CN109470066A - 一种夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，包括采用镍基合金制造的管道内层壁及采用奥氏体钢制造的管道外层壁，管道外层壁同轴设于管道内层壁外侧，管道内层壁和管道外层壁之间形成环形夹层；温度为660℃～760℃、压力为24MPa～45MPa发的主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主蒸汽的流动方向相反。本发明采用镍基合金与奥氏体钢多层壁管道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，管道外层壁采用奥氏体钢，之间环形夹层采用流体冷却，大大降低了高参数主蒸汽管道的造价，同时减少了镍基合金的用量。
Description
技术领域
本发明涉及一种高参数主蒸汽管道，尤其涉及一种夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，属于发电厂热力系统技术领域。
背景技术
对于主蒸汽温度的范围为660℃～760℃、主蒸汽压力的范围为24MPa～45MPa、发电机组功率的范围为600MW～1500MW的高参数主蒸汽管道，其工作温度超过650℃。而制造与焊接性能好的奥氏体钢的工作温度的上限为650℃，因此，奥氏体钢无法在主蒸汽温度为660℃～760℃的高参数主蒸汽管道上使用。
高参数主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。采用镍基合金制造高参数主蒸汽管道，面临两大技术难题：一是镍基合金主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，难以大批量制造高参数主蒸汽管道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何降低主蒸汽温度为660℃～760℃的高参数主蒸汽管道的造价。
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流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，其特征在于：包括采用镍基合金制造的管道内层壁及采用奥氏体钢制造的管道外层壁，管道外层壁同轴设于管道内层壁外侧，管道内层壁和管道外层壁之间形成环形夹层；
温度为660℃～760℃、压力为24MPa～45MPa的主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主蒸汽的流动方向相反。
优选地，所述多层壁高参数主蒸汽管道适用于主蒸汽温度范围为660℃～760℃、主蒸汽压力范围为24MPa～45MPa、发电机组功率范围为600MW～1500MW的工况。
优选地，所述环形夹层内设有非整圈环形垫块；沿环形夹层中心线每隔2m～10m，设置一个非整圈环形垫块；
每个非整圈环形垫块由3～6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；弧形垫块由耐高温的非金属保温材料制成，以防止管道内层壁与管道外层壁相接触；
非整圈环形垫块的内直径为管道内层壁的外直径，非整圈环形垫块的外直径为管道外层壁的内直径；非整圈环形垫块沿圆周方向的宽度为10mm～50mm，非整圈环形垫块沿轴向的长度为30mm～100mm。
优选地，所述管道外层壁的外表面设有保温层，保温层紧贴管道外层壁的外表面设置。
更优选地，所述保温层外表面设有保护层，保护层为铝合金或镀锌钢制成，保护层的厚度为0.5mm～1.5mm。
优选地，依据管道内层壁内主蒸汽流量和主蒸汽流速范围为40m/s～60m/s的限制，设计管道内层壁的内直径D1；
依据管道内层壁内进口主蒸汽温度和管道内层壁的内外压差，确定管道内层壁的厚度，管道内层壁的厚度δ1为5mm～15mm；
管道内层壁的外直径D2为：D2＝D1+2δ1；
管道外层壁的内直径D3大于管道内层壁的外直径D2，依据环形夹层内冷却流体的流速和流量确定管道外层壁的内直径D3；
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δ2为20mm～60mm。
优选地，所述管道内层壁内出口蒸汽温度为汽轮机进口额定主蒸汽温度，所述管道内层壁内进口蒸汽温度为锅炉末级过热器额定出口温度；已知汽轮机进口额定主蒸汽温度，采用传热计算方法确定锅炉末级过热器额定出口温度；
所述管道内层壁内出口蒸汽压力为汽轮机进口额定主蒸汽压力，所述管道内层壁内进口蒸汽压力为锅炉末级过热器额定出口压力；已知汽轮机进口额定主蒸汽压力，采用管道沿程压损计算公式确定锅炉末级过热器额定出口压力。
优选地，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；冷却流体从汽轮机主汽阀处流向锅炉末级过热器出口集箱处；
所述环形夹层内，冷却流体的进口压力等于或略小于主蒸汽压力，冷却流体的流速为0.2m/s～10m/s，冷却流体的流量为主蒸汽流量的1％～8％；冷却流体的出口温度不超过650℃，采用传热计算方法确定冷却流体的进口温度。
更优选地，所述冷却流体采用以下两种方法的其中之一提供：
一、冷却流体采用由发电厂内部系统的锅炉提供的过热蒸汽，离开环形夹层的过热蒸汽，进入与所述过热蒸汽温度最相近的锅炉中间过热器；冷却流体所采用的过热蒸汽的流量对汽轮机的热耗率没有影响，冷却流体所采用的过热蒸汽吸收的热量可以利用；
二、冷却流体采用由外部系统提供的超临界二氧化碳或氦气，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进行发电。
本发明提供的装置克服了现有技术的不足，对于主蒸汽温度为660℃～760℃、主蒸汽压力为24MPa～45MPa的高参数主蒸汽管道，采用镍基合金与奥氏体钢多层壁以及环形夹层冷却的多层壁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，管道外层壁采用奥氏体钢，环形夹层流体冷却，大大降低了高参数主蒸汽管道的造价，同时减少了镍基合金的用量。
附图说明
图1为本实施例提供的夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道布置示意图；
图2为本实施例提供的夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道截面图；
图3为非整圈环形垫块示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
某型号1000MW二次再热发电机组，汽轮机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，两根高参数主蒸汽管道A布置如图1所示，单根主蒸汽管道的流量为1201.27t/h。
所述高参数主蒸汽管道A采用夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，如图2所示，夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道由管道内层壁1、环形夹层2、管道外层壁4、保温层5与保护层6从内到外依次同轴设置组成。
其中，环形夹层2内设有非整圈环形垫块3，非整圈环形垫块3的结构如图3所示，由多个弧形垫块均匀布置于环形夹层2内组成，相邻弧形垫块之间设有间隙。
管道内层壁1采用CCA617镍基合金制造，管道外层壁4采用Sanicro25奥氏体钢制造。
主蒸汽在管道内层壁1构成的圆形管道中流动，依据主蒸汽流量为1201.27t/h和管道流速的范围为40m/s～60m/s的限制，设计管道内层壁1的内直径D1为315mm，对应的管道流速为48.72m/s。
管道内层壁1与管道外层壁4之间的环形夹层2采用流体冷却，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，本实施例冷却流体是过热蒸汽。环形夹层2中冷却流体的流动方向与管道内层壁1内的主蒸汽流动方向相反，冷却流体从汽轮机主汽阀处流向锅炉末级过热器出口集箱处。
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环形夹层2。本实施例中冷却流体由发电厂内部系统锅炉提供，以一段进入和流出环形夹层2。冷却流体的出口温度不超过650℃，采用传热计算方法确定冷却流体的进口温度为380.7℃。
主蒸汽管道的出口蒸汽温度为汽轮机进口额定主蒸汽温度，主蒸汽管道的进口蒸汽温度为锅炉末级过热器额定出口温度。已知汽轮机进口额定主蒸汽温度为700℃，采用传热计算方法确定锅炉末级过热器额定出口温度为717.7℃。
主蒸汽管道的出口蒸汽压力为汽轮机进口额定主蒸汽压力，主蒸汽管道的进口蒸汽压力为锅炉末级过热器额定出口压力，已知汽轮机进口额定主蒸汽压力为35MPa，采用管道沿程压损计算公式确定锅炉末级过热器额定出口压力为36.75MPa。
环形夹层2冷却流体的进口压力等于主蒸汽压力或略小于主蒸汽压力，本实施例中冷却流体的进口压力取为36.1MPa。依据主蒸汽管道的进口蒸汽温度717.7℃和管道内层壁1的内外压差0MPa，确定管道内层壁1的厚度，管道内层壁1的厚度δ1取为5mm。管道内层壁1的外直径D2为管道内层壁的内直径D1与2倍管道内层壁的厚度δ1之和，即D2＝D1+2δ1＝315+2×5＝325mm。
环形夹层2中冷却流体的流速的范围为0.2m/s～10m/s，以减小冷却流体的传热系数，本实施例环形夹层2冷却流体的流速取为2.42m/s。环形夹层2中冷却流体的流量取主蒸汽流量的范围为1％～8％，本实施例中环形夹层2中冷却流体的流量是主蒸汽流量的2.33％，取为28t/h。
管道外层壁4的内直径D3大于管道内层壁1的外直径D2，依据环形夹层2冷却流体的流速2.42m/s和冷却流体的流量28t/h确定管道外层壁4的内直径D3为367mm。依据冷却流体的进口压力36.1MPa与出口温度650℃，确定高参数主蒸汽管道的管道外层壁4的厚度，管道外层壁4的厚度δ2为45mm。
在高参数主蒸汽管道的管道内层壁1与管道外层壁4之间环形夹层2，沿环形夹层中心线每隔2m～10m，设置非整圈的圆环形垫块3，本实施例中每隔5m设置非整圈环形垫块3，每一设置非整圈环形垫块3截面的沿圆周方向，非整圈环形垫块3的数量取为3，非整圈环形垫块3材料选取耐高温的非金属保温材料，以防止管道内层壁1与管道外层壁4相接触。非整圈环形垫块3的内直径为管道内层壁的外直径D2＝325mm，非整圈环形垫块3的外直径为管道外层壁的内直径D3＝367mm，非整圈环形垫块的圆周方向宽度为30mm，轴向长度为50mm。
高参数主蒸汽管道的管道外层壁4的外表面设置保温层5，保温层5紧贴管道外层壁4的外表面。保温层5外表面设置铝合金或镀锌钢的保护层6，保护层6的厚度范围为0.5mm～1.5mm，本实施例中保护层6的厚度取为1mm。
冷却流体所采用的进口参数为36.1MPa、380.7℃的过热蒸汽，由发电厂内部系统的锅炉提供，离开夹层的过热蒸汽，进入蒸汽温度相近锅炉中间过热器，冷却流体所采用的过热蒸汽的流量对汽轮机的热耗率没有影响，冷却蒸汽吸收的热量可以再次利用。
本实施例中，对于一根主蒸汽管道，采用镍基合金与奥氏体钢多层壁以及环形夹层流体冷却的管道结构替代传统全部镍基合金的单层壁管道，可以节省CCA617镍基合金126.35t，多采用Sanicro25奥氏体钢56.61t。CCA617镍基合金管道价格按照150万元计算，Sanicro25奥氏体钢管道价格按照50万元计算，一根主蒸汽管道可以减少造价1.612亿元，一台机组两根主蒸汽管道可以减少造价3.224亿元。由此可见，本发明大幅度降低了高参数主蒸汽管道造价，同时减少了镍基合金的用量。
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 (10)
1.一种夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，其特征在于：包括采用镍基合金制造的管道内层壁(1)及采用奥氏体钢制造的管道外层壁(4)，管道外层壁(4)同轴设于管道内层壁(1)外侧，管道内层壁(1)和管道外层壁(4)之间形成环形夹层(2)；
温度为660℃～760℃、压力为24MPa～45MPa的主蒸汽在管道内层壁(1)构成的圆形管道中流动，冷却流体在环形夹层(2)中流动，冷却流体的流动方向与主蒸汽的流动方向相反。
2.如权利要求1所述的一种夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，其特征在于：所述环形夹层(2)内设有非整圈环形垫块(3)；沿环形夹层(2)中心线每隔2m～10m，设置一个非整圈环形垫块(3)；
每个非整圈环形垫块(3)由3～6个弧形垫块均匀布置于环形夹层(2)内组成，相邻弧形垫块之间设有间隙；弧形垫块的数量为3～6个，弧形垫块由耐高温的非金属保温材料制成。
3.如权利要求1或2所述的一种夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，其特征在于：所述非整圈环形垫块(3)的内直径为管道内层壁(1)的外直径，非整圈环形垫块(3)的外直径为管道外层壁(4)的内直径；非整圈环形垫块(3)沿圆周方向的宽度为10mm～50mm，非整圈环形垫块(3)沿轴向的长度为30mm～100mm。
4.如权利要求1所述的一种夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，其特征在于：所述管道外层壁(4)的外表面设有保温层(5)，保温层(5)紧贴管道外层壁(4)的外表面设置。
5.如权利要求4所述的一种夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，其特征在于：所述保温层(5)外表面设有保护层(6)，保护层(6)为铝合金或镀锌钢制成，保护层(6)的厚度为0.5mm～1.5mm。
6.如权利要求1所述的一种夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，其特征在于：依据管道内层壁(1)内主蒸汽流量和主蒸汽流速范围为40m/s～60m/s的限制，设计管道内层壁(1)的内直径D1；
依据管道内层壁(1)内进口主蒸汽温度和管道内层壁(1)的内外压差，确定管道内层壁(1)的厚度，管道内层壁(1)的厚度δ1为5mm～15mm；
管道内层壁(1)的外直径D2为：D2＝D1+2δ1；
管道外层壁(4)的内直径D3大于管道内层壁(1)的外直径D2，依据环形夹层(2)内冷却流体的流速和流量确定管道外层壁(4)的内直径D3；
依据冷却流体的进口压力与出口温度，确定管道外层壁(4)的厚度，管道外层壁(4)的厚度δ2为20mm～60mm。
7.如权利要求1所述的一种夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，其特征在于：所述管道内层壁(1)内出口蒸汽温度为汽轮机进口额定主蒸汽温度，所述管道内层壁(1)内进口蒸汽温度为锅炉末级过热器额定出口温度；
所述管道内层壁(1)内出口蒸汽压力为汽轮机进口额定主蒸汽压力，所述管道内层壁(1)内进口蒸汽压力为锅炉末级过热器额定出口压力。
8.如权利要求1所述的一种夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，其特征在于：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。
9.如权利要求1所述的一种夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，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(2)；
所述环形夹层(2)内，冷却流体的进口压力等于或小于主蒸汽压力，冷却流体的流速为0.2m/s～10m/s，冷却流体的流量为主蒸汽流量的1％～8％，冷却流体的出口温度不超过650℃。
10.如权利要求9所述的一种夹层流体冷却的多层壁高参数主蒸汽管道，其特征在于：所述冷却流体采用以下两种方法的其中之一提供：
一、冷却流体采用由发电厂内部系统的锅炉提供的过热蒸汽，离开环形夹层(2)的过热蒸汽，进入与所述过热蒸汽温度最相近的锅炉中间过热器；
二、冷却流体采用由外部系统提供的超临界二氧化碳或氦气，离开环形夹层(2)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进行发电。
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