一种夹层流体冷却的630℃~650℃的主蒸气管道的制作方法

本发明涉及一种高参数主蒸气管道，尤其涉及一种夹层流体冷却的630℃～650℃的主蒸气管道，属于发电厂热力系统技术领域。

背景技术：

对于主蒸气温度的范围为630℃～650℃、主蒸气压力的范围为30mpa～40mpa、发电机组功率的范围为660mw～1350mw的主蒸气管道，其工作温度超过620℃。而制造与焊接性能好的p92钢的工作温度的上限为620℃，因此，制造与焊接性能好的p92钢无法在主蒸气温度为630℃～650℃的主蒸气管道上使用。

630℃～650℃的主蒸气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630℃～650℃的主蒸气管道，面临的技术难题是奥氏体钢主蒸气管道的制造与焊接的技术难度大，造价昂贵。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何降低主蒸气温度为630℃～650℃的主蒸气管道的造价。

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630℃～650℃的主蒸气管道，其特征在于：包括采用奥氏体钢制造的管道内层壁及采用p92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630℃～650℃、压力为30mpa～40mpa的主蒸气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气的流动方向相反。

优选地，所述主蒸气管道适用于主蒸气温度范围为630℃～650℃、主蒸气压力范围为30mpa～40mpa、发电机组功率范围为660mw～1350mw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3m～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。

优选地，所述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，保护层为铝合金薄板或镀锌薄钢板制成，保护层的厚度为0.5mm～1.5mm。

优选地，依据管道内层壁内主蒸气流量和主蒸气流速范围为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气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～80mm；

管道外层壁的外直径d4为：d4＝d3+2δ2。

优选地，所述管道内层壁内出口蒸气温度为汽轮机超高压缸进口额定主蒸气温度，所述管道内层壁内进口蒸气温度为锅炉末级过热器额定出口温度；已知汽轮机超高压缸进口额定主蒸气温度，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气压力为汽轮机超高压缸进口额定主蒸气压力，所述管道内层壁内进口蒸气压力为锅炉末级过热器额定出口压力，已知汽轮机超高压缸进口额定主蒸气压力，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气、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；

所述环形夹层内，冷却流体的进口压力等于或略小于主蒸气压力，冷却流体的流速为5m/s～15m/s，以减小冷却流体的传热系数；冷却流体的流量为主蒸气流量的1％～8％，冷却流体的出口温度不超过620℃。

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气，离开环形夹层的过热蒸气，进入与所述过热蒸气温度最相近的锅炉中间过热器；冷却流体所采用的过热蒸气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气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，对于主蒸气温度为630℃～650℃、主蒸气压力为30mpa～40mpa的主蒸气管道，采用奥氏体钢与p92钢双层壁以及环形夹层流体冷却的双层壁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，管道外层壁采用p92钢，环形夹层流体冷却，大大降低了630℃至650℃主蒸气管道的造价。

附图说明

图1为本实施例提供的夹层流体冷却的630℃～650℃的主蒸气管道布置示意图；

图2为本实施例提供的夹层流体冷却的630℃～650℃的主蒸气管道截面图；

图3为非整圈环形垫块横截面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

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气温度为650℃，额定主蒸气压力为35mpa，主蒸气流量为2889t/h，两根650℃主蒸气管道的布置如图1所示，650℃主蒸气管道1位于锅炉末级过热器2与汽轮机超高压缸3之间，单根主蒸气管道1的流量为1444.5t/h。

该主蒸气管道的结构如图2所示，由管道内层壁4、环形夹层5、管道外层壁7、保温层8与保护层9从内到外依次同轴设置组成。

其中，环形夹层5内设有非整圈环形垫块6，非整圈环形垫块6的结构如图3所示，由多个弧形垫块均匀布置于环形夹层6内组成，相邻弧形垫块之间设有间隙。

管道内层壁4采用sanicro25奥氏体钢，管道外层壁7采用p92钢。主蒸气在管道内层壁4构成的圆形管道中流动，依据主蒸气流量为1444.5t/h和管道流速的范围为40m/s～60m/s的限制，确定管道内层壁4的内直径d1为315mm，对应的管道流速为54.10m/s。

管道内层壁4与管道外层壁7之间的环形夹层5采用流体冷却，冷却流体可以是过热蒸气、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，本实施例中冷却流体是过热蒸气。

环形夹层4内冷却流体的流动方向与主蒸气流动方向相反，冷却流体从汽轮机超高压缸3的主汽阀处流向锅炉末级过热器2的出口集箱处。

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5。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5。冷却流体的出口温度不超过620℃，采用传热计算方法确定冷却流体的进口温度为399.2℃。

管道内层壁4内的出口蒸气温度为汽轮机超高压缸3进口额定主蒸气温度650℃，管道内层壁4内的进口蒸气温度为锅炉末级过热器2额定出口温度，已知汽轮机超高压缸3进口额定主蒸气温度为650℃，采用传热计算方法确定锅炉末级过热器2额定出口温度为662.8℃。

管道内层壁4内的出口蒸气压力为汽轮机超高压缸3进口额定主蒸气压力35mpa，管道内层壁4内的进口蒸气压力为锅炉末级过热器2额定出口压力，已知汽轮机超高压缸3进口额定主蒸气压力为35mpa，采用管道沿程压损计算公式确定锅炉末级过热器2额定出口压力为36.11mpa。

环形夹层5内的冷却流体的进口压力等于主蒸气压力或略小于主蒸气压力，本实施例中，冷却流体的进口压力取为36.74mpa。依据管道内层壁4内的进口蒸气温度662.8℃和管道内层壁4的内外压差0mpa，确定管道内层壁4的厚度，管道内层壁4的厚度δ1取为5mm。

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＝315+2×5＝325mm。

环形夹层5内冷却流体的流速的范围为5m/s～15m/s，以减小冷却流体的传热系数。本实施例中，环形夹层5冷却流体的流速取为9.13m/s。环形夹层2内冷却流体的流量取主蒸气流量的1％～8％。本实施例中，环形夹层2内冷却流体的流量是主蒸气流量的2.07％，取为30t/h。

管道外层壁7的内直径d3大于管道内层壁4的外直径d2，依据环形夹层2内冷却流体的流速9.13m/s和冷却流体的流量30t/h，确定管道外层壁7的内直径d3为337mm。

依据冷却流体的进口压力36mpa与出口温度620℃，确定管道外层壁7的厚度，管道外层壁7的厚度δ2为60mm。650℃主蒸气管道1的管道外层壁7的外直径d4为管道外层壁7的内直径d3与2倍管道外层壁的厚度δ2之和，即d4＝d3+2δ2＝337+2×60＝457mm。

在管道内层壁4与管道外层壁7之间的环形夹层5中，沿环形夹层中心线每隔3m至15m，设置非整圈的圆环形垫块6，本实施例中，每隔6m设置非整圈环形垫块6，在每一设置非整圈环形垫块3所在截面的沿圆周方向，非整圈环形垫块6的数量取为3，非整圈环形垫块6材料选取耐高温的非金属保温材料，以防止管道内层壁4与管道外层壁7相接触。

非整圈环形垫块6的内直径为管道内层壁的外直径d2＝325mm，非整圈环形垫块5的外直径为管道外层壁7的内直径d3＝337mm，非整圈环形垫块6沿圆周方向宽度为40mm，轴向长度为70mm。

管道外层壁7的外表面设置保温层8，保温层8紧贴管道外层壁7的外表面。保温层8外表面设置铝合金薄板或镀锌薄钢板的保护层9，保护层9的厚度范围为0.5mm～1.5mm，本实施例中保护层9的厚度取为1mm。

冷却流体所采用的进口参数为36.74mpa、399.2℃的过热蒸气，由发电厂内部系统的锅炉提供，离开夹层的过热蒸气，进入蒸气温度相近锅炉中间过热器，冷却流体所采用的过热蒸气的流量对汽轮机的热耗率没有影响，冷却蒸气吸收的热量可以再次利用。

本实施例中，对于一根主蒸气管道，采用sanicro25奥氏体钢与p92钢双层壁以及环形夹层流体冷却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77.41t，多采用p92钢70.5t。sanicro25奥氏体钢管道价格按照50万元计算，p92钢管道价格按照6万元计算，一根主蒸气管道可以减少造价3447.5万元，一台机组两根主蒸气管道可以减少造价6895万元。本发明大大降低了主蒸气管道的造价。

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。