摘 要：本文對國內(nèi)外百萬級超超臨界機組參數(shù)及機爐和工藝管道所用材質(zhì)進行了分析研究，在此基礎(chǔ)上提出了與此密切相關(guān)的熱控專業(yè)儀表導管和儀表閥門的材料選擇、壁厚及結(jié)構(gòu)的確定、及閥門數(shù)量配置等設(shè)計原則。

關(guān)鍵詞：機組參數(shù) 材料 導管 儀表閥門 配置

中圖分類號：TM6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（b）-0110-02

1 概述

壓力、差壓、差壓法測量液位、節(jié)流法測量流量以及汽水成份分析的取樣等，都要用到由儀表導管及儀表閥門等附件組成的管路系統(tǒng)作為取源部件。這些測量所用的就地儀表的取源部件、導管、閥門及附件基本上都需要與高溫高壓被測介質(zhì)直接接觸，需對其材料、壁厚、結(jié)構(gòu)型式及配置等進行研究，以滿足溫度及壓力的要求，并與工藝設(shè)備或管道材質(zhì)相適應(yīng)，確保機組安全可靠運行。

1.1 百萬級超超臨界機組參數(shù)

我國超超臨界機組的發(fā)展還剛起步，尚沒有超超臨界機組參數(shù)系列的國家標準，三大動力廠各自以引進技術(shù)機組作為標準，并滿足不同用戶對參數(shù)的不同要求。

三大動力廠1000 MW超超臨界機組推薦蒸汽參數(shù)如表1。

1.2 百萬級超超臨界機組機爐及工藝管道材質(zhì)

1993年后，9Cr～12Cr鐵素體鋼在600℃以上使用的新突破，使超超臨界技術(shù)第二次大規(guī)模發(fā)展，其中歐洲、日本發(fā)展較快。品牌主要有9Cr鋼的T91/P91、T92/P92及12Cr鋼的T122/P122等（說明：P-PiPing，大管子；T-Tupe；小管子。 9-9Cr；12-12Cr。未位數(shù)字1、2……-序號），使用溫度可達620℃。國內(nèi)目前參數(shù)的百萬級超超臨界機組主汽管、再熱汽管及汽機各部件主要都采用這些新材料。

更高一檔的新材料是高鉻的奧氏體鋼，使用溫度600 ℃～650 ℃，如18Cr的super 304H及25Cr的HR3C等。國內(nèi)目前參數(shù)的百萬級超超臨界機組末級過熱器及末級再熱器管等需采用這些合金鋼材。

耐高溫鋼主要采用的是含鉻的合金鋼。一般情況下，鉻含量越高，合金鋼的耐高溫性能便越強。當然材料性能還與很多因素有關(guān)，有時會有鉻含量高的鋼材反而比鉻含量低的鋼材使用溫度范圍更低的情況，例如12Cr1MoV鋼使用溫度為565 ℃以下，而新的9～10Cr鋼（9～10Cr/1Mo/（W）/V/Nb/N），則達600 ℃～625 ℃。

2 超超臨界儀表導管、閥門的配置

本文主要涉及與超超臨界參數(shù)密切相關(guān)的給水系統(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)、熱再熱蒸汽系統(tǒng)的儀表測量導管的設(shè)計問題，與超超臨界參數(shù)關(guān)系不大的其他工藝系統(tǒng)的儀表導管設(shè)計已有成熟的技術(shù)和經(jīng)驗，本文不再闡述。

2.1 導管的設(shè)計

2.1.1 一次門前取壓短管及導管

根據(jù)“火力發(fā)電廠熱工自動化就地設(shè)備安裝、管路及電纜設(shè)計技術(shù)規(guī)定”DL/T5182-2004：當被測介質(zhì)參數(shù)P=16～17.5MPa，t=500～540℃時，汽水系統(tǒng)中一次門前取壓短管及導管材質(zhì)均采用12Cr1MoV或與主管道同材質(zhì)，取壓短管規(guī)格為φ25×7或φ22×6，導管規(guī)格為φ16×3。

在該規(guī)定的條文說明中還給出了超臨界參數(shù)機組管路選擇參考表，當被測介質(zhì)參數(shù)P=17～25.4 MPa，t=500～566 ℃時，一次門前取壓短管及導管材質(zhì)仍為12Cr1MoV或與主管道同材質(zhì)，取壓短管規(guī)格亦為φ25×7或φ22×6，導管規(guī)格則為φ16×3.5或φ18×4。

目前國內(nèi)1000MW超超臨界機組參數(shù)為25～28 MPa/600 ℃/600（610） ℃，超出“規(guī)定”的壓力溫度范圍，故規(guī)范在百萬超超臨界機組的設(shè)計中只能作為參考依據(jù)。

（1）一次門前取壓短管及導管材質(zhì)。

12CrMoV，使用溫度一般不宜超過570℃，因而超超臨界600 ℃溫度下不適用。國內(nèi)常用的不銹鋼1Cr18Ni9Ti或國外常用的奧氏體不銹鋼304、316等，可滿足600 ℃的溫度要求，但是考慮到異型鋼的焊接問題，故我院設(shè)計的百萬機組中多不采用這種材質(zhì)。

“與主管道同材質(zhì)”，無論從材質(zhì)的耐溫考慮還是安裝焊接的角度都很合理。從1.2節(jié)分析可知，鍋爐出口集箱、主汽管、熱再熱汽管及汽機高溫部件，目前多采用進口新型的P91、P92、P122幾種鐵素體耐高溫合金鋼，其中檔次最高者是P122，是一種新型的12Cr鋼，因此一次門前取壓短管及導管如采用與主管道同材質(zhì)，則推薦采用新型的9Cr鋼T91或T92，或新型的12Cr鋼T122管，可滿足600 ℃超超臨界參數(shù)在各種場合的取源要求。目前我院設(shè)計的百萬機組主蒸汽管道和熱再熱蒸汽管道采用T91或T92，故一次門前取壓短管材質(zhì)均采用P91或P92。給水管路的溫度不高，材質(zhì)選擇可按規(guī)范選擇鋼20及以上等級的材質(zhì)。

（2）一次門前取壓短管及導管規(guī)格。

材質(zhì)的選擇主要是從耐溫能力的角度來考慮，而導管規(guī)格（外徑×壁厚）則主要是從耐壓能力的角度來考慮。同一種材料在相同溫度下，內(nèi)徑相同，壁厚越大，最大允許壓力越高；壁厚相同，內(nèi)徑越小，最大允許壓力越大。

導管內(nèi)徑是由運行實踐經(jīng)驗選定的。內(nèi)徑小，耗材少，但測量遲延大，且易堵塞，內(nèi)徑大則相反?！霸O(shè)計技術(shù)規(guī)定”認為用10mm左右內(nèi)徑較適合，超超臨界機組也沒有特殊理由去改變此值。在材料及內(nèi)徑選定的情況下，主要是利用管壁厚度來滿足壓力及溫度的要求。溫度、壓力、內(nèi)徑相同，不同材質(zhì)所需管壁厚度不同，這是因為材料的性質(zhì)不同，承壓能力不同。根據(jù)承壓計算和借鑒國外的經(jīng)驗，故主蒸汽管路的一次門前取壓短管采用Φ32×8的P92鋼小口徑管，熱再熱蒸汽的壓力不高可以采用Φ25×7的P92管路，但是考慮采購較復雜，用量不多，規(guī)格盡量統(tǒng)一的原則，故也采用Φ32×8的P92鋼小口徑管。給水管路按照規(guī)范選用φ25×7的導管。

2.1.2 一次門后導管

按設(shè)計技術(shù)規(guī)定：當被測介質(zhì)參數(shù)為P=17～25.4 MPa，t=500～566 ℃，一次門后導管材質(zhì)為鋼20，規(guī)格為φ16×3。

由于一次門后介質(zhì)已被冷卻，或一次門后導管早已被較低溫的介質(zhì)充滿，故一次門后導管材質(zhì)無需按被測介質(zhì)溫度進行選擇。原則上，鋼20也可用作超超臨界參數(shù)一次門后導管材料。但考慮到一次門后介質(zhì)溫度難以控制，有時可能會超過鋼20所能承受的溫度450 ℃，為安全起見，主蒸汽和熱再熱系統(tǒng)一次門后導管選用φ18×4.5的316H不銹鋼管。給水管路可按規(guī)范執(zhí)行。

2.2 儀表閥門的設(shè)計

壓力、差壓、差壓法測量液位、節(jié)流法測量流量以及汽水成分分析的取樣管路需設(shè)置一次門、二次門、平衡門及排污門。

2.2.1 一次門

（1）一次門的材質(zhì)要求。

按“規(guī)定”：“一次門、排污門宜按被測介質(zhì)的壓力和溫度選擇”。

由于不銹鋼材料在600℃時出現(xiàn)硼化現(xiàn)象，因此，閥體的材料對于儀表閥門長周期安全運行也至關(guān)重要。這一點可從多數(shù)廠家所提供的閥門溫壓曲線或參數(shù)表中都可看出，當溫度超過600 ℃，其壓力數(shù)值將急劇下降至零。也有一些廠商所提供的溫壓曲線或數(shù)值顯示，其生產(chǎn)的不銹鋼儀表閥，在溫度為648 ℃，相對應(yīng)的耐壓值為212bar，但考慮到硼化現(xiàn)象，在溫度高于600 ℃的場合就應(yīng)慎用不銹鋼材料的閥門。

因此，在一次閥的選型上，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，不但耐溫性能好，同時同種材料的焊接也很容易，如主蒸汽管道材料為P92的話，則所選一次閥門也應(yīng)選用F92的材料。

（2）一次門的配置

壓力≥6.4 MPa時一次門采用串聯(lián)門，但并無國際標準，是東京電力標準及習慣。一般靠上游側(cè)的一次門是打開的，僅當緊急情況下需要時才關(guān)閉。下游側(cè)的一次門用于操作，目的是確保有一個一次門能關(guān)嚴，以策安全。故我院設(shè)計的百萬機組均在主蒸汽系統(tǒng)、熱再熱系統(tǒng)、給水系統(tǒng)設(shè)置串聯(lián)門。

儀表閥門的選用在國內(nèi)有兩種不同的意見：普通儀表閥門和工藝閥門。兩者相比工藝閥門具有以下優(yōu)點。

①通徑較大，一般為10 mm以上。

②結(jié)構(gòu)相對復雜，閥蓋（bonnet）為多片式或組合式結(jié)構(gòu)，在溫度變化時密封部分具有一定的自調(diào)整能力。

③填料（packing）用料多，密封性相對較好，且對于高壓閥門，閥蓋與閥體間多采用密封焊形式。

④閥桿長度較長，手輪較大且離閥體距離相對較遠，操作方便。

在高溫高壓場合采用工藝閥作為儀表閥門使用，其最大的優(yōu)點在于其閥門本身在設(shè)計時就考慮了其耐高溫高壓的特點，其制造及檢驗已形成了較完善的標準體系，因此，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度和操作使用及壽命等方面均好于普通儀表閥。因此在主蒸汽系統(tǒng)、熱再熱系統(tǒng)、給水系統(tǒng)的一次門均采用串聯(lián)小型工藝閥。

2.2.2 二次門、排污門、平衡門的配置

排污門的配置應(yīng)與一次門的配置相同，串聯(lián)配置。排污時差壓較大，易受介質(zhì)沖刷磨損，為確保排污門能關(guān)閉嚴密不泄漏，故需設(shè)置串聯(lián)門。上游側(cè)的排污門處于常開狀態(tài)，必要時才關(guān)閉，比下游側(cè)排污門先開后關(guān)，確保不被沖刷，能關(guān)嚴。下游側(cè)的排污門供操作用，先關(guān)后開。排污門的型式可以同一次門配置相同，但因其操作較少，同時排污時介質(zhì)經(jīng)過了降溫的過程，考慮到造價的因素，熱再熱系統(tǒng)和給水系統(tǒng)也可以采用儀表閥。

二次門、平衡門的配置—— 超超臨界機組沒有特殊要求。

3 結(jié)語

百萬級超超臨界機組在國內(nèi)是較新的技術(shù)，如此高的壓力及溫度，國外也不多見，儀表導管及儀表閥作為壓力取源的重要部件，將直接關(guān)系到機組的安全穩(wěn)定運行。本文通過10臺百萬機組的設(shè)計經(jīng)驗以及運行反饋意見，對這一領(lǐng)域進行了分析總結(jié)，希望能為以后的設(shè)計者提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

參考文獻

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