CN109506052A - 一种夹层承压与隔热的640℃至650℃高温蒸汽管道 - Google Patents
一种夹层承压与隔热的640℃至650℃高温蒸汽管道 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种夹层承压与隔热的640℃至650℃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奥氏体钢制成，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，夹层承压流体在环形夹层中流动，夹层承压流体的流动方向与蒸汽的流动方向相反。本发明采用奥氏体钢、绝热材料与P92或P91钢构成的多层壁以及环形夹承压与隔热的管道结构替代全部奥氏体钢的单层壁管道，大大降低了640℃至650℃高温蒸汽管道的造价。
Description
技术领域
本发明涉及一种夹层承压与隔热的640℃至650℃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640℃至650℃、蒸汽压力范围为2MPa至40MPa、发电机组功率范围为600MW至1350MW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640℃至650℃的高温蒸汽管道上使用。
640℃至650℃高温蒸汽管道的现有技术方案，是采用奥氏体钢单层壁管道结构。采用奥氏体钢制造640℃至650℃高温蒸汽管道，面临的技术难题是奥氏体钢高温蒸汽管道的制造与焊接的技术难度大，造价昂贵。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以节省奥氏体钢的使用量，降低造价的640℃至650℃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承压与隔热的640℃至650℃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奥氏体钢制成，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640℃至650℃、压力为2MPa至40MPa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夹层承压流体在环形夹层中流动，夹层承压流体的流动方向与蒸汽的流动方向相反。
优选地，所述640℃至650℃高温蒸汽管道适用于蒸汽温度范围为640℃至650℃、蒸汽压力范围为2MPa至40MPa、发电机组功率范围为600MW至1350MW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4m至16m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10mm至50mm，非整圈环形垫块沿轴向的长度为30mm至60mm。
优选地，所述夹层承压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，所述夹层承压流体包括但不限于过热蒸汽、超临界二氧化碳、氦气。
优选地，所述夹层承压流体的流速为0.3m/s至15m/s，所述夹层承压流体的流量为蒸汽流量的0.3％至5％。
优选地，所述640℃至650℃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；
当夹层承压流体采用过热蒸汽时：
针对主蒸汽管道，夹层承压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；夹层承压流体所吸收的热量可以利用；
针对一次再热蒸汽管道，夹层承压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；夹层承压流体所吸收的热量可以利用；
针对二次再热蒸汽管道，夹层承压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；夹层承压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，所述夹层承压流体从汽轮机的进汽阀处流向锅炉的出口集箱处；
在640℃至650℃主蒸汽管道的环形夹层，夹层承压流体从汽轮机超高压缸的进汽阀处流向锅炉过热器的出口集箱处；
在640℃至650℃一次再热蒸汽管道的环形夹层，夹层承压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640℃至650℃二次再热蒸汽管道的环形夹层，夹层承压流体从汽轮机中压缸的进汽阀处流向锅炉二次再热器的出口集箱处。
优选地，已知夹层承压流体的进口温度，采用传热计算方法确定夹层承压流体的出口温度，管道中层壁与管道外层壁采用P92钢时夹层承压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钢时夹层承压流体的出口温度不超过600℃。
优选地，640℃至650℃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，640℃至650℃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，夹层承压流体的压力应接近、等于或略高于管道内层壁中高温蒸汽的压力；依据夹层承压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90mm；管道外层壁的内直径D4大于管道中层壁的外直径D3，依据夹层承压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，对于蒸汽温度范围为640℃至650℃、蒸汽压力范围为2MPa至40MPa的高温蒸汽管道，采用奥氏体钢、耐高温绝热材料与P92或P91钢构成的多层壁以及环形夹承压与隔热的管道结构替代全部奥氏体钢的单层壁管道，管道内层壁采用少量奥氏体钢制造，管道中层壁采和管道外层壁采用P92钢或P91钢，利用环形夹层承压与隔热，大大降低了640℃至650℃高温蒸汽管道的造价。
附图说明
图1为实施例1中夹层承压与隔热的640℃至650℃主蒸汽管道布置示意图；
图2为实施例1中夹层承压与隔热的640℃至650℃主蒸汽管道横截面示意图；
图3为实施例2中夹层承压与隔热的640℃至650℃一次再热蒸汽管道布置示意图；
图4为实施例2中夹层承压与隔热的640℃至650℃一次再热蒸汽管道横截面示意图；
图5为实施例3中夹层承压与隔热的640℃至650℃二次再热蒸汽管道布置示意图；
图6为实施例3中夹层承压与隔热的640℃至650℃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，汽轮机超高压缸的进口额定主蒸汽温度为650℃，额定主蒸汽压力为35MPa，主蒸汽流量为2841.2t/h，两根650℃主蒸汽管道布置如图1所示，650℃主蒸汽管道1位于锅炉过热器2与汽轮机超高压缸3之间，单根主蒸汽管道1的流量为1420.6t/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4、绝热层5、管道中层壁6、环形夹层7、非整圈环形垫块8、管道外层壁9、保温层10与保护层11组成，其中管道内层壁4、绝热层5和管道中层壁6组成管道复合壁12。
在650℃主蒸汽管道1的管道内层壁4与管道中层壁6之间设置绝热层5的主要作用是隔热，以降低管道中层壁6与管道外层壁9的工作温度，管道内层壁4采用Sanicro25奥氏体钢，管道中层壁6和管道外层壁9采用P92钢，绝热层5采用耐1000℃高温的绝热材料硅酸铝管壳制品。
650℃主蒸汽管道1的管道中层壁6与管道外层壁9之间的环形夹层7流过夹层承压流体，以降低管道复合壁12的内外压差，设置管道外层壁9的主要作用是承压，夹层承压流体的压力应接近、等于或略高于管道内层壁4中主蒸汽的压力。
650℃主蒸汽管道1的夹层承压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640℃至650℃高温蒸汽管道的环形夹层7，环形夹层7内的承压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夹层承压流体。
以过热蒸汽为例，650℃主蒸汽管道1的夹层承压流体采用的过热蒸汽取自锅炉过热器2的进口集箱，夹层承压流体的进口压力为36.06MPa，夹层承压流体的进口温度为470℃，离开环形夹层7的过热蒸汽，进入锅炉过热器3的蒸汽温度相近的集箱，夹层承压流体所吸收的热量可以利用。
在650℃主蒸汽管道1的环形夹层7，夹层承压流体的流动方向，与主蒸汽的流动方向相反，夹层承压流体从汽轮机超高压缸3的进汽阀处流向锅炉过热器2的出口集箱处。
已知650℃主蒸汽管道1的夹层承压流体的进口温度470℃，采用传热计算方法确定夹层承压流体的出口温度485.1℃，管道中层壁6与管道外层壁9采用P92钢时，夹层承压流体的出口温度不超过620℃。
650℃主蒸汽管道1的出口蒸汽温度为汽轮机超高压缸3进口额定主蒸汽温度650℃，主蒸汽管道1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1进口额定蒸汽温度650℃，采用传热计算方法确定锅炉过热器3出口额定蒸汽温度653.6℃。
650℃主蒸汽管道1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1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36.36MPa。
650℃主蒸汽在管道内层壁4构成的圆形管道中流动，依据主蒸汽流量1420.6t/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4的内直径D1为330mm，对应的管内流速为47.87m/s。
依据650℃主蒸汽管道1的进口蒸汽温度653.6℃和管道复合壁12的内外表面最大压差1.06MPa，确定管道内层壁4的厚度δ1、绝热层5的厚度δ2与管道中层壁6的厚度δ3。
650℃主蒸汽管道1设置管道内层壁4的主要作用是承受高温，管道内层壁4的厚度δ1的范围为5mm至15mm，本实施例的管道内层壁4的厚度δ1为5mm。
650℃主蒸汽管道1设置绝热层5的主要作用是隔热，绝热层5紧贴管道内层壁4和管道中层壁6，绝热层的厚度δ2的范围为5mm至20mm，本实施例的绝热层5的厚度δ2为15mm。
650℃主蒸汽管道1设置管道中层壁6的主要作用是防止绝热层5受潮，采用P92钢时，管道中层壁6的温度不超过620℃，采用P91钢时管道中层壁6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6内表面壁温为490.6℃，管道中层壁6的厚度δ3为10mm。
650℃主蒸汽管道1设置管道外层壁9的主要作用是承压，依据夹层承压流体的进口压力36.06MPa与出口温度485.1℃，确定650℃主蒸汽管道1的管道外层壁9的厚度，管道外层壁9的厚度δ4为75mm。
650℃主蒸汽管道1的管道内层壁4的外直径D2为管道内层壁4的内直径D1与2倍管道内层壁4的厚度δ1之和，即D2＝D1+2δ1＝330+2×5＝340mm。
650℃主蒸汽管道1的管道中层壁6的外直径D3为管道内层壁4的外直径D2与2倍绝热层5的厚度δ2以及2倍管道中层壁6的厚度δ3之和，即D3＝D2+2δ2+2δ3＝340+2×15+2×10＝390mm。
650℃主蒸汽管道1的环形夹层7的夹层承压流体的流速的范围为0.3m/s至15m/s，环形夹层7夹层承压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7的夹层承压流体的流速为1.30m/s，对应夹层承压流体的流量10t/h为主蒸汽流量的0.70％。
650℃主蒸汽管道1的管道外层壁9的内直径D4大于管道中层壁6的外直径D3，依据环形夹层7的夹层承压流体的流速1.30m/s和流量10t/h确定管道外层壁9的内直径D4＝410mm。
650℃主蒸汽管道1的管道外层壁9的外直径D5为管道外层壁9的内直径D4与2倍管道外层壁9的厚度δ4之和，即D5＝D4+2δ4＝410+2×75＝560mm。
在650℃主蒸汽管道1的管道中层壁6与管道外层壁9之间的环形夹层7，沿环形夹层7的中心线每隔9m，设置非整圈环形垫块8，主要作用是防止管道中层壁6与管道外层壁9相接触，在每一设置非整圈环形垫块8所在截面的沿圆周方向，非整圈环形垫块8数量取为4，非整圈环形垫块8的材料选取P92。
非整圈环形垫块8的内直径为管道中层壁6的外直径D3＝390mm，非整圈环形垫块8的外直径为管道外层壁9的内直径D4＝410mm，非整圈环形垫块8沿圆周方向宽度取为20mm，轴向长度取为35mm。
650℃主蒸汽管道1的管道外层壁9的外表面设置保温层10，保温层10紧贴管道外层壁9的外表面。
保温层10外表面设置保护层11，保护层11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，对于一根主蒸汽管道，采用Sanicro25奥氏体钢与P92钢多层壁以及夹层承压与隔热的管道结构替代全部Sanicro25奥氏体钢的单层壁管道，可以节省Sanicro25奥氏体钢87.64t，多采用P92钢118.89t，多采用硅酸铝管壳制品2.0m3。Sanicro25奥氏体钢管道价格按照50万元/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3668万元，一台机组两根主蒸汽管道可以减少造价7336万元。本实施例实现新的技术效果是降低了650℃主蒸汽管道的造价。
实施例2
某型号1000MW二次再热发电机组，汽轮机高压缸的进口额定一次再热蒸汽温度为650℃，额定一次再热蒸汽压力为13.73MPa，一次再热蒸汽流量为1840.6t/h，两根650℃一次再热蒸汽管道布置如图3所示，650℃一次再热蒸汽管道13位于锅炉一次再热器14与汽轮机的高压缸15之间，单根一次再热蒸汽管道13的流量为920.3t/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4所示，多层壁管道由管道内层壁16、绝热层17、管道中层壁18、环形夹层19、非整圈环形垫块20、管道外层壁21、保温层22与保护层23组成，其中管道内层壁16、绝热层17和管道中层壁18组成管道复合壁24。
在650℃一次再热蒸汽管道13的管道内层壁16与管道中层壁18之间设置绝热层17的主要作用是隔热，以降低管道中层壁18与管道外层壁21的工作温度，管道内层壁16采用Sanicro25奥氏体钢，管道中层壁18和管道外层壁21采用P92钢，绝热层17采用耐1000℃高温的绝热材料硅酸铝管壳制品。
650℃一次再热蒸汽管道13的管道中层壁18与管道外层壁21之间的环形夹层19流过夹层承压流体，以降低管道复合壁24的内外压差，设置管道外层壁21的主要作用是承压，夹层承压流体的压力应接近、等于或略高于管道内层壁16中一次再热蒸汽的压力。
650℃一次再热蒸汽管道13的夹层承压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650℃一次再热蒸汽管道的环形夹层19，环形夹层19内的夹层承压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夹层承压流体。
以过热蒸汽为例，650℃一次再热蒸汽管道13的夹层承压流体采用的过热蒸汽，取自汽轮机超高压缸的排汽，夹层承压流体的进口压力为14.19MPa，夹层承压流体的进口温度为459.7℃，离开环形夹层19的过热蒸汽，进入锅炉一次再热器14的蒸汽温度相近的集箱，夹层承压流体所吸收的热量可以利用。
在650℃一次再热蒸汽管道13的环形夹层19，夹层承压流体的流动方向，与一次再热蒸汽的流动方向相反，夹层承压流体从汽轮机高压缸15的进汽阀处流向锅炉一次再热器14的出口集箱处。
已知650℃一次再热蒸汽管道13的夹层承压流体的进口温度459.7℃，采用传热计算方法确定夹层承压流体的出口温度500.0℃，管道中层壁18与管道外层壁21采用P92钢时，夹层承压流体的出口温度不超过620℃。
650℃一次再热蒸汽管道13的出口蒸汽温度为汽轮机高压缸15进口额定一次再热蒸汽温度650℃，一次再热蒸汽管道13的进口蒸汽温度为锅炉一次再热器14出口额定蒸汽温度，已知汽轮机高压缸15进口额定蒸汽温度650℃，采用传热计算方法确定锅炉一次再热器14出口额定蒸汽温度651.4℃。
650℃一次再热蒸汽管道13的出口蒸汽压力为汽轮机高压缸15进口额定一次再热蒸汽压力13.73MPa，一次再热蒸汽管道13的进口蒸汽压力为锅炉一次再热器14出口额定蒸汽压力，已知汽轮机高压缸15进口额定蒸汽压力13.73MPa，采用管道沿程压损计算公式确定锅炉一次再热器14出口额定蒸汽压力14.03MPa。
650℃一次再热蒸汽在管道内层壁16构成的圆形管道中流动，依据一次再热蒸汽流量920.3t/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16的内直径D1为416mm，对应的管内流速为54.81m/s。
依据650℃一次再热蒸汽管道13的进口蒸汽温度651.4℃和管道复合壁24的内外表面最大压差0.46MPa，确定管道内层壁16的厚度δ1、绝热层17的厚度δ2与管道中层壁18的厚度δ3。
650℃一次再热蒸汽管道13设置管道内层壁16的主要作用是承受高温，管道内层壁16的厚度δ1的范围为5mm至15mm，本实施例的管道内层壁16的厚度δ1为5mm。
650℃一次再热蒸汽管道13设置绝热层17的主要作用是隔热，绝热层17紧贴管道内层壁16和管道中层壁18，绝热层的厚度δ2的范围为5mm至20mm，本实施例的绝热层17的厚度δ2为15mm。
650℃一次再热蒸汽管道13设置管道中层壁18的主要作用是防止绝热层17受潮，采用P92钢时，管道中层壁18的温度不超过620℃，采用P91钢时管道中层壁18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18内表面壁温为506.8℃，管道中层壁18的厚度δ3为5mm。
650℃一次再热蒸汽管道13设置管道外层壁21的主要作用是承压，依据夹层承压流体的进口压力14.19MPa与出口温度500.0℃，确定650℃一次再热蒸汽管道13的管道外层壁21的厚度，管道外层壁21的厚度δ4为30mm。
650℃一次再热蒸汽管道13的管道内层壁16的外直径D2为管道内层壁16的内直径D1与2倍管道内层壁16的厚度δ1之和，即D2＝D1+2δ1＝416+2×5＝426mm。
650℃一次再热蒸汽管道13的管道中层壁18的外直径D3为管道内层壁16的外直径D2与2倍绝热层17的厚度δ2以及2倍管道中层壁18的厚度δ3之和，即D3＝D2+2δ2+2δ3＝426+2×15+2×5＝466mm。
650℃一次再热蒸汽管道13的环形夹层19的夹层承压流体的流速的范围为0.3m/s至15m/s，环形夹层19夹层承压流体的流量取一次再热蒸汽流量的范围为0.3％至5％，本实施例的环形夹层19的夹层承压流体的流速为4.48m/s，对应夹层承压流体的流量10t/h为一次再热蒸汽流量的1.09％。
650℃一次再热蒸汽管道13的管道外层壁21的内直径D4大于管道中层壁18的外直径D3，依据环形夹层19的夹层承压流体的流速4.48m/s和流量10t/h确定管道外层壁21的内直径D4＝500mm。
650℃一次再热蒸汽管道13的管道外层壁21的外直径D5为管道外层壁21的内直径D4与2倍管道外层壁21的厚度δ4之和，即D5＝D4+2δ4＝500+2×30＝560mm。
在650℃一次再热蒸汽管道13的管道中层壁18与管道外层壁21之间的环形夹层19，沿环形夹层19的中心线每隔9m，设置非整圈环形垫块20，主要作用是防止管道中层壁6与管道外层壁9相接触，在每一设置非整圈环形垫块20所在截面的沿圆周方向，非整圈环形垫块20数量取为4，非整圈环形垫块20的材料选取P92。
非整圈环形垫块20的内直径为管道中层壁18的外直径D3＝466mm，非整圈环形垫块20的外直径为管道外层壁21的内直径D4＝500mm，非整圈环形垫块20沿圆周方向宽度取为25mm，轴向长度取为40mm。
650℃一次再热蒸汽管道13的管道外层壁21的外表面设置保温层22，保温层22紧贴管道外层壁21的外表面。
保温层22外表面设置保护层23，保护层23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，对于一根一次再热蒸汽管道，采用Sanicro25奥氏体钢与P92钢多层壁以及夹层承压与隔热的管道结构替代全部Sanicro25奥氏体钢的单层壁管道，可以节省Sanicro25奥氏体钢37.35t，多采用P92钢53.87t，多采用硅酸铝管壳制品2.49m3。Sanicro25奥氏体钢管道价格按照50万元/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1543万元，一台机组两根一次再热蒸汽管道可以减少造价3086万元。本实施例实现新的技术效果是降低了650℃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，汽轮机中压缸的进口额定二次再热蒸汽温度为650℃，额定二次再热蒸汽压力为3.32MPa，二次再热蒸汽流量为1854.2t/h，两根650℃二次再热蒸汽管道布置如图5所示，650℃二次再热蒸汽管道25位于锅炉二次再热器26与汽轮机的中压缸27之间，单根二次再热蒸汽管道25的流量为927.1t/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6所示，多层壁管道由管道内层壁28、绝热层29、管道中层壁30、环形夹层31、非整圈环形垫块32、管道外层壁33、保温层34与保护层35组成，其中管道内层壁28、绝热层29和管道中层壁30组成管道复合壁36。
在650℃二次再热蒸汽管道25的管道内层壁28与管道中层壁30之间设置绝热层29的主要作用是隔热，以降低管道中层壁30与管道外层壁33的工作温度，管道内层壁28采用Sanicro25奥氏体钢，管道中层壁30和管道外层壁33采用P92钢，绝热层29采用耐1000℃高温的绝热材料硅酸铝管壳制品。
650℃二次再热蒸汽管道25的管道中层壁30与管道外层壁33之间的环形夹层31流过夹层承压流体，以降低管道复合壁36的内外压差，设置管道外层壁33的主要作用是承压，夹层承压流体的压力应接近、等于或略高于管道内层壁28中二次再热蒸汽的压力。
650℃二次再热蒸汽管道25的夹层承压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650℃二次再热蒸汽管道的环形夹层31，环形夹层31内的夹层承压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夹层承压流体。
以过热蒸汽为例，650℃二次再热蒸汽管道25的夹层承压流体采用的过热蒸汽，取自汽轮机高压缸的排汽，夹层承压流体的进口压力为3.55MPa，夹层承压流体的进口温度为414℃，离开环形夹层29的过热蒸汽，进入锅炉二次再热器26的蒸汽温度相近的集箱，夹层承压流体所吸收的热量可以利用。
在650℃二次再热蒸汽管道25的环形夹层31，夹层承压流体的流动方向，与二次再热蒸汽的流动方向相反，夹层承压流体从汽轮机中压缸27的进汽阀处流向锅炉二次再热器26的出口集箱处。
已知650℃二次再热蒸汽管道25的夹层承压流体的进口温度414℃，采用传热计算方法确定夹层承压流体的出口温度521.6℃，管道中层壁30与管道外层壁33采用P92钢时，夹层承压流体的出口温度不超过620℃。
650℃二次再热蒸汽管道25的出口蒸汽温度为汽轮机中压缸27进口额定二次再热蒸汽温度650℃，二次再热蒸汽管道25的进口蒸汽温度为锅炉二次再热器26出口额定蒸汽温度，已知汽轮机高压缸15进口额定蒸汽温度650℃，采用传热计算方法确定锅炉二次再热器26出口额定蒸汽温度651.3℃。
650℃二次再热蒸汽管道25的出口蒸汽压力为汽轮机中压缸27进口额定二次再热蒸汽压力3.32MPa，二次再热蒸汽管道25的进口蒸汽压力为锅炉二次再热器26出口额定蒸汽压力，已知汽轮机中压缸15进口额定蒸汽压力3.32MPa，采用管道沿程压损计算公式确定锅炉二次再热器26出口额定蒸汽压力3.36MPa。
650℃二次再热蒸汽在管道内层壁28构成的圆形管道中流动，依据二次再热蒸汽流量927.1t/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28的内直径D1为854mm，对应的管内流速为56.72m/s。
依据650℃二次再热蒸汽管道25的进口蒸汽温度651.3℃和管道复合壁36的内外表面最大压差0.23MPa，确定管道内层壁28的厚度δ1、绝热层29的厚度δ2与管道中层壁30的厚度δ3。
650℃二次再热蒸汽管道25设置管道内层壁28的主要作用是承受高温，管道内层壁28的厚度δ1的范围为5mm至15mm，本实施例的管道内层壁28的厚度δ1为5mm。
650℃二次再热蒸汽管道25设置绝热层29的主要作用是隔热，绝热层29紧贴管道内层壁28和管道中层壁30，绝热层的厚度δ2的范围为5mm至20mm，本实施例的绝热层29的厚度δ2为15mm。
650℃二次再热蒸汽管道25设置管道中层壁30的主要作用是防止绝热层29受潮，采用P92钢时，管道中层壁30的温度不超过620℃，采用P91钢时管道中层壁30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30内表面壁温为533.6℃，管道中层壁30的厚度δ3为5mm。
650℃二次再热蒸汽管道25设置管道外层壁33的主要作用是承压，依据夹层承压流体的进口压力3.55MPa与出口温度521.6℃，确定650℃二次再热蒸汽管道25的管道外层壁33的厚度，管道外层壁33的厚度δ4为15mm。
650℃二次再热蒸汽管道25的管道内层壁28的外直径D2为管道内层壁28的内直径D1与2倍管道内层壁28的厚度δ1之和，即D2＝D1+2δ1＝854+2×5＝864mm。
650℃二次再热蒸汽管道25的管道中层壁30的外直径D3为管道内层壁28的外直径D2与2倍绝热层29的厚度δ2以及2倍管道中层壁30的厚度δ3之和，即D3＝D2+2δ2+2δ3＝864+2×15+2×5＝904mm。
650℃二次再热蒸汽管道25的环形夹层31的夹层承压流体的流速的范围为0.3m/s至15m/s，环形夹层31夹层承压流体的流量取二次再热蒸汽流量的范围为0.3％至5％，本实施例的环形夹层31的夹层承压流体的流速为5.80m/s，对应夹层承压流体的流量10t/h为二次再热蒸汽流量的1.08％。
650℃二次再热蒸汽管道25的管道外层壁33的内直径D4大于管道中层壁30的外直径D3，依据环形夹层31的夹层承压流体的流速5.80m/s和流量10t/h确定管道外层壁33的内直径D4＝935mm。
650℃二次再热蒸汽管道25的管道外层壁33的外直径D5为管道外层壁33的内直径D4与2倍管道外层壁33的厚度δ4之和，即D5＝D4+2δ4＝935+2×15＝965mm。
在650℃二次再热蒸汽管道25的管道中层壁30与管道外层壁33之间的环形夹层31，沿环形夹层31的中心线每隔10m，设置非整圈环形垫块32，主要作用是防止管道中层壁6与管道外层壁9相接触，在每一设置非整圈环形垫块32所在截面的沿圆周方向，非整圈环形垫块32数量取为4，非整圈环形垫块32的材料选取P92。
非整圈环形垫块32的内直径为管道中层壁30的外直径D3＝904mm，非整圈环形垫块32的外直径为管道外层壁33的内直径D4＝935mm，非整圈环形垫块32沿圆周方向宽度取为30mm，轴向长度取为45mm。
650℃二次再热蒸汽管道25的管道外层壁33的外表面设置保温层34，保温层34紧贴管道外层壁33的外表面。
保温层34外表面设置保护层35，保护层35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0.8mm。
本实施例，对于一根二次再热蒸汽管道，采用Sanicro25奥氏体钢与P92钢多层壁以及夹层承压与隔热的管道结构替代全部Sanicro25奥氏体钢的单层壁管道，可以节省Sanicro25奥氏体钢30.48t，多采用P92钢55.47t，多采用硅酸铝管壳制品4.97m3。Sanicro25奥氏体钢管道价格按照50万元/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1190万元，一台机组两根二次再热蒸汽管道可以减少造价2380万元。本实施例实现新的技术效果是降低了650℃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 (10)
1.一种夹层承压与隔热的640℃至650℃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奥氏体钢制成，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640℃至650℃、压力为2MPa至40MPa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夹层承压流体在环形夹层中流动，夹层承压流体的流动方向与蒸汽的流动方向相反。
2.如权利要求1所述的一种夹层承压与隔热的640℃至650℃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4m至16m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所述的一种夹层承压与隔热的640℃至650℃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10mm至50mm，非整圈环形垫块沿轴向的长度为30mm至60mm。
4.如权利要求1所述的一种夹层承压与隔热的640℃至650℃高温蒸汽管道，其特征在于：所述夹层承压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，所述夹层承压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所述的一种夹层承压与隔热的640℃至650℃高温蒸汽管道，其特征在于：所述夹层承压流体的流速为0.3m/s至15m/s，所述夹层承压流体的流量为蒸汽流量的0.3％至5％。
6.如权利要求1所述的一种夹层承压与隔热的640℃至650℃高温蒸汽管道，其特征在于：所述640℃至650℃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；
当夹层承压流体采用过热蒸汽时：
针对主蒸汽管道，夹层承压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，夹层承压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，夹层承压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。
7.如权利要求1所述的一种夹层承压与隔热的640℃至650℃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，夹层承压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，夹层承压流体的出口温度不超过600℃。
8.如权利要求1所述的一种夹层承压与隔热的640℃至650℃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，依据夹层承压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90mm；管道外层壁的内直径D4大于管道中层壁的外直径D3，依据夹层承压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。
9.如权利要求1所述的一种夹层承压与隔热的640℃至650℃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。
10.如权利要求9所述的一种夹层承压与隔热的640℃至650℃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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