与保护层25组成。
720℃一次再热蒸汽管道5采用多层壁结构，应由管道内层壁18、管道中层壁20和管道外层壁23组成，管道内层壁18采用CCA617镍基合金，管道中层壁20采用P92钢，管道外层壁23采用P92钢。
720℃一次再热蒸汽管道5的管道内层壁18与管道中层壁20之间设置绝热层19，由管道内层壁18、绝热层19与管道中层壁20构成一次再热蒸汽管道5的管道复合壁，绝热层19采用耐1000℃高温的绝热材料硅酸铝管壳制品。
720℃主蒸汽在管道内层壁18构成的圆形管道中流动，依据一次再热蒸汽流量1010.19t/h和管道流速的范围为40m/s至60m/s的限制，确定管道内层壁18的内直径D1为498mm，对应的管道流速为56.57m/s。
720℃一次再热蒸汽管道5的管道中层壁20与管道外层壁23之间的环形夹层21流过冷却流体使管道复合壁与管道外层壁承压，以降低管道复合壁的内外压差，冷却流体的压力接近、等于或略高于管道内层壁18中二次再热蒸汽压力，冷却流体可以是过热蒸汽、超临界二氧化碳、氦气等，但不限于此，也可以采用其他工质作为冷却流体。
720℃一次再热蒸汽管道5的冷却流体采用的过热蒸汽，取自汽轮机超高压缸的排汽，冷却流体的进口压力为12.4MPa，冷却流体的进口温度为516℃，离开环形夹层21的过热蒸汽，进入锅炉一次再热器2的蒸汽温度相近的集箱，冷却流体所吸收的热量可以利用。
720℃一次再热蒸汽管道5的环形夹层21的冷却流体的流动方向，与一次再热蒸汽的流动方向相反，在720℃一次再热蒸汽管道5的环形夹层21，冷却流体从汽轮机高压缸8的进汽阀处流向锅炉一次再热器2的出口集箱处。
720℃一次再热蒸汽管道5的冷却流体由发电厂内部系统提供，以一段或多段进入和流出720℃一次再热蒸汽管道5的环形夹层21。
已知720℃一次再热蒸汽管道5的冷却流体的进口温度516℃，采用传热计算方法确定冷却流体的出口温度为577.5℃，冷却流体的出口温度不超过620℃。
720℃一次再热蒸汽管道5的出口蒸汽温度为汽轮机高压缸8进口额一次再热定蒸汽温度720℃，一次再热蒸汽管道5的进口蒸汽温度为锅炉一次再热器2出口额定蒸汽温度，已知汽轮机高压缸8进口额定蒸汽温度720℃，采用传热计算方法确定锅炉一次再热器2出口额定蒸汽温度721.5℃。
720℃一次再热蒸汽管道5的出口蒸汽压力为汽轮机高压缸8进口额定一次再热蒸汽压力11.16MPa，一次再热蒸汽管道5的进口蒸汽压力为锅炉一次再热器2出口额定蒸汽压力，已知汽轮机高压缸8进口额定蒸汽压力11.16MPa，采用管道沿程压损计算公式确定锅炉一次再热器2出口额定蒸汽压力11.51MPa。
依据720℃一次再热蒸汽管道5的进口蒸汽温度721.5℃和管道复合壁的内外表面最大压差0.834MPa，确定管道内层壁18的厚度δ1、绝热层19的厚度δ2与管道中层壁20的厚度δ3；
720℃一次再热蒸汽管道5的管道内层壁18的主要功能是承受高温，管道内层壁18的厚度δ1的范围为5mm至15mm，本实施例的管道内层壁18的厚度δ1为5mm。
720℃一次再热蒸汽管道5的绝热层19的主要功能是隔热，绝热层19紧贴管道内层壁18和管道中层壁20，绝热层的厚度δ2的范围为5mm至20mm，本实施例的绝热层19的厚度δ2为15mm。
720℃一次再热蒸汽管道5的管道中层壁20的主要功能是防止绝热层19受潮，采用P92钢时管道中层壁20的温度不超过620℃，采用P91钢时管道中层壁20的温度不超过600℃，管道中层壁的厚度δ3的范围为3mm至15mm，本实施例管道中层壁20内表面壁温为587.1℃，管道中层壁20的厚度δ3为5mm。
720℃一次再热蒸汽管道5的管道内层壁18的外直径D2为管道内层壁18的内直径D1与2倍管道内层壁18的厚度δ1之和，即D2＝D1+2δ1＝498+2×5＝508mm。
720℃一次再热蒸汽管道5的管道中层壁20的外直径D3为管道内层壁18的外直径D2与2倍绝热层19的厚度δ2以及2倍管道中层壁20的厚度δ3之和，即D3＝D2+2δ2+2δ3＝508+2×15+2×5＝548mm。
720℃一次再热蒸汽管道5的环形夹层21的冷却流体的流速的范围为0.3m/s至15m/s，环形夹层21冷却流体的流量取主蒸汽流量的范围为0.3％至5％，本实施例的环形夹层21的冷却流体的流速为4.97m/s，对应冷却流体的流量10t/h为一次再热蒸汽流量的0.99％。
720℃一次再热蒸汽管道5的管道外层壁23的内直径D4大于管道中层壁20的外直径D3，依据环形夹层21的冷却流体的流速4.97m/s和流量10t/h确定管道外层壁23的内直径D4＝566mm。依据冷却流体的进口压力12.4MPa与出口温度577.5℃，确定720℃一次再热蒸汽管道5的管道外层壁23的厚度，管道外层壁23的厚度δ4为22mm。
720℃一次再热蒸汽管道5的管道外层壁23的外直径D5为管道外层壁23的内直径D4与2倍管道外层壁23的厚度δ4之和，即D5＝D4+2δ4＝566+2×22＝610mm。
在720℃一次再热蒸汽管道5的管道中层壁20与管道外层壁23之间的环形夹层21，沿环形夹层21的中心线每隔9m，设置非整圈环形垫块14，在每一设置非整圈环形垫块14所在截面的沿圆周方向，非整圈环形垫块14数量取为4，非整圈环形垫块14的材料选取P92，以防止管道中层壁20与管道外层壁23相接触。
非整圈环形垫块14的内直径为管道中层壁20的外直径D3＝548mm，非整圈环形垫块14的外直径为管道外层壁23的内直径D4＝566mm，非整圈环形垫块14沿圆周方向宽度取为25mm，轴向长度取为35mm。
720℃一次再热蒸汽管道5的管道外层壁23的外表面设置保温层24，保温层24紧贴管道外层壁23的外表面。
保温层24外表面设置保护层25，保护层25的材料选用铝合金薄板，保护层25的主要功能是防水、防潮、抗大气腐蚀，保护层25的厚度取为0.8mm。
本实施例中，对于一根一次再热蒸汽管道，采用CCA617镍基合金与P92钢多层壁以及夹层隔热与承压的管道结构替代全部CCA617镍基合金的单层壁管道，可以节省CCA617镍基合金70.87t，多采用P92钢46.31t，多采用硅酸铝管壳制品2.96m3。CCA617镍基合金管道价格按照150万元/t计算，P92钢管道价格按照6万元/t计算，硅酸铝管壳制品价格按照2600元/m3计算，一根一次再热蒸汽管道可以减少造价1.154亿元，一台机组两根一次再热蒸汽管道可以减少造价2.308亿元。本实施例实现新的技术效果是降低了720℃一次再热蒸汽管道的造价。
实施例3
某型号1000MW二次再热发电机组，汽轮机中压缸进口额定二次再热蒸汽温度为720℃，额定二次再热蒸汽压力为2.25MPa，额定二次再热蒸汽流量为1647.69t/h，两根720℃二次再热蒸汽管道布置如图1所示，720℃二次再热蒸汽管道6位于锅炉二次再热器1与汽轮机中压缸8之间，单根二次再热蒸汽管道的流量为823.845t/h。该二次再热蒸汽管道采用多层壁管道结构的横截面如图4所示，多层壁管道由管道内层壁26、绝热层27、管道中层壁28、环形夹层29、非整圈环形垫块30、管道外层壁31、保温层32与保护层33组成。
720℃二次再热蒸汽管道6采用多层壁结构，应由管道内层壁26、管道中层壁28和管道外层壁31组成，管道内层壁26采用CCA617镍基合金，管道中层壁28采用P92钢，管道外层壁31采用P92钢。
720℃二次再热蒸汽管道6的管道内层壁26与管道中层壁28之间设置绝热层27，由管道内层壁26、绝热层27与管道中层壁28构成二次再热蒸汽管道6的管道复合壁，绝热层27采用耐1000℃高温的绝热材料硅酸铝管壳制品。
720℃二次再热蒸汽在管道内层壁26构成的圆形管道中流动，依据二次再热蒸汽流量823.845t/h和管道流速的范围为40m/s至60m/s的限制，确定管道内层壁26的内直径D1为1006mm，对应的管道流速为57.49m/s。
720℃二次再热蒸汽管道6的管道中层壁28与管道外层壁31之间的环形夹层29流过冷却流体使管道复合壁与管道外层壁承压，以降低管道复合壁的内外压差，冷却流体的压力接近、等于或略高于管道内层壁26中二次再热蒸汽压力，冷却流体可以是过热蒸汽、超临界二氧化碳、氦气等，但不限于此，也可以采用其他工质作为冷却流体。
720℃二次再热蒸汽管道6的冷却流体采用的过热蒸汽，取自汽轮机高压缸的排汽，冷却流体的进口压力为2.5MPa，冷却流体的进口温度为465℃，离开环形夹层29的过热蒸汽，进入锅炉二次再热器1的蒸汽温度相近的集箱，冷却流体所吸收的热量可以利用。
720℃二次再热蒸汽管道6的环形夹层29的冷却流体的流动方向，与二次再热蒸汽的流动方向相反，在720℃二次再热蒸汽管道6的环形夹层29，冷却流体从汽轮机中压缸8的进汽阀处流向锅炉二次再热器1的出口集箱处。
720℃二次再热蒸汽管道6的冷却流体由发电厂内部系统提供，以一段或多段进入和流出720℃二次再热蒸汽管道6的环形夹层29。
已知720℃二次再热蒸汽管道6的冷却流体的进口温度465℃，采用传热计算方法确定冷却流体的出口温度为608.5℃，冷却流体的出口温度不超过620℃。
720℃二次再热蒸汽管道6的出口蒸汽温度为汽轮机中压缸8进口额定二次再热蒸汽温度720℃，二次再热蒸汽管道6的进口蒸汽温度为锅炉二次再热器1出口额定蒸汽温度，已知汽轮机中压缸8进口额定蒸汽温度720℃，采用传热计算方法确定锅炉二次再热器1出口额定蒸汽温度721.8℃。
720℃二次再热蒸汽管道6的出口蒸汽压力为汽轮机中压缸8进口额定二次再热蒸汽压力2.25MPa，二次再热蒸汽管道6的进口蒸汽压力为锅炉二次再热器1出口额定蒸汽压力，已知汽轮机中压缸8进口额定二次再热蒸汽压力2.25MPa，采用管道沿程压损计算公式确定锅炉二次再热器1出口额定蒸汽压力2.32MPa。
依据720℃二次再热蒸汽管道6的进口蒸汽温度721.8℃和管道复合壁的内外壁最大压差0.18MPa，确定管道内层壁26的厚度δ1、绝热层27的厚度δ2与管道中层壁28的厚度δ3；
720℃二次再热蒸汽管道6的管道内层壁26的主要功能是承受高温，管道内层壁26的厚度δ1的范围为5mm至15mm，本实施例的管道内层壁26的厚度δ1为5mm。
720℃二次再热蒸汽管道6的绝热层27的主要功能是隔热，绝热层27紧贴管道内层壁26和管道中层壁28，绝热层的厚度δ2的范围为5mm至20mm，本实施例的绝热层27的厚度δ2为15mm。
720℃二次再热蒸汽管道6的管道中层壁28的主要功能是防止绝热层27受潮，采用P92钢时管道中层壁28的温度不超过620℃，采用P91钢时管道中层壁28的温度不超过600℃，管道中层壁的厚度δ3的范围为3mm至15mm，本实施例管道中层壁28内表面壁温为617.0℃，管道中层壁28的厚度δ3为5mm。
720℃二次再热蒸汽管道6的管道内层壁26的外直径D2为管道内层壁26的内直径D1与2倍管道内层壁26的厚度δ1之和，即D2＝D1+2δ1＝1006+2×5＝1016mm。
720℃二次再热蒸汽管道6的管道中层壁28的外直径D3为管道内层壁26的外直径D2与2倍绝热层27的厚度δ2以及2倍管道中层壁28的厚度δ3之和，即D3＝D2+2δ2+2δ3＝1016+2×15+2×5＝1056mm。
720℃二次再热蒸汽管道6的环形夹层29的冷却流体的流速的范围为0.3m/s至15m/s，环形夹层29冷却流体的流量取主蒸汽流量的范围为0.3％至5％，本实施例的环形夹层29的冷却流体的流速为10.24m/s，对应冷却流体的流量10t/h为二次再热蒸汽流量的1.21％。
720℃二次再热蒸汽管道6的管道外层壁31的内直径D4大于管道中层壁28的外直径D3，依据环形夹层29的冷却流体的流速10.24m/s和流量10t/h确定管道外层壁31的内直径D4＝1080mm。依据冷却流体的进口压力2.5MPa与出口温度608.5℃，确定720℃二次再热蒸汽管道6的管道外层壁31的厚度，管道外层壁31的厚度δ4为10mm。
720℃二次再热蒸汽管道6的管道外层壁31的外直径D5为管道外层壁31的内直径D4与2倍管道外层壁31的厚度δ4之和，即D5＝D4+2δ4＝1080+2×10＝1100mm。
在720℃二次再热蒸汽管道6的管道中层壁28与管道外层壁31之间的环形夹层29，沿环形夹层29的中心线每隔8m，设置非整圈环形垫块14，在每一设置非整圈环形垫块14所在截面的沿圆周方向，非整圈环形垫块14数量取为4，非整圈环形垫块14的材料选取P92，以防止管道中层壁28与管道外层壁31相接触。
非整圈环形垫块14的内直径为管道中层壁28的外直径D3＝1056mm，非整圈环形垫块14的外直径为管道外层壁31的内直径D4＝1080mm，非整圈环形垫块14沿圆周方向宽度取为30mm，轴向长度取为40mm。
720℃二次再热蒸汽管道6的管道外层壁31的外表面设置保温层32，保温层32紧贴管道外层壁31的外表面。
保温层32外表面设置保护层33，保护层33的材料选用铝合金薄板，保护层33的主要功能是防水、防潮、抗大气腐蚀，保护层33的厚度取为0.9mm。
本实施例中，对于一根二次再热蒸汽管道，采用CCA617镍基合金与P92钢多层壁以及夹层隔热与承压的管道结构替代全部CCA617镍基合金的单层壁管道，可以节省CCA617镍基合金48.97t，多采用P92钢47.08t，多采用硅酸铝管壳制品5.83m3。CCA617镍基合金管道价格按照150万元/t计算，P92钢管道价格按照6万元/t计算，硅酸铝管壳制品价格按照2600元/m3计算，一根二次再热蒸汽管道可以减少造价0.706亿元，一台机组两根二次再热蒸汽管道可以减少造价1.412亿元。本实施例实现新的技术效果是降低了720℃二次再热蒸汽管道的造价。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道，其特征在于：包括由内至外依次设置的管道内层壁、绝热层、管道中层壁、环形夹层、管道外层壁，所述管道内层壁、绝热层和管道中层壁组成管道复合壁；
所述管道内层壁采用镍基合金制成，所述管道中层壁和管道外层壁采用P92钢或P91钢制成；所述绝热层采用绝热材料制成；
温度为660℃至760℃、压力为1MPa至45MPa的蒸汽在管道内层壁构成的圆形管道中流动，用于降低管道复合壁的内外压差的冷却流体在环形夹层中流动，冷却流体的流动方向与蒸汽的流动方向相反；
所述660℃至760℃高温蒸汽管道为主蒸汽管道、一次再热蒸汽管道或二次再热蒸汽管道；
当冷却流体采用过热蒸汽时：
针对主蒸汽管道，冷却流体采用的过热蒸汽取自锅炉过热器的进口集箱，离开环形夹层的过热蒸汽进入锅炉过热器的与其温度最相近的集箱；
针对一次再热蒸汽管道，冷却流体采用的过热蒸汽取自汽轮机超高压缸的排汽，离开环形夹层的过热蒸汽进入锅炉一次再热器与其温度最相近的集箱；
针对二次再热蒸汽管道，冷却流体采用的过热蒸汽取自汽轮机高压缸的排汽，离开环形夹层的过热蒸汽进入锅炉二次再热器的与其温度最相近的集箱；
当冷却流体采用超临界二氧化碳或氦气时，超临界二氧化碳或氦气由外部系统提供，离开环形夹层的超临界二氧化碳或氦气温度升高，用于驱动二氧化碳透平或氦气透平发电。
2.如权利要求1所述的一种夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道，其特征在于：所述环形夹层内设有用于防止管道中层壁与管道外层壁相接触的非整圈环形垫块；沿环形夹层中心线每隔5m至15m设置一个非整圈环形垫块；
每个非整圈环形垫块由2～4个弧形垫块均匀布置于环形夹层内组成，相邻弧形垫块之间设有间隙；弧形垫块由P92钢或P91钢制成。
3.如权利要求2所述的一种夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道，其特征在于：所述非整圈环形垫块的内直径为管道中层壁的外直径D3，非整圈环形垫块的外直径为管道外层壁的内直径D4，非整圈环形垫块沿圆周方向的宽度为15mm至40mm，非整圈环形垫块沿轴向的长度为20mm至50mm。
4.如权利要求1所述的一种夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道，其特征在于：所述冷却流体由发电厂内部系统或外部系统提供，以一段或多段进入和流出所述环形夹层，所述冷却流体包括但不限于过热蒸汽、超临界二氧化碳、氦气。
5.如权利要求1所述的一种夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道，其特征在于：所述冷却流体的流速为0.3m/s至15m/s，所述冷却流体的流量为蒸汽流量的0.3％至5％。
6.如权利要求1所述的一种夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道，其特征在于：所述管道中层壁与管道外层壁采用P92钢时，冷却流体的出口温度不超过620℃；所述管道中层壁与管道外层壁采用P91钢时，冷却流体的出口温度不超过600℃。
7.如权利要求1所述的一种夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道，其特征在于：依据管道内层壁内蒸汽流量和流速范围为40m/s至60m/s的限制，确定管道内层壁的内直径D1；依据进口蒸汽温度和管道复合壁内外表面的最大压差，确定管道内层壁的厚度δ1、绝热层的厚度δ2与管道中层壁的厚度δ3；
管道内层壁的厚度δ1为5mm至15mm；管道内层壁的外直径D2＝D1+2δ1；
绝热层用于隔热，绝热层紧贴管道内层壁和管道中层壁，绝热层的厚度δ2为5mm至20mm；
管道中层壁用于防止绝热层受潮，管道中层壁的温度不超过620℃，管道中层壁的厚度δ3为3mm至15mm；管道中层壁的外直径D3＝D2+2δ2+2δ3；
管道外层壁用于承压，依据冷却流体的进口压力与出口温度，确定管道外层壁的厚度，管道外层壁的厚度δ4为3mm至80mm；管道外层壁的内直径D4大于管道中层壁的外直径D3，依据冷却流体的流速和流量确定管道外层壁的内直径D4；管道外层壁的外直径D5＝D4+2δ4。
8.如权利要求1所述的一种夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道，其特征在于：所述管道外层壁的外表面设置保温层，保温层紧贴管道外层壁的外表面。
9.如权利要求8所述的一种夹层隔热与承压的660℃至760℃高温蒸汽管道，其特征在于：所述保温层外表面设置用于防水、防潮、抗大气腐蚀的保护层，保护层由铝合金薄板、不锈钢薄板或镀锌薄钢板制成，保护层的厚度为0.3mm至1.0mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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