超臨界機組鍋爐過熱器安全閥工程應用中存在的問題

陳祿，張潤軍，邊鋒濤，趙建明，刁培超

(西北電力建設調試施工研究所，西安市，710032)

0 引言

安全閥，作為一種防止壓力容器超壓的安全設備，在電站鍋爐應用中的重要性不言而喻，國家標準及行業標準對其設計、制造、試驗、效驗等均有明確的規定。隨著電站鍋爐技術的不斷發展，相關設計、制造的技術標準逐漸國際化，普遍采用國際通用的ASME標準［1］，使目前的電站鍋爐相關規范已不能完全滿足鍋爐運行要求，這也體現在超臨界、超超臨界鍋爐過熱器安全閥的應用上。超臨界機組鍋爐由于其控制水平、蒸汽壓力保護聯鎖等功能的不斷提高和完善，機組的壓力控制理念和安全閥的設計思路也發生了變化，很多超臨界機組鍋爐的制造均參照ASME等國際標準，但實際工程相關安全閥的試驗方式卻未隨之改進，在一定程度上影響了工程建設。為此，本文將有關鍋爐過熱器安全閥的國家標準、行業標準與ASME標準進行對比，尋找區別，為分析、解決工程中存在的問題提供參考意見。

1 過熱器安全閥存在的問題

目前在機組啟動、試運、運行過程中，過熱器安全閥主要存在以下幾個問題。

1.1 安全閥起座壓力高于管道設計壓力

DL 612—1996《電力工業鍋爐壓力容器監察規程》［2］、DL/T 5366—2006《火力發電廠汽水管道應力計算技術規程》［3］等規定:對于與過熱器出口集箱相連接的主蒸汽管道，設計壓力不應小于過熱器安全閥整定壓力的下限值或任何汽包安全閥整定壓力下限值的85%，取兩者中的較大值。換言之，安全閥的起座壓力應小于或者等于壓力容器的設計壓力。以寶雞二電廠2×660 MW超臨界機組鍋爐為例，鍋爐額定壓力(運行壓力)為 25.4 MPa，壓力控制閥(pressure control valve，PCV)動作壓力是 26.7 MPa，過熱器出口管道設計壓力為27.2 MPa，過熱器系統最低安全閥壓力為30.92 MPa，過熱器系統安全閥起座壓力明顯高于設計壓力，明顯與行業標準不符合。

1.2 安全閥無法實現實跳

DL/T 959—2005《電站鍋爐安全閥應用導則》［4］中規定:安全閥首次經在線定壓儀調整后，應對其中起跳值最低的安全閥進行實際起跳復核，經復核，誤差在規定的整定壓力偏差以內時，其他使用在線定壓儀校驗的安全閥可不必做實跳試驗。文獻［2］中也有規定:純機械彈簧式安全閥可采用液壓裝置進行校驗調整，一般在75% ～80%額定壓力下進行。經液壓裝置調整后的安全閥，應至少對最低起座值的安全閥進行實際起座復核。實際上，伴隨著鍋爐壓力增加、容量增大，超臨界機組鍋爐全部采用直流運行方式，機組運行壓力達到75% ～80%額定壓力時，機組負荷450 MW以上，即可利用定壓儀實現在線整定。過熱器系統安全閥最低起座壓力一般為30 MPa左右，寶雞二電廠2×660 MW超臨界機組鍋爐過熱器最低壓力為30.92 MPa，已經遠遠超過鍋爐設計壓力27.2 MPa，所以機組無法在帶大負荷階段超壓運行進行鍋爐安全門整定。近幾年的運行實踐也證明了超臨界機組無法在空負荷或者帶小負荷階段實現超臨界壓力運行，進而實現過熱器安全閥的試跳檢驗。國家或者行業標準要求的必須在同一個系統至少實跳1個安全閥，實際是無法實現的。

1.3 安全閥的起座壓力與國家標準不同

文獻［2-4］規定的過熱器安全閥起座壓力如表1所示。

表1 國家標準要求的直流爐安全閥起座壓力Tab.1 Popping pressure of safety valve in concurrent boiler in GB

三大鍋爐廠生產的超臨界鍋爐過熱器安全閥相關參數見表2。

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從表2可以看出，三大鍋爐廠的過熱器安全閥最低起座壓力是1.129～1.217倍工作壓力，超過規范規定的1.1倍工作壓力，上海鍋爐廠的最高，達到1.217倍工作壓力。

1.4 安全閥的設置位置

根據GB/T 16507—1996《固定式鍋爐建造規程》［5］和文獻［2］等相關規范的規定:啟動分離器、再熱器進口、再熱器出口以及可分式省煤器的出口均應該設置安全閥。而實際應用中卻不盡然，比如哈爾濱鍋爐廠制造的大別山超臨界機組再熱器進口未設計安全閥，這種設計顯然與規范不符合。盡管相關規范明確規定，安全閥的起座壓力、數量、布置由鍋爐制造部門確定，但相關的現場檢驗方式、試驗方法、試驗標準卻未說明可根據制造特點改變，給機組試運、調試、運行帶來一定的困難。例如華電蒲城電廠2×660 MW超臨界鍋爐在屏過位置設計了安全閥，但該位置未設計壓力測點(變送器、就地壓力表均未設計)，根據規范安全閥的整定壓力大于7 MPa時，起跳壓力不能偏離設計整定壓力的1%，但由于該位置沒有設計就地壓力表或者遠動集散控制系統，使安全閥的整定工作無可靠、精確的系統運行壓力參照值，相應的安全閥整定精度也就無法保證。

2 過熱器安全閥的國內外標準比較

本文主要論述超臨界直流鍋爐過熱器安全閥的問題，所以本文引入的ASME標準只涉及直流爐部分。國家標準或行業標準［3，6-9］與ASME標準的對比見表3。由表3可以看出:

表3 國標和ASME鍋爐及壓力容器規范關于直流鍋爐安全閥試驗規定的對比Tab.3 Comparison of test regulations for safety valve in supercritical boiler superheater between GB and ASME standard

(1)其實，ASME標準對于汽包爐的規定和國標、行標以及現在運行機組的規程沒有太大偏差，但對于直流爐則有較大的變通，變通的規定與國標、行標有比較大的差異。直流爐的配置可以參照汽包爐的配置，但在自動控制、蒸汽壓力保護聯鎖可靠的情況下，配置可有較大變通。所以表3中前4項ASME標準的前提是:直流鍋爐裝有自動控制和蒸汽壓力保護聯鎖裝置，這些裝置是投入使用的，而且現在這些相關設備的質量都已經得到提高，在控制安全有保證的情況下，相應的硬件配置(例如安全閥)是可以優化或者變通的。ASME標準的另一個特點是注重直流爐本身的特性，例如直流爐蓄熱性比汽包爐低等。

(2)國家標準、行業標準的相關規范認為，鍋爐的安全門整定壓力應該不大于管道的設計壓力，機組在安全門的整定壓力以下運行，不會超壓，應該是安全的。而ASME標準則對此區別對待，常規的汽包爐，安全閥整定壓力大于管道設計壓力，但直流爐在自動化控制水平和壓力保護聯鎖裝備可靠的情況下，機組設計壓力可以低于安全閥的整定壓力。比如，表2國電寶二2×660 MW超臨界機組鍋爐主蒸汽管道設計壓力為27.2 MPa，但過熱器安全閥最低整定壓力為30.92 MPa。于此同時，通過防止超壓保護措施(例如系統報警、燃料閉鎖、給水閉鎖、壓力補償、壓力高主燃料跳閘(master fuel trip，MFT)等以及PCV動作來保護機組安全。ASME標準對動力驅動泄壓閥(比如PCV)的容量也做了限制，所有動力驅動泄壓閥總排放量不應小于10%最大設計蒸發量，當蒸汽壓力大于管道設計壓力時，PCV應該動作，確保機組不超壓。表2中華電蒲城電廠采用東方鍋爐廠鍋爐，額定運行主汽壓力為25.4 MPa，PCV動作壓力為27.1 MPa，主汽壓力為28.302 MPa，機組MFT切斷主燃料、給水，安全門整定壓力最低為30.23 MPa?？梢钥闯?，當主汽壓力超過運行值，機組首先實施報警、切斷給水、燃料閉鎖等控制措施，壓力繼續升高PCV會動作，當主汽壓力達到28.302 MPa時，鍋爐MFT，通過壓力保護聯鎖來確保設備安全。

(3)國家標準、行業標準的相關規范對安全閥的起座壓力定義為機組運行壓力的倍數，而ASME標準則是將安全閥的起座壓力定義為機組主鋼印壓力(按照設計參數下得材料應力計算的管道設計壓力)的倍數，兩者差異的結果則是安全閥起座值偏差很大，這在很大程度上削弱了國家標準、行業標準的指導意義。

(4)通過以上分析，可以基本確認，超臨界機組過熱器安全閥的整定壓力是可以高于管道設計壓力的，這樣是無法在鍋爐運行不超壓的情況下在線對過熱器安全閥進行試跳的，但國家標準、行業標準對于安全閥試跳基本都是統一要求的，必須試跳。文獻［1］作了明確說明，如果從機組鍋爐系統運行安全性方面考慮，在閥門提升量可以得到保證、安全閥啟閉座控制元件得到確認、安全閥整定試驗方式得當，是可以不用試跳的，這樣的規定本文認為比較科學，也符合工程需要和實際情況。

(5)文獻［4］對安全閥的定義為:是一種自動閥門，它不借助任何外力而利用介質本身的力來排除一定數量的流體，以防止系統內部壓力超過預定的安全壓力數值。當壓力恢復正常值后，閥門自行關閉并阻止介質繼續流出。可知，文獻［4］所說的安全閥，一般僅指彈簧式安全閥，不包括PCV、緊急泄壓閥(emergency relief vlave，ERV)等，所有彈簧安全閥的總容量在國家標準、行業標準中規定是大于100%鍋爐最大連續出力(boiler maximum continuum rate，BMCR)的。但是ASME標準還包括PCV，如果配置能達到表3第3條所說的內容，總容量也可以低于100%。

(6)還有一點要說明的是，盡管國家標準、行業標準對安全閥整定壓力、容量、設置位置等規定中說明了可以按鍋爐廠規定執行，但還有大量的規定內容還是和ASME標準有很大差別。而且，實際上目前國內運行的超臨界機組鍋爐安全閥的配置也是消化、吸收ASME標準實行的，導致客觀上現狀和國家標準、行業標準不符合(見表1和表3)。

3 結論

隨著火電機組控制水平、自動化水平及設備質量的不斷提高，超臨界機組控制理念和安全閥設計思路發生了變化，使機組過熱器安全閥在整定壓力、現場試驗(如實跳)、容量配置、位置設定等方面和目前的國家標準、行業規范有一些偏差。一方面應該科學對待這些由于火電技術提高所帶來的差異，合理應用規范，避免在工程應用中造成損失，另外一方面，應與時俱進，逐漸完善、優化標準和規范，使之能更好地指導工程建設。

［1］ASME.Boiler and Pressure Vessel CodeⅠRules for Construction of Pow er Boilers［S］.New York，US:The American Society of Mechanical Engineers，2010.

［2］DL 612—1996電力工業鍋爐壓力容器監察規程［S］.北京:中國電力出版社，1996.

［3］DL/T 5366—2006火力發電廠汽水管道應力計算技術規程［S］.北京:中國電力出版社，2006.

［4］DL/T 959—2005電站鍋爐安全閥應用導則［S］.北京:中國電力出版社，2005.

［5］GBT 16507—1996固定式鍋爐建造規程［S］.北京:中國標準出版社，1996.

［6］GB 12242—1989安全閥性能試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，1989.

［7］GBT 12241—2005安全閥一般要求［S］.北京:中國標準出版社，2005.

［8］JB/T 9624—1999電站安全閥技術條件［S］.北京:中國電力出版社，1999.

［9］DL 647—2004電站鍋爐壓力容器檢驗規程［S］.北京:中國電力出版社，2004.

［10］中華人民共和國國家質量技術監督局.質技監局鍋發［1999］154號壓力容器安全技術監察規程［S］.北京:中國標準出版社，1999.

［11］中華人民共和國勞動部.勞部發［1996］276號 蒸汽鍋爐安全技術監察規程［S］.北京:中國標準出版社，1996.