超超臨界電廠熱工儀表導管閥門的設計選型研究

董 春，盧 偉

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

1 概述

超超臨界機組的工質壓力、溫度參數的提高，對主蒸汽、熱再熱蒸汽和高壓給水系統部分的現場測量儀表導管閥門等提出了更高的要求，我國現行的電力行業標準尚未對此做出規定，本文旨在通過論述，確定高溫高壓參數對應的儀表導管閥門的選用原則，給出能滿足相關工藝參數和安全可靠要求的選型建議。

2 超超臨界參數

目前對超超臨界參數還沒有統一的標準，從目前訂貨的1000MW超超臨界機組參數來看，大多采用25～28MPa/600℃/600(610)℃。目前國內三大主機廠超超臨界機組推薦蒸汽參數見表1。

表1 國內三大主機廠超超臨界機組推薦蒸汽參數

給水泵出口壓力和溫度為一般在33MPa和298℃左右。

用于導管壁厚計算的設計參數應在此基礎上考慮一定的裕量，在此主汽系統壓力取29MPa，溫度取605℃；熱再熱蒸汽系統壓力取8MPa，溫度取610℃；給水系統壓力取39MPa，溫度取310℃。

3 熱工儀表導管的選用

超超臨界機組最大的特點在于主蒸汽壓力、溫度以及再熱蒸汽溫度和給水壓力的進一步提高，這些管道或工藝部件上的測量儀表，需特別注意取源部件材料的耐溫耐壓問題，選用不當將給機組的安全運行留下隱患，下面對其儀表導管的選型進行論述。

3.1 設計依據

在工程應用中，儀表導管選型沒有現成的設計規范，我們不妨借鑒一下工藝管道的設計規范，以此來指導我們儀表導管的設計。工藝管道的設計適用的國際規范主要是《動力管道》(ASME B31.1－2004)，國內規范主要是《火力發電廠汽水管道設計技術規定》(DL/T5054－1996)?！痘鹆Πl電廠汽水管道設計技術規定》(DL/T5054－1996)第1.0.2條中規定，本規定適用于火力發電廠范圍內主蒸汽參數為27MPa、550℃(高溫再熱蒸汽可達565℃)的及以下機組的汽水管道設計，熱網管道和輸送油、空氣等介質管道的設計，可參照本規定執行。而由前面的論述之，超超臨界的參數已經超過了此規定的適用范圍，而且本規定只有壁厚計算部分可用于儀表導管的管徑設計，沒有對儀表閥門作出規定。ASME的《動力管道》則不然，除了其100.1.3節中規定的不適用條款外的動力管道皆適用本規程，且本規程除壁厚計算外，它還包含有對儀表管道及其隔離閥、排污閥等的相關規定。故本文高溫高壓汽水系統儀表導管設計將按照ASME B31.1的有關規定進行。

3.2 儀表管材質的確定

據《火力發電廠熱工自動化設計技術規定》(NDGJ16－89)：當被測介質參數壓力為17MPa～25.4MPa，溫度為500℃～566℃時，汽水系統中一次門前取壓短管及導管材質均采用12Cr1MoV或與主管道同材質。雖然超超臨界機組的蒸汽參數已遠超出該規定的壓力溫度范圍，其內容已不適用，但與主管道同材質這一標準仍依然適用。

(1)主蒸汽和熱再蒸汽儀表導管材料

主蒸汽和熱再蒸汽管道儀表一次門前導管溫度同主工藝管道的介質的溫度，在目前國內的工程實踐中，大多采用了與主工藝管道相同的材質，這一方面可享用這些新型耐熱鋼具有的各種優勢特性，同時也可減少施工現場儀表導管高溫處異種鋼的焊接，避免由于焊接處理不當等帶來的風險。因此，超超臨界機組的主蒸汽和熱再蒸汽管道儀表一次門前取壓短管及導管均采用P92管材。P92鋼是在P91鋼的基礎上開發出來的一種新型鋼種，線膨脹系數低，常溫強度和高溫強度高，焊接裂紋敏感性比傳統的鐵素體耐熱鋼低，可作為極苛刻蒸汽條件下的集箱和蒸汽管道材料。目前市場上均可采購到P92管子，但小口徑管需提前訂購。相對于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具有更好的屈服強度和韌性，TP316H等奧氏體不銹鋼使用溫度也可高達620℃，技術條件成熟、標準，采購相對比較容易，國外電廠普遍將其用于儀表導管。因此，主汽和熱再汽儀表一次門后導管選用TP316H。

(2) 高壓給水管道儀表導管材料

超超臨界機組的高壓給水主工藝管道材質為WB36，根據與主管道同材質的原則，導管可選WB36材質。WB36，按德國標準原名15NiCuMoNb5，是含Nb微合金化的貝氏體Ni－Cu－Mo鋼，主要應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度性能，一般服役溫度為280℃～320℃，最高不超過450℃，服役壓力不超過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，一次門前、后的儀表導管可全部采用TP316；也有的工程選用12Cr1MoV材質。具體使用哪種材質好，還應根據實際情況綜合考慮利弊來選擇。

3.3 設計參數的確定

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“設計成能經受信號源設計壓力和溫度”，據此，將超超臨界機組工程的高溫高壓汽水系統儀表一次門前取壓短管和導管的設計參數定為同主工藝管道的設計參數。ASME B31.1第122.3.2節雖未明確如何確定超臨界壓力一次門后儀表導管的設計溫度，但在該節(B2.1)款中則指出：“對其它介質，排污閥門應滿足上述(B.1)的要求”(也即：對非亞臨界情況，排污閥的設計溫度和壓力同相連容器或管道的設計壓力和溫度)。因此，可以認為ASME B31.1的規定隱含有超(超)臨界參數排污門前、一次門后的儀表導管的設計參數與主工藝管道設計參數相同的含義。儀表導管內介質的溫降與導管的長度、管徑、保溫、排污等有關。理論上雖然可通過計算確定，但因計算條件與實際情況可能有差別，如排污時間不同，儀表安裝位置受限導致導管長度變化等，故根據一次門后儀表導管溫降計算結果降低選用設計參數實際上并不可行。為此，將超超臨界機組的主汽、熱再熱汽和高壓給水儀表管一次門后導管設計壓力和溫度也定為與主工藝管道相同的參數是合適的。

3.4 管徑的確定

工藝管道的設計中，管徑是根據管道內介質的流量和流速確定的，流量可以由相關工藝主設備的參數確定，流速則可以通過查閱相關規程的推薦流速來選取，見表2為規程規定的汽水管道介質的推薦流速：

表2 汽水管道介質的推薦流速

但上述計算方法無法用于儀表導管管徑的確定，因為在正常工作狀態下，儀表管內的介質處于非流動狀態，無所謂流速、流量。根據ASME B31.1第122.3.2(A.1)款的要求,對壓力≥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管公稱直徑定為32mm，熱再熱蒸汽、高壓給水的一次門前導管公稱直徑定為25mm。對于一次門后導管的要求較一次門前導管要低，一般取公稱直徑為18mm或16mm即可。

3.5 壁厚的確定

儀表導管壁厚依據ASME B31.1壁厚計算公式計算。

計算壁厚公式如下：

設計壓力不應超過：

式中：tm為計算壁厚，即滿足設計參數所需的最小壁厚(mm)；P為設計內壓力(MPa)表壓；D0為管道外徑(mm)；SE、SF為設計溫度下由壓力和焊縫接頭系數(或鑄造質量系數)所確定的材料最大許用應力。SE和SF的數值不應超過《動力管道》(ASME B31.1-2004)附錄A中對相應材料和設計溫度所列的數值。這些數值中包括了焊縫接頭系數E或鑄造系數F(MPa)。A為附加厚度(mm)。主要用于補償機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強度等因素，此處不考慮這些因素，值取為0。y為一系數，其值可查閱《動力管道》(ASME B31.1－2004)的表104.1.2(A)。

得出的計算壁厚tm須代入(2)做驗算，以確保驗算壓力值大于設計壓力。

考慮管道負偏差后的壁厚：

管子壁厚負偏差附加值：

式中：α為管子壁厚負偏差系數，當產品技術說明中規定的負偏差為10%時，α取0.11。

補償彎管壁厚的減薄量后的壁厚：

式中：β為彎管壁厚補償系數，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。

然后根據壁厚td的值查閱設計手冊或廠家的產品手冊，按照管子的公稱規格選取相應的管道規格即可。

3.6 儀表管設計規格

前面討論了儀表管的設計依據、管道材質、設計參數、管徑和壁厚計算方法，下面來計算儀表管的規格,以主汽管道儀表管為例，一次門前、后導管的材料和參數如下表所示，按前述壁厚計算公式，得出一次門前導管的壁厚為7.1mm，我們選取導管的規格為Φ32×8，一次門后導管的壁厚為3.8mm，我們選取導管的規格為Φ18×4。

表3 主蒸汽系統儀表導管壁厚計算參數

同樣的方法可計算熱再熱蒸汽系統和給水系統的儀表管規格，結果見表4。

表4 四大管道儀表導管規格

超超臨界機組的爐膛壓力、煙風壓力、凝結水、輔助蒸汽等系統的壓力、溫度參數與亞臨界或超臨界機組并無太大的差別，儀表導管選用可按《火力發電廠熱工自動化設計技術規定》(NDGJ16－89)或《火力發電廠熱工自動化就地設備安裝、管路及電纜設計技術規定》(DL/T5182－2004)的有關規定來確定。

4 熱工儀表閥的選用

儀表閥門的選用在國內有兩種不同的意見：普通儀表閥門和工藝閥門。在國內，儀表一次閥的設計歸屬于熱工專業，因此，國內的儀表一次閥多選用熱工專業所熟悉的儀表閥門。而在國外，儀表一次閥門的設計歸屬于工藝專業，因此，在我國由國外設計公司設計的電廠里，儀表一次閥均采用工藝閥門。

4.1 普通儀表閥門

儀表閥門用來隔離儀表，安裝位置接近儀表而遠離取源口。因此，一般僅需考慮耐壓問題而無需考慮耐溫。

從閥門閥蓋結構來分類，儀表閥分為有安全閥蓋設計和無安全閥蓋設計。無安全閥蓋設計的閥門為直接安裝式閥蓋設計，用于二次門及低溫低壓場合。有安全閥蓋設計的閥門，閥蓋和介質完全分離，閥體能迅速散熱，所以閥蓋部位的溫度將遠遠低于介質溫度，選擇儀表閥門，應該選擇具有安全閥蓋設計的閥門。

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通常用于熱力系統中工藝介質流體隔斷的小通徑手動操作閥門。其特點為：通徑大；溫度適應能力強；填料多，密封性好；手輪大，操作方便；體積大，價格高于同規格的儀表閥。高溫高壓場合采用工藝閥作為儀表閥門，優點是閥門本身在設計時就考慮了耐高溫高壓的特點，其結構設計、強度和操作使用及壽命等方面均好于普通儀表閥。

工藝閥從結構上分為整體式和分體式。整體式結構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生的漏點，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閥門流通性能的考量，閥門的通徑應為10mm～20mm為宜。隨著通徑的增加，閥門本身的重量急劇也增加，導致閥門成本和取壓口焊縫應力也大幅上升。因此，閥門通徑的選取應本著夠用原則，盡量選用通徑較小的閥門。

對于工藝閥門，其制造一般均遵循ASME B16.34標準，因此，其溫壓曲線均有現成的標準可查。

介質壓力≥6.4MPa時一次門采用串聯門，國內“規定”并無此規定，但至少給水系統、主汽系統及熱再熱系統上應采用串聯門。排污門選擇時要與一次門選型一致、配置相同。工藝閥的選型，應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，與常規參數機組選擇方式相同。

5 結語

超超臨界參數對儀表導管及儀表閥門等重要部件的要求越來越高，這些部件安全可靠與否對機組的安全穩定運行至關重要。在目前國內尚無標準可循的情況下，我們根據國內已投運超超臨界機組的運行實踐，借鑒國外先進經驗，對這些部件的設計選型提出了一些建議，以期為機組的安全可靠運行做出貢獻。

[1]ASME B31.1－2004，動力管道[S]．

[2]DL/T5054－1996，火力發電廠汽水管道設計技術規定[S]．

[3]DL/T5182－2004，火力發電廠熱工自動化就地設備安裝、管路及電纜設計技術規定[S]．

[4]NDGJ16－89，熱工自動化設計技術規定[S]．