摘要：本文比较了垃圾焚烧发电厂与火力发电厂在主厂房布置等方面的不同，结合工程实例，分析了目前在进行垃圾焚烧发电厂主蒸汽管道管径选择时所存在的问题，并提出了相应的解决方法，以期为其他设计者提供一定的参考。
1 引言
随着我国经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，城市生活垃圾的产量也越来越多。目前，我国城市生活垃圾年产量约为1.5亿吨，且这一数字还在以每年8%～10%的速度增长[1]，生活垃圾的处理已成为制约我国城市发展的一大难题。当前，我国生活垃圾主要靠填埋的方法进行处理，然而，大量填埋垃圾不仅占用了土地，还会对土壤、地下水和空气造成严重的二次污染。垃圾焚烧发电技术不仅可以解决垃圾处理问题，而且还能通过发电上网产生一定的经济效益，因此，受到人们越来越多的关注。近年来，垃圾发电产业在我国得到了快速发展。据统计，我国已有28个省、自治区及直辖市的大中小城市建成了约140座垃圾发电厂。据预计，到2020年我国将新增垃圾发电装机容量330万千瓦左右[2]。然而，同世界先进水平相比，我国垃圾发电产业起步较晚，在垃圾焚烧发电厂的设计方面，除《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》外，尚缺少专门的汽水管道、烟风管道等的设计规范，目前垃圾焚烧电厂的设计大都是参照火力发电厂的相关设计规范来进行的。但是，由于垃圾焚烧电厂是以焚烧达到垃圾清洁处理、减容并回收部分能量为目的，与火力发电厂的建设目的、燃料、工艺及系统流程、设备及厂房设置等方面都会有明显差别，按照火力发电厂的设计习惯进行垃圾发电厂的设计，就可能会产生某些问题，本文就垃圾焚烧电厂汽水管道管径选择方面提出了一些思考与建议。
2 问题的提出
目前，设计人员在进行垃圾电厂主蒸汽管道管径选择时，是参照《火力发电厂汽水管道设计技术规定》来进行相关计算和选型的。确定管径时按下式进行计算：
式中Di为管子内径，G为介质质量流量，υ为介质比容，ω为介质流速，Q为介质容积流量。其中，介质的流速根据推荐流速表来选取，主蒸汽管道的推荐流速为40~60m/s。
多年来，电厂设计中都是以管道内介质的推荐流速作为管道内径选择的依据。在满足管道通流能力及其允许压降的基础上，流速的大小直接关系到管道系统的经济性。由于具体工程中实际情况比较复杂，相互差异较大，很难通过技术经济比较来确定各类管道确切合理的介质流速。《火力发电厂汽水管道设计技术规定》中管道介质的推荐流速表则是在收集了许多国外相关单位的规定，并结合了多个国内引进机组电站中管道介质的实际流速，经过综合比较分析后确定的[3]。
然而，由火电厂实际运行参数所确定的这些经验数值，并不一定完全适合作为垃圾焚烧发电厂的设计依据。以主蒸汽管道的设计为例，以往我们所设计的垃圾焚烧发电厂中，存在用户反应主蒸汽管道压降偏大，汽机进气压力偏低的情况。仔细分析其原因，发现是由于与常规火电厂相比，垃圾焚烧电厂主蒸汽管道长度很长，设计者进行计算时采用了推荐流速而又没有进行压降核算造成的。
我们知道，由于焚烧工艺的不同，火力发电厂和垃圾焚烧电厂在主厂房的布置方式上有很大的差别：
火力发电厂主厂房一般包括锅炉间、汽机间、除氧间、煤仓间、引风机室等部分组成，布置形式上基本采用汽机房、除氧加热器间、煤仓间、锅炉房顺序排列的四列式布置方式。为节省空间，许多电厂还采用煤仓间与除氧间合并布置的三列式布置方式，如图1所示[4]。
而垃圾焚烧发电厂主厂房主要由垃圾卸料平台、垃圾储存池、锅炉间、尾气净化间、除氧间、汽机间等部分组成，考虑到垃圾给料的可靠与便利，主厂房一般顺序布置垃圾卸料平台、垃圾储存池、锅炉间、尾气净化间，除氧间和汽机间则并列布置在锅炉间的固定端侧，与锅炉房成L型布置，如图2所示[5]。有时受工艺条件的限制，汽机间还必须和主厂房分开，中间用管道连廊同主厂房相连接，如图3所示。对比可以发现，垃圾焚烧电厂汽机与锅炉之间的距离一般要比火力发电厂的大，垃圾焚烧电厂的主蒸汽管道要比火力发电厂的长，根据不同垃圾焚烧锅炉容量，垃圾焚烧电厂主蒸汽管道长度一般比常规火电厂长30米~150米左右。
按照《火力发电厂汽水管道设计技术规定》中的有关规定，蒸汽管道的压降可按达西公式计算：
其中，λ为管道摩擦系数，L为管道总展开长度，Σξ1为管道总局部阻力系数。
延伸阅读：
可见，在蒸汽流速和管径相同的情况下，管道的总长度越长，蒸汽管道的压降就越大。所以，在进行垃圾焚烧电厂主蒸汽管道设计时，若仍然采用常规的按推荐流速的方法来计算管径，就可能造成主蒸汽管道压降过大，汽机进气压力不足的情况发生。
3 工程实例
那么，在垃圾焚烧电厂设计中怎样避免主蒸汽管道压降过大的情况发生呢?理想的方法是根据运行中蒸汽的最大流量和允许的最大压降来反推管道的管径，然而，这种方法计算过程复杂，并不实用。比较简单的方法就是先跟据推荐流速初选管径，然后进行压降核算或者直接选择比计算管径大一至二级的管道。下面以浙江某垃圾焚烧发电扩建工程为例，简要介绍其主蒸汽管道管径的计算过程。
3.1 工程概况
浙江某垃圾焚烧发电厂一期工程安装了2台400t/d垃圾焚烧炉和2台7.5MW纯凝式汽轮发电机组。其中，垃圾焚烧炉额定连续蒸发量为30t/h，过热蒸汽出口压力为3.92MPa，出口温度为400℃;汽轮机额定进汽量为38.9t/h，主汽门前进汽压力为3.82MPa，进气温度为395℃。一期建设时在主厂房内预留了一条垃圾焚烧线的安装位置，本扩建工程在预留空位上新增一台200t/d的垃圾焚烧炉。新增锅炉的额定蒸发量为16t/h，过热蒸汽出口压力为4.0MPa，出口温度为400℃。现有主蒸汽管道采用单母管制系统，各锅炉产生的蒸汽先汇到一根蒸汽母管，再由该母管引往各汽轮机。本次新增锅炉的主蒸汽管道接至汇汽母管的预留接口，同原有锅炉蒸汽汇合后，被送往汽轮机。主厂房布置情况如图4所示，可以看出，本次新增锅炉距离汽轮机较远。
3.2 主蒸汽管道管径选择
本扩建工程主蒸汽管道的设计范围为从新增锅炉过热器汇汽集箱出口至主蒸汽母管预留接口，全厂约110m。若按推荐流速的方法，选取主蒸汽流速为40m/s，由已知蒸汽流量G =16 t/h及上面公式(1)可以算出管子内径Di约为100mm。若流速再选大些，则管径可以更小。所以，此时主蒸汽管道可选用DN100或DN125的管子。为验证管径选择是否合理，对管道的压力损失进行了计算，计算结果见表3-1。可以看出，当选用DN100或DN125的管子的时候，此段主蒸汽管道的压降均大于0.1MPa，再加上蒸汽母管至汽轮机段的压降，全段主蒸汽管道的压降将会更大。为防止发生汽轮机进汽压力不足的情况，设计中选用DN150的管子，此时管道的压降比较小，见表3-1。
图4 浙江某垃圾焚烧发电厂主厂房布置图
综上所述，在进行垃圾发电厂主蒸汽管道设计时，单纯按照推荐流速来确定管径有时并不合适，尤其是在主蒸汽管道较长的情况下。简单而有效的方法是：先按推荐流速计算管径，然后选择比该计算结果大一至二级的管径作为最终的管道管径。
当然，在管道长度不变的情况下，增大管径会造成垃圾电厂初始投资的增大。但是，合理增大管径能够减少介质输送过程中的能量损失，降低电厂运行费用。目前，我国能源价格高居不下，且不断攀升，而钢材价格却比较低，在这种情况下，设计时适当增加管径的大小，不但能够避免管道压降过大，而且能减少运行费用，使全厂的经济效益得到提高。
4 结束语
目前，设计者进行垃圾焚烧发电厂汽水管道的设计时，主要参考火力发电厂的相关设计规范进行设计。然而，由于垃圾焚烧发电厂和火力发电厂在厂房布置等方面的差别，这些规范的适用性及适用条件有待进一步验证。随着近年来我国垃圾焚烧发电产业的迅速发展，建立一套专门适用于垃圾焚烧发电厂汽水管道设计的技术规范显得越来越重要。本文所提到的主蒸汽管道的管径选择只是垃圾焚烧电厂设计中的一个小环节，希望能通过这个问题的提出，引起广大设计者的思考，从而不断完善垃圾焚烧发电厂的设计。
延伸阅读：
原标题：垃圾焚烧发电厂主蒸汽管道管径选择
