CN110260160B - 蒸汽管道及发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发电设备领域，公开了一种蒸汽管道及发电系统，所述蒸汽管道包括直线管段(1)和与所述直线管段(1)的端部连通的具有多圈螺旋状结构的弹簧管段(2)，所述弹簧管段(2)的中心轴线方向与所述直线管段(1)的延伸方向一致，并且所述弹簧管段(2)能够沿所述直线管段(1)的延伸方向伸缩变形。本发明的蒸汽管道及发电系统，在满足应力要求的前提下能够降低管道内的阻力和减少蒸汽管道用量，同时结构简单，方便制造和安装，有利于成本的降低。
Description
技术领域
本发明涉及发电设备领域，具体地涉及一种蒸汽管道及发电系统。
背景技术
传统发电系统中的汽轮发电机组布置在相对较低的位置，汽轮机的连接蒸汽管道的第一接口与锅炉的连接蒸汽管道的第二接口之间的高度落差较大，为了补偿因热膨胀等引起的位移变化，需要合理布置蒸汽管道和用于固定管道的支吊架，管路设计难度较高，并且为了降低运行中该段管道的力矩，以使应力在允许范围，确保系统能够正常运行，往往对蒸汽管道进行转弯回折设计，导致管道用量以及管道内的阻力较大，不利于降低成本。
例如，申请号为201710268345.9的中国专利申请公开了一种机炉紧凑布置的管道连接系统，至少包括具有锅炉受热面、锅炉出口联箱的锅炉、高位汽轮机以及连接锅炉出口联箱与高位汽轮机之间的管道系统，所述锅炉出口联箱贴靠所述高位汽轮机，与所述锅炉出口联箱相连接的所述锅炉受热面管束(受热面管排炉外段)布置成包括水平段和垂直段的L型。并且在该申请中指出，锅炉出口联箱机炉之间系统的热膨胀、热应力均由连接在锅炉出口联箱上的管束来吸收。由于锅炉受热面管束的水平段和垂直段的连接部位必然会形成转弯回折设计，导致管道用量加大，且使管道内的阻力增大。
再如，申请号为00108362.7的中国专利申请公开了一种锅炉悬吊装置，在其说明书部分第二段公开了以下特征“通常把用于在热电厂中产生蒸汽的锅炉悬吊在钢架上。这些钢架具有侧面支撑和水平横梁。锅炉固定悬吊在水平横梁的不同点上。锅炉供暖时，锅炉将通过上固定点向下产生膨胀。由于这种膨胀的原因，在垂直方向上活汽管道与锅炉相连接的接点位置将发生变化。为了使与汽轮机相连接的活汽管道伴随锅炉的热膨胀而产生顺应的和相应的变化，需在活汽管道上设置多个用于膨胀的拱形件。”由于这里的“拱形件”为类似U形的结构，其调节管系膨胀的问题依靠的仍然是弯曲回折设计，并且由于该结构变形有限，因此需要设置多个拱形件，并且由于需要在高温和高压的环境下变形工作，对材质要求较高，加工工艺相当复杂，导致活汽管道非常昂贵。另外，在该申请的说明书部分第十二段公开了以下特征“图1中示意性地示出了锅炉，该锅炉带有装在锅炉骨架上的本发明的锅炉悬吊装置。人们利用这种锅炉生产例如热电厂中的蒸汽。与本发明相应的是将锅炉以液压形式悬挂到锅炉骨架的上部横梁上。液压式锅炉悬吊装置包括多个汽缸，这些汽缸以水平和垂直方式设置在横梁和锅炉上。垂直设置的液压汽缸起的作用是，抵制锅炉的向下的热膨胀。在图l中用箭头示出了通过补偿后实现的膨胀方向。此外，水平方向上产生的锅炉膨胀是通过水平设置的液压汽缸跟踪的。借助于图l中未示出的应变计或压力传感器可以按垂直和水平方式实现热膨胀补偿，所述的应变计或压力传感器设置在锅炉的上部表面上或设在锅炉的上部表面和锅炉骨架之间，并且通过同样未示出的有效连接装置与液压汽缸相连接。”这样通过液压汽缸可补偿锅炉膨胀和收缩时产生的位移变化，但并不能补偿活汽管道(相当于本申请中的蒸汽管道)膨胀和收缩时产生的位移变化，导致活汽管道内的应力较大，存在一定安全隐患。
因此，存在设计一种结构简单且在满足应力要求的前提下能够减少管道用量和降低管道内的阻力的蒸汽管道的需要。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的管道结构复杂且管道用量和管道内的阻力较大的问题，提供一种蒸汽管道，该蒸汽管道结构简单且在满足应力要求的前提下能够减少管道用量和降低管道内的阻力。
本发明的另一目的是为了提供一种包括上述蒸汽管道的发电系统。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种蒸汽管道，所述蒸汽管道包括直线管段和与所述直线管段的端部连通的具有多圈螺旋状结构的弹簧管段，所述弹簧管段的中心轴线方向与所述直线管段的延伸方向一致，并且所述弹簧管段能够沿所述直线管段的延伸方向伸缩变形。
在上述技术方案中，当将汽轮机的连接蒸汽管道的第一接口与锅炉的连接蒸汽管道的第二接口等高设置时，在竖直方向上因膨胀和冷却变形导致的位移差较小，蒸汽管道主要用于补偿在水平方向上因膨胀和冷却变形导致的位移差，此时本申请的包括直线管段和弹簧管段的蒸汽管道可沿水平方向布置，其中，弹簧管段可在所述直线管段的延伸方向上伸缩变形来补偿位移，而与弹簧管段相比，直线管段内的阻力较小，同时相同距离长度下直线管段的管道用量较少，从而在满足力矩要求的前提下能够降低管道内的阻力和减少蒸汽管道用量，同时结构简单，方便制造和安装，有利于成本的降低。
优选地，所述弹簧管段的外径为D1，所述直线管段的直径为D2，D1/D2的取值范围为3-5；和/或所述弹簧管段的长度为L1，所述直线管段长度为L2，L1/L2的取值范围为1/10-1/3；和/或所述直线管段的直径为D2，所述弹簧管段的长度为L1，D2/L1的取值范围为1/10-1/5。
优选地，每圈所述螺旋状结构包括多个焊接连接的弧状结构。
优选地，每圈所述螺旋状结构包括四个所述弧状结构，每个所述弧状结构的圆心角为90°。
优选地，所述弹簧管段为一体成型结构。
优选地，所述弹簧管段中的所述螺旋状结构的圈数为2圈-3圈。
优选地，所述弹簧管段的管道内径与所述直线管段的管道内径相同且对齐顺滑连接，所述弹簧管段的管道外径与所述直线管段的管道外径相同且对齐顺滑连接；和/或所述直线管段的数量为多个，相邻的两个所述直线管段之间连接有所述弹簧管段。
本发明第二方面提供一种发电系统，所述发电系统包括汽轮机、锅炉以及连接所述汽轮机和所述锅炉的上述的蒸汽管道；其中，所述汽轮机的连接于所述蒸汽管道的第一接口与所述锅炉的连接于所述蒸汽管道的第二接口等高设置。
优选地，所述发电系统包括用于固定所述蒸汽管道的支吊结构；所述支吊结构包括用于吊挂所述蒸汽管道的悬吊件和/或用于支撑所述蒸汽管道的支撑件。
优选地，连接所述锅炉的过热器出口联箱和所述汽轮机的高压缸进口的主蒸汽管道包括所述蒸汽管道；和/或连接所述锅炉的再热器进口联箱和所述汽轮机的高压缸出口的再热蒸汽管道包括所述蒸汽管道；和/或连接所述锅炉的再热器出口联箱和所述汽轮机的中压缸进口的再热蒸汽管道包括所述蒸汽管道。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明优选实施方式的蒸汽管道的结构示意图；
图2是本发明优选实施方式的发电系统的局部结构图。
附图标记说明
1 直线管段 2 弹簧管段
10 蒸汽管道 201 悬吊件
202 支撑件
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
传统发电系统中的汽轮发电机组布置在相对较低的位置，汽轮机的连接蒸汽管道的第一接口与锅炉的连接蒸汽管道的第二接口之间的高度落差较大，以1000MW机组为例，锅炉蒸汽管道在70至80米的位置引出，汽轮发电机组布置在17米的平台上，落差达50米以上。为了补偿因热膨胀等引起的位移变化，需要合理布置管道和用于固定管道的支吊架，管路设计难度较高，并且为了降低运行中该段管道的力矩，以使应力在允许范围，确保系统能够正常运行，往往对蒸汽管道进行转弯回折设计，导致管道用量以及管道内的阻力较大，不利于降低成本。
如果将汽轮发电机组高位布置以减小汽轮机的连接蒸汽管道的第一接口与锅炉的连接蒸汽管道的第二接口之间的高度落差，则能够大大缩短连接主蒸汽及再热蒸汽管道的长度，但为消除热膨胀和机械作用等引起的作用力和进一步降低管道用量和管道内的阻力，还需要对蒸汽管道的结构进行合理的设计。
基于上述技术中的管道结构复杂且管道用量和管道内的阻力较大的问题，本发明提供一种能够适用于连接锅炉和高位布置的汽轮机以有效解决上述技术问题的蒸汽管道及包括该蒸汽管道的发电系统，下文将通过具体的实施方式并结合相应的附图对蒸汽管道和发电系统进行详细的描述。
本发明一方面提供一种蒸汽管道，如图1所示，所述蒸汽管道包括直线管段1和与所述直线管段1的端部连通的具有多圈螺旋状结构的弹簧管段2，所述弹簧管段2的中心轴线方向与所述直线管段1的延伸方向一致，并且所述弹簧管段2能够沿所述直线管段1的延伸方向伸缩变形。
其中，弹簧管段2的设计必须充分考虑在不同温度变化下引起的管道长度变化以及由于机械原因导致的位移，并且为了保证使用安全，弹簧管段2的长度变化量在满足系统需求的前提下需要保留一定的安全裕度。具体地，可采用压力和温度均能满足要求的材质，例如P91或P92钢，加工成具有类似弹簧特性的弹簧管段2。
在上述技术方案中，当将汽轮机的连接蒸汽管道的第一接口与锅炉的连接蒸汽管道的第二接口等高设置时，在竖直方向上因膨胀和冷却变形导致的位移差较小，蒸汽管道主要用于补偿在水平方向上因膨胀和冷却变形导致的位移差，此时本申请的包括直线管段和弹簧管段的蒸汽管道可沿水平方向布置，其中，弹簧管段2可在所述直线管段1的延伸方向上伸缩变形来补偿位移，而与弹簧管段2相比，直线管段1内的阻力较小，同时相同距离长度下直线管段1的管道用量较少，从而在满足力矩要求的前提下能够降低管道内的阻力和减少蒸汽管道用量，同时结构简单，方便制造和安装，有利于成本的降低。
为了在保证弹簧管段2的弹性变形能够补偿由于温度和机械原因等引起的蒸汽管道的位移变化的前提下，尽量减少弹簧管段2的外径和长度，以方便蒸汽管道的布置和减少占用体积，如图1所示，优选地，所述弹簧管段2的外径为D1，所述直线管段1的直径为D2，D1/D2的取值范围为3-5；所述弹簧管段2的长度为L1，所述直线管段1的长度为L2，L1/L2的取值范围为1/10-1/3；所述直线管段1的直径为D2，所述弹簧管段2的长度为L1，D2/L1的取值范围为1/10-1/5。
为了降低加工难度，优选地，每圈所述螺旋状结构包括多个焊接连接的弧状结构。其中，弧状结构之间的焊缝强度应能适应膨胀或收缩变化，以保证蒸汽管道能够长期安全的运行。
进一步优选地，每圈所述螺旋状结构包括四个所述弧状结构，每个所述弧状结构的圆心角为90°。具体地，四个圆心角为90°的弧状结构可旋转一定角度顺次焊接连接在一起，形成一圈螺旋状结构，多圈螺旋状结构再焊接连接，即可形成弹簧管段2。为了方便加工制造和提高生产率，这里每个弧状结构的圆心角的度数相同，这样可以使用同一种型号工具或同一种加工方法批量生产，另外可以理解的是，每圈螺旋状结构也由圆心角度数不相同的几个弧状结构焊接形成，或者每圈螺旋状结构可由圆心角度数相同的几个弧状结构和圆心角度数不相同的几个弧状结构一起焊接形成。
为了提高结构强度，优选地，所述弹簧管段2为一体成型结构。由于省去了每圈螺旋状结构之间的焊接工序和每圈螺旋状结构中的几个弧状结构之间的焊接工序，因此能够简化工序，节省制造时间。
为了在满足长度补偿要求和应力要求的前提下尽量减少管道用量和管道内的阻力，优选地，所述弹簧管段2中的所述螺旋状结构的圈数为2圈-3圈。可以理解的是，弹簧管段2中的螺旋状结构的圈数也可根据实际需要选择其他合适的数值，并且当弹簧管段2的数量为多个时，每个弹簧管段2中的螺旋状结构的圈数可以相同也可以不同，具体地，可根据弹簧管段2的布置位置(例如蒸汽管道的中间位置或者蒸汽管道的两端位置等)和需要补偿的位移量及承受的应力等因素灵活选择。
为了进一步降低蒸汽在蒸汽管道内的流动阻力，优选地，所述弹簧管段2的管道内径与所述直线管段1的管道内径相同且对齐顺滑连接，并且，为了使蒸汽管道各部分的强度一致且外形整洁，所述弹簧管段2的管道外径与所述直线管段1的管道外径相同且对齐顺滑连接。可以理解的是，若蒸汽管道受力不均匀，也可增大蒸汽管道受力比较大的部位处的壁厚，此时该部位的管道外径可与其他部位不同，或者可在该部位处单独设置加强结构，以提高该部位处的受力程度。
优选地，所述直线管段1的数量为多个，相邻的两个所述直线管段1之间连接有所述弹簧管段2。也就是说，弹簧管段2可设置于连接汽轮机和锅炉的蒸汽管道的中间管段处以更好地吸收消纳应力。更优选地，在一条蒸汽管道中可包括1-5个弹簧管段2。
本发明第二方面提供一种发电系统，所述发电系统包括汽轮机、锅炉以及连接所述汽轮机和所述锅炉的上述的蒸汽管道10；其中，所述汽轮机的连接于所述蒸汽管道10的第一接口与所述锅炉的连接于所述蒸汽管道10的第二接口等高设置。由于该发电系统包括上述的蒸汽管道10，因此具有上文关于蒸汽管道10的所有或至少部分的技术效果，更具体的技术方案的细节和效果可参照上文。
为了可靠固定蒸汽管道10以保证蒸汽管道10能够正常工作，如图2所示，优选地，所述发电系统包括用于固定所述蒸汽管道10的支吊结构，其中，所述支吊结构包括用于吊挂所述蒸汽管道10的悬吊件201，悬吊件201例如可悬挂在工厂的顶棚上，可选择地，所述支吊结构包括用于支撑所述蒸汽管道10的支撑件202，支撑件202例如可支撑在地面上。并且，可根据实际工作需要，经过应力计算来确定悬吊件201和支撑件202的布置位置、数量以及支撑蒸汽管道10的支座的形式，支座例如可包括滑动支座和固定支座，或者弹性支座和刚性支座等。
当汽轮机高位布置时，即所述汽轮机的连接于所述蒸汽管道的第一接口与所述锅炉的连接于所述蒸汽管道的第二接口等高设置时，优选地，连接所述锅炉的过热器出口联箱和所述汽轮机的高压缸进口的主蒸汽管道包括所述蒸汽管道10，可选择地，连接所述锅炉的再热器进口联箱和所述汽轮机的高压缸出口的再热蒸汽管道包括所述蒸汽管道10，可选择地，连接所述锅炉的再热器出口联箱和所述汽轮机的中压缸进口的再热蒸汽管道包括所述蒸汽管道10。这样有利于简化主蒸汽管道和再热蒸汽管道的结构，降低管道用量和管道内的阻力，充分发挥汽轮发电机组高位布置方案的优势。
可以理解的是，本发明的蒸汽管道也可用于连接其他需要位移补偿的两个设备，并不局限于汽轮机和锅炉，并且蒸汽管道也不限于水平布置，也可相对水平方向稍微倾斜一定角度布置，或者沿竖直方向布置，或者相对竖直方向稍微倾斜一定角度布置。另外，弹簧管段2的中心轴线的方向一般可以是直线，但在有需要时也可以是曲线，具体可根据工作需要灵活设计。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种发电系统，其特征在于，所述发电系统包括汽轮机、锅炉以及连接所述汽轮机和所述锅炉的蒸汽管道(10)；其中，所述汽轮机的连接于所述蒸汽管道(10)的第一接口与所述锅炉的连接于所述蒸汽管道(10)的第二接口等高设置，所述蒸汽管道(10)包括直线管段(1)和与所述直线管段(1)的端部连通的具有多圈螺旋状结构的弹簧管段(2)，所述弹簧管段(2)的中心轴线方向与所述直线管段(1)的延伸方向一致，并且所述弹簧管段(2)能够沿所述直线管段(1)的延伸方向伸缩变形；
其中，
所述弹簧管段(2)的外径为D1，所述直线管段(1)的直径为D2，D1/D2的取值范围为3-5；和/或
所述弹簧管段(2)的长度为L1，所述直线管段(1)的长度为L2，L1/L2的取值范围为1/10-1/3；和/或
所述直线管段(1)的直径为D2，所述弹簧管段(2)的长度为L1，D2/L1的取值范围为1/10-1/5。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，每圈所述螺旋状结构包括多个焊接连接的弧状结构。
3.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，每圈所述螺旋状结构包括四个所述弧状结构，每个所述弧状结构的圆心角为90°。
4.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述弹簧管段(2)为一体成型结构。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的发电系统，其特征在于，所述弹簧管段(2)中的所述螺旋状结构的圈数为2圈-3圈。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的发电系统，其特征在于：
所述弹簧管段(2)的管道内径与所述直线管段(1)的管道内径相同且对齐顺滑连接，所述弹簧管段(2)的管道外径与所述直线管段(1)的管道外径相同且对齐顺滑连接；和/或
所述直线管段(1)的数量为多个，相邻的两个所述直线管段(1)之间连接有所述弹簧管段(2)。
7.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述发电系统包括用于固定所述蒸汽管道(10)的支吊结构；所述支吊结构包括用于吊挂所述蒸汽管道(10)的悬吊件(201)和/或用于支撑所述蒸汽管道(10)的支撑件(202)。
8.根据权利要求7所述的发电系统，其特征在于：
连接所述锅炉的过热器出口联箱和所述汽轮机的高压缸进口的主蒸汽管道包括所述蒸汽管道(10)；和/或
连接所述锅炉的再热器进口联箱和所述汽轮机的高压缸出口的再热蒸汽管道包括所述蒸汽管道(10)；和/或
连接所述锅炉的再热器出口联箱和所述汽轮机的中压缸进口的再热蒸汽管道包括所述蒸汽管道(10)。
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