董 春，盧 偉

(山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013)

1 概述

超超臨界機(jī)組的工質(zhì)壓力、溫度參數(shù)的提高，對(duì)主蒸汽、熱再熱蒸汽和高壓給水系統(tǒng)部分的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表導(dǎo)管閥門等提出了更高的要求，我國(guó)現(xiàn)行的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未對(duì)此做出規(guī)定，本文旨在通過(guò)論述，確定高溫高壓參數(shù)對(duì)應(yīng)的儀表導(dǎo)管閥門的選用原則，給出能滿足相關(guān)工藝參數(shù)和安全可靠要求的選型建議。

2 超超臨界參數(shù)

目前對(duì)超超臨界參數(shù)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從目前訂貨的1000MW超超臨界機(jī)組參數(shù)來(lái)看，大多采用25～28MPa/600℃/600(610)℃。目前國(guó)內(nèi)三大主機(jī)廠超超臨界機(jī)組推薦蒸汽參數(shù)見表1。

表1 國(guó)內(nèi)三大主機(jī)廠超超臨界機(jī)組推薦蒸汽參數(shù)

給水泵出口壓力和溫度為一般在33MPa和298℃左右。

用于導(dǎo)管壁厚計(jì)算的設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)在此基礎(chǔ)上考慮一定的裕量，在此主汽系統(tǒng)壓力取29MPa，溫度取605℃；熱再熱蒸汽系統(tǒng)壓力取8MPa，溫度取610℃；給水系統(tǒng)壓力取39MPa，溫度取310℃。

3 熱工儀表導(dǎo)管的選用

超超臨界機(jī)組最大的特點(diǎn)在于主蒸汽壓力、溫度以及再熱蒸汽溫度和給水壓力的進(jìn)一步提高，這些管道或工藝部件上的測(cè)量?jī)x表，需特別注意取源部件材料的耐溫耐壓?jiǎn)栴}，選用不當(dāng)將給機(jī)組的安全運(yùn)行留下隱患，下面對(duì)其儀表導(dǎo)管的選型進(jìn)行論述。

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

在工程應(yīng)用中，儀表導(dǎo)管選型沒有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)規(guī)范，我們不妨借鑒一下工藝管道的設(shè)計(jì)規(guī)范，以此來(lái)指導(dǎo)我們儀表導(dǎo)管的設(shè)計(jì)。工藝管道的設(shè)計(jì)適用的國(guó)際規(guī)范主要是《動(dòng)力管道》(ASME B31.1－2004)，國(guó)內(nèi)規(guī)范主要是《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T5054－1996)。《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T5054－1996)第1.0.2條中規(guī)定，本規(guī)定適用于火力發(fā)電廠范圍內(nèi)主蒸汽參數(shù)為27MPa、550℃(高溫再熱蒸汽可達(dá)565℃)的及以下機(jī)組的汽水管道設(shè)計(jì)，熱網(wǎng)管道和輸送油、空氣等介質(zhì)管道的設(shè)計(jì)，可參照本規(guī)定執(zhí)行。而由前面的論述之，超超臨界的參數(shù)已經(jīng)超過(guò)了此規(guī)定的適用范圍，而且本規(guī)定只有壁厚計(jì)算部分可用于儀表導(dǎo)管的管徑設(shè)計(jì)，沒有對(duì)儀表閥門作出規(guī)定。ASME的《動(dòng)力管道》則不然，除了其100.1.3節(jié)中規(guī)定的不適用條款外的動(dòng)力管道皆適用本規(guī)程，且本規(guī)程除壁厚計(jì)算外，它還包含有對(duì)儀表管道及其隔離閥、排污閥等的相關(guān)規(guī)定。故本文高溫高壓汽水系統(tǒng)儀表導(dǎo)管設(shè)計(jì)將按照ASME B31.1的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3.2 儀表管材質(zhì)的確定

據(jù)《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(NDGJ16－89)：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)參數(shù)壓力為17MPa～25.4MPa，溫度為500℃～566℃時(shí)，汽水系統(tǒng)中一次門前取壓短管及導(dǎo)管材質(zhì)均采用12Cr1MoV或與主管道同材質(zhì)。雖然超超臨界機(jī)組的蒸汽參數(shù)已遠(yuǎn)超出該規(guī)定的壓力溫度范圍，其內(nèi)容已不適用，但與主管道同材質(zhì)這一標(biāo)準(zhǔn)仍依然適用。

(1)主蒸汽和熱再蒸汽儀表導(dǎo)管材料

主蒸汽和熱再蒸汽管道儀表一次門前導(dǎo)管溫度同主工藝管道的介質(zhì)的溫度，在目前國(guó)內(nèi)的工程實(shí)踐中，大多采用了與主工藝管道相同的材質(zhì)，這一方面可享用這些新型耐熱鋼具有的各種優(yōu)勢(shì)特性，同時(shí)也可減少施工現(xiàn)場(chǎng)儀表導(dǎo)管高溫處異種鋼的焊接，避免由于焊接處理不當(dāng)?shù)葞?lái)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，超超臨界機(jī)組的主蒸汽和熱再蒸汽管道儀表一次門前取壓短管及導(dǎo)管均采用P92管材。P92鋼是在P91鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)出來(lái)的一種新型鋼種，線膨脹系數(shù)低，常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度高，焊接裂紋敏感性比傳統(tǒng)的鐵素體耐熱鋼低，可作為極苛刻蒸汽條件下的集箱和蒸汽管道材料。目前市場(chǎng)上均可采購(gòu)到P92管子，但小口徑管需提前訂購(gòu)。相對(duì)于P92而言，TP316H不銹鋼含碳量更高，抗脫碳性能更好，故適于高溫條件下使用，此外316H具有更好的屈服強(qiáng)度和韌性，TP316H等奧氏體不銹鋼使用溫度也可高達(dá)620℃，技術(shù)條件成熟、標(biāo)準(zhǔn)，采購(gòu)相對(duì)比較容易，國(guó)外電廠普遍將其用于儀表導(dǎo)管。因此，主汽和熱再汽儀表一次門后導(dǎo)管選用TP316H。

(2) 高壓給水管道儀表導(dǎo)管材料

超超臨界機(jī)組的高壓給水主工藝管道材質(zhì)為WB36，根據(jù)與主管道同材質(zhì)的原則，導(dǎo)管可選WB36材質(zhì)。WB36，按德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)原名15NiCuMoNb5，是含Nb微合金化的貝氏體Ni－Cu－Mo鋼，主要應(yīng)用于電站給水管道和集箱，已有30多年的歷史，在450℃以下具有良好的高強(qiáng)度性能，一般服役溫度為280℃～320℃，最高不超過(guò)450℃，服役壓力不超過(guò)530bar。另給水壓力雖高，但溫度并不高，因此也可選用不銹鋼材質(zhì)，一次門前、后的儀表導(dǎo)管可全部采用TP316；也有的工程選用12Cr1MoV材質(zhì)。具體使用哪種材質(zhì)好，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮利弊來(lái)選擇。

3.3 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

ASME B31.1第122.3.2(A)款“儀表管道引出管”要求將儀表管道引出管“設(shè)計(jì)成能經(jīng)受信號(hào)源設(shè)計(jì)壓力和溫度”，據(jù)此，將超超臨界機(jī)組工程的高溫高壓汽水系統(tǒng)儀表一次門前取壓短管和導(dǎo)管的設(shè)計(jì)參數(shù)定為同主工藝管道的設(shè)計(jì)參數(shù)。ASME B31.1第122.3.2節(jié)雖未明確如何確定超臨界壓力一次門后儀表導(dǎo)管的設(shè)計(jì)溫度，但在該節(jié)(B2.1)款中則指出：“對(duì)其它介質(zhì)，排污閥門應(yīng)滿足上述(B.1)的要求”(也即：對(duì)非亞臨界情況，排污閥的設(shè)計(jì)溫度和壓力同相連容器或管道的設(shè)計(jì)壓力和溫度)。因此，可以認(rèn)為ASME B31.1的規(guī)定隱含有超(超)臨界參數(shù)排污門前、一次門后的儀表導(dǎo)管的設(shè)計(jì)參數(shù)與主工藝管道設(shè)計(jì)參數(shù)相同的含義。儀表導(dǎo)管內(nèi)介質(zhì)的溫降與導(dǎo)管的長(zhǎng)度、管徑、保溫、排污等有關(guān)。理論上雖然可通過(guò)計(jì)算確定，但因計(jì)算條件與實(shí)際情況可能有差別，如排污時(shí)間不同，儀表安裝位置受限導(dǎo)致導(dǎo)管長(zhǎng)度變化等，故根據(jù)一次門后儀表導(dǎo)管溫降計(jì)算結(jié)果降低選用設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)際上并不可行。為此，將超超臨界機(jī)組的主汽、熱再熱汽和高壓給水儀表管一次門后導(dǎo)管設(shè)計(jì)壓力和溫度也定為與主工藝管道相同的參數(shù)是合適的。

3.4 管徑的確定

工藝管道的設(shè)計(jì)中，管徑是根據(jù)管道內(nèi)介質(zhì)的流量和流速確定的，流量可以由相關(guān)工藝主設(shè)備的參數(shù)確定，流速則可以通過(guò)查閱相關(guān)規(guī)程的推薦流速來(lái)選取，見表2為規(guī)程規(guī)定的汽水管道介質(zhì)的推薦流速：

表2 汽水管道介質(zhì)的推薦流速

但上述計(jì)算方法無(wú)法用于儀表導(dǎo)管管徑的確定，因?yàn)樵谡９ぷ鳡顟B(tài)下，儀表管內(nèi)的介質(zhì)處于非流動(dòng)狀態(tài)，無(wú)所謂流速、流量。根據(jù)ASME B31.1第122.3.2(A.1)款的要求,對(duì)壓力≥6200kPa或溫度≥425℃使用工況，引出管的公稱尺寸≥NPS3/4，即管子的公稱直徑≥19.05mm，將本依托工程的主蒸汽一次門前導(dǎo)管公稱直徑定為32mm，熱再熱蒸汽、高壓給水的一次門前導(dǎo)管公稱直徑定為25mm。對(duì)于一次門后導(dǎo)管的要求較一次門前導(dǎo)管要低，一般取公稱直徑為18mm或16mm即可。

3.5 壁厚的確定

儀表導(dǎo)管壁厚依據(jù)ASME B31.1壁厚計(jì)算公式計(jì)算。

計(jì)算壁厚公式如下：

設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)超過(guò)：

式中：tm為計(jì)算壁厚，即滿足設(shè)計(jì)參數(shù)所需的最小壁厚(mm)；P為設(shè)計(jì)內(nèi)壓力(MPa)表壓；D0為管道外徑(mm)；SE、SF為設(shè)計(jì)溫度下由壓力和焊縫接頭系數(shù)(或鑄造質(zhì)量系數(shù))所確定的材料最大許用應(yīng)力。SE和SF的數(shù)值不應(yīng)超過(guò)《動(dòng)力管道》(ASME B31.1-2004)附錄A中對(duì)相應(yīng)材料和設(shè)計(jì)溫度所列的數(shù)值。這些數(shù)值中包括了焊縫接頭系數(shù)E或鑄造系數(shù)F(MPa)。A為附加厚度(mm)。主要用于補(bǔ)償機(jī)械接頭中由于加工螺紋或開槽減少的壁厚、管子的腐蝕或侵蝕、為管子提供足夠得力學(xué)強(qiáng)度等因素，此處不考慮這些因素，值取為0。y為一系數(shù)，其值可查閱《動(dòng)力管道》(ASME B31.1－2004)的表104.1.2(A)。

得出的計(jì)算壁厚tm須代入(2)做驗(yàn)算，以確保驗(yàn)算壓力值大于設(shè)計(jì)壓力。

考慮管道負(fù)偏差后的壁厚：

管子壁厚負(fù)偏差附加值：

式中：α為管子壁厚負(fù)偏差系數(shù)，當(dāng)產(chǎn)品技術(shù)說(shuō)明中規(guī)定的負(fù)偏差為10%時(shí)，α取0.11。

補(bǔ)償彎管壁厚的減薄量后的壁厚：

式中：β為彎管壁厚補(bǔ)償系數(shù)，可查閱ASMEB31.1的表102.4.5，此處取β=1.25，按彎管半徑為管徑的3倍考慮。

然后根據(jù)壁厚td的值查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)或廠家的產(chǎn)品手冊(cè)，按照管子的公稱規(guī)格選取相應(yīng)的管道規(guī)格即可。

3.6 儀表管設(shè)計(jì)規(guī)格

前面討論了儀表管的設(shè)計(jì)依據(jù)、管道材質(zhì)、設(shè)計(jì)參數(shù)、管徑和壁厚計(jì)算方法，下面來(lái)計(jì)算儀表管的規(guī)格,以主汽管道儀表管為例，一次門前、后導(dǎo)管的材料和參數(shù)如下表所示，按前述壁厚計(jì)算公式，得出一次門前導(dǎo)管的壁厚為7.1mm，我們選取導(dǎo)管的規(guī)格為Φ32×8，一次門后導(dǎo)管的壁厚為3.8mm，我們選取導(dǎo)管的規(guī)格為Φ18×4。

表3 主蒸汽系統(tǒng)儀表導(dǎo)管壁厚計(jì)算參數(shù)

同樣的方法可計(jì)算熱再熱蒸汽系統(tǒng)和給水系統(tǒng)的儀表管規(guī)格，結(jié)果見表4。

表4 四大管道儀表導(dǎo)管規(guī)格

超超臨界機(jī)組的爐膛壓力、煙風(fēng)壓力、凝結(jié)水、輔助蒸汽等系統(tǒng)的壓力、溫度參數(shù)與亞臨界或超臨界機(jī)組并無(wú)太大的差別，儀表導(dǎo)管選用可按《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(NDGJ16－89)或《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化就地設(shè)備安裝、管路及電纜設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T5182－2004)的有關(guān)規(guī)定來(lái)確定。

4 熱工儀表閥的選用

儀表閥門的選用在國(guó)內(nèi)有兩種不同的意見：普通儀表閥門和工藝閥門。在國(guó)內(nèi)，儀表一次閥的設(shè)計(jì)歸屬于熱工專業(yè)，因此，國(guó)內(nèi)的儀表一次閥多選用熱工專業(yè)所熟悉的儀表閥門。而在國(guó)外，儀表一次閥門的設(shè)計(jì)歸屬于工藝專業(yè)，因此，在我國(guó)由國(guó)外設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)的電廠里，儀表一次閥均采用工藝閥門。

4.1 普通儀表閥門

儀表閥門用來(lái)隔離儀表，安裝位置接近儀表而遠(yuǎn)離取源口。因此，一般僅需考慮耐壓?jiǎn)栴}而無(wú)需考慮耐溫。

從閥門閥蓋結(jié)構(gòu)來(lái)分類，儀表閥分為有安全閥蓋設(shè)計(jì)和無(wú)安全閥蓋設(shè)計(jì)。無(wú)安全閥蓋設(shè)計(jì)的閥門為直接安裝式閥蓋設(shè)計(jì)，用于二次門及低溫低壓場(chǎng)合。有安全閥蓋設(shè)計(jì)的閥門，閥蓋和介質(zhì)完全分離，閥體能迅速散熱，所以閥蓋部位的溫度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于介質(zhì)溫度，選擇儀表閥門，應(yīng)該選擇具有安全閥蓋設(shè)計(jì)的閥門。

4.2 工藝閥門

4.3 普通儀表閥與工藝閥的選用建議

所謂用作儀表閥的工藝閥門是指工藝專業(yè)通常用于熱力系統(tǒng)中工藝介質(zhì)流體隔斷的小通徑手動(dòng)操作閥門。其特點(diǎn)為：通徑大；溫度適應(yīng)能力強(qiáng)；填料多，密封性好；手輪大，操作方便；體積大，價(jià)格高于同規(guī)格的儀表閥。高溫高壓場(chǎng)合采用工藝閥作為儀表閥門，優(yōu)點(diǎn)是閥門本身在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了耐高溫高壓的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度和操作使用及壽命等方面均好于普通儀表閥。

工藝閥從結(jié)構(gòu)上分為整體式和分體式。整體式結(jié)構(gòu)的閥帽和閥體是一體化鍛造加工而成，既減少了螺栓連接或焊接連接可能產(chǎn)生的漏點(diǎn)，又大大提高了承壓性能，更安全可靠。分體式閥門用鏍栓或焊接的方式連接，一般用于工況較低的工位。

閥門的通徑的選取主要取決于對(duì)閥門流通性能的考量，閥門的通徑應(yīng)為10mm～20mm為宜。隨著通徑的增加，閥門本身的重量急劇也增加，導(dǎo)致閥門成本和取壓口焊縫應(yīng)力也大幅上升。因此，閥門通徑的選取應(yīng)本著夠用原則，盡量選用通徑較小的閥門。

對(duì)于工藝閥門，其制造一般均遵循ASME B16.34標(biāo)準(zhǔn)，因此，其溫壓曲線均有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)可查。

介質(zhì)壓力≥6.4MPa時(shí)一次門采用串聯(lián)門，國(guó)內(nèi)“規(guī)定”并無(wú)此規(guī)定，但至少給水系統(tǒng)、主汽系統(tǒng)及熱再熱系統(tǒng)上應(yīng)采用串聯(lián)門。排污門選擇時(shí)要與一次門選型一致、配置相同。工藝閥的選型，應(yīng)盡量考慮選用與工藝流程管道相同或相近的閥體材料。

二次門、泄壓門、平衡門只需按壓力選擇，與常規(guī)參數(shù)機(jī)組選擇方式相同。

5 結(jié)語(yǔ)

超超臨界參數(shù)對(duì)儀表導(dǎo)管及儀表閥門等重要部件的要求越來(lái)越高，這些部件安全可靠與否對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。在目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可循的情況下，我們根據(jù)國(guó)內(nèi)已投運(yùn)超超臨界機(jī)組的運(yùn)行實(shí)踐，借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這些部件的設(shè)計(jì)選型提出了一些建議，以期為機(jī)組的安全可靠運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。

[1]ASME B31.1－2004，動(dòng)力管道[S]．

[2]DL/T5054－1996，火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]．

[3]DL/T5182－2004，火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化就地設(shè)備安裝、管路及電纜設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]．

[4]NDGJ16－89，熱工自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]．