摘 要：本文對(duì)國內(nèi)外百萬級(jí)超超臨界機(jī)組參數(shù)及機(jī)爐和工藝管道所用材質(zhì)進(jìn)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(dǎo)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(jì)原則。

關(guān)鍵詞：機(jī)組參數(shù) 材料 導(dǎo)管 儀表閥門 配置

中圖分類號(hào)：TM6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（b）-0110-02

1 概述

壓力、差壓、差壓法測(cè)量液位、節(jié)流法測(cè)量流量以及汽水成份分析的取樣等，都要用到由儀表導(dǎo)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(cè)量所用的就地儀表的取源部件、導(dǎo)管、閥門及附件基本上都需要與高溫高壓被測(cè)介質(zhì)直接接觸，需對(duì)其材料、壁厚、結(jié)構(gòu)型式及配置等進(jìn)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(jī)組安全可靠運(yùn)行。

1.1 百萬級(jí)超超臨界機(jī)組參數(shù)

我國超超臨界機(jī)組的發(fā)展還剛起步，尚沒有超超臨界機(jī)組參數(shù)系列的國家標(biāo)準(zhǔn)，三大動(dòng)力廠各自以引進(jìn)技術(shù)機(jī)組作為標(biāo)準(zhǔn)，并滿足不同用戶對(duì)參數(shù)的不同要求。

三大動(dòng)力廠1000 MW超超臨界機(jī)組推薦蒸汽參數(shù)如表1。

1.2 百萬級(jí)超超臨界機(jī)組機(jī)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(hào)），使用溫度可達(dá)620℃。國內(nèi)目前參數(shù)的百萬級(jí)超超臨界機(jī)組主汽管、再熱汽管及汽機(jī)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(jí)超超臨界機(jī)組末級(jí)過熱器及末級(jí)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(qiáng)。當(dāng)然材料性能還與很多因素有關(guān)，有時(shí)會(huì)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(dá)600 ℃～625 ℃。

2 超超臨界儀表導(dǎo)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(cè)量導(dǎo)管的設(shè)計(jì)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(dǎo)管設(shè)計(jì)已有成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，本文不再闡述。

2.1 導(dǎo)管的設(shè)計(jì)

2.1.1 一次門前取壓短管及導(dǎo)管

根據(jù)“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：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)參數(shù)P=16～17.5MPa，t=500～540℃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)，取壓短管規(guī)格為φ25×7或φ22×6，導(dǎo)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(jī)組管路選擇參考表，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)參數(shù)P=17～25.4 MPa，t=500～566 ℃時(shí)，一次門前取壓短管及導(dǎo)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(dǎo)管規(guī)格則為φ16×3.5或φ18×4。

目前國內(nèi)1000MW超超臨界機(jī)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(jī)組的設(shè)計(jì)中只能作為參考依據(jù)。

（1）一次門前取壓短管及導(dǎo)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(jì)的百萬機(jī)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(jī)高溫部件，目前多采用進(jìn)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(dǎo)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(jì)的百萬機(jī)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(jí)的材質(zhì)。

（2）一次門前取壓短管及導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)管內(nèi)徑是由運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)選定的。內(nèi)徑小，耗材少，但測(cè)量遲延大，且易堵塞，內(nèi)徑大則相反。“設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定”認(rèn)為用10mm左右內(nèi)徑較適合，超超臨界機(jī)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?yàn)椴牧系男再|(zhì)不同，承壓能力不同。根據(jù)承壓計(jì)算和借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)，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(fù)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(dǎo)管。

2.1.2 一次門后導(dǎo)管

按設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)參數(shù)為P=17～25.4 MPa，t=500～566 ℃，一次門后導(dǎo)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(dǎo)管早已被較低溫的介質(zhì)充滿，故一次門后導(dǎo)管材質(zhì)無需按被測(cè)介質(zhì)溫度進(jìn)行選擇。原則上，鋼20也可用作超超臨界參數(shù)一次門后導(dǎo)管材料。但考慮到一次門后介質(zhì)溫度難以控制，有時(shí)可能會(huì)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(dǎo)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(jì)

壓力、差壓、差壓法測(cè)量液位、節(jié)流法測(cè)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(cè)介質(zhì)的壓力和溫度選擇”。

由于不銹鋼材料在600℃時(shí)出現(xiàn)硼化現(xiàn)象，因此，閥體的材料對(duì)于儀表閥門長周期安全運(yùn)行也至關(guān)重要。這一點(diǎn)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(dāng)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(duì)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(shí)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(shí)一次門采用串聯(lián)門，但并無國際標(biāo)準(zhǔn)，是東京電力標(biāo)準(zhǔn)及習(xí)慣。一般靠上游側(cè)的一次門是打開的，僅當(dāng)緊急情況下需要時(shí)才關(guān)閉。下游側(cè)的一次門用于操作，目的是確保有一個(gè)一次門能關(guān)嚴(yán)，以策安全。故我院設(shè)計(jì)的百萬機(jī)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(diǎn)。

①通徑較大，一般為10 mm以上。

②結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，閥蓋（bonnet）為多片式或組合式結(jié)構(gòu)，在溫度變化時(shí)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(duì)較好，且對(duì)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(duì)較遠(yuǎn)，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(diǎn)在于其閥門本身在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了其耐高溫高壓的特點(diǎn)，其制造及檢驗(yàn)已形成了較完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，因此，從結(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。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(shí)差壓較大，易受介質(zhì)沖刷磨損，為確保排污門能關(guān)閉嚴(yán)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(shí)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(yán)。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(shí)排污時(shí)介質(zhì)經(jīng)過了降溫的過程，考慮到造價(jià)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(jī)組沒有特殊要求。

3 結(jié)語

百萬級(jí)超超臨界機(jī)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(dǎo)管及儀表閥作為壓力取源的重要部件，將直接關(guān)系到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文通過10臺(tái)百萬機(jī)組的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及運(yùn)行反饋意見，對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行了分析總結(jié)，希望能為以后的設(shè)計(jì)者提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

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