超超临界机组取样短管和高温高压仪表阀的选用.docx

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超超临界机组取样短管和高温高压仪表阀的选用

超超临界机组取样短管

和高温高压仪表阀的选用

鲁魁1周立仁2周斌2

（1.浙江省火电建设公司，杭州市、310006；2.华能浙江分公司，玉环县，317604）

[摘要]针对目前国内在超超临界机组上仪表导管和仪表阀的选用上没有标准规范可循，这给热工仪表导管和仪表阀门的选用带来了一定困难。

本文结合玉环工程的经验，分析了仪表导管和仪表阀的结构、密封型式以及使用注意事项等，提出了仪表阀和仪表导管的选用方法。

   [关键词]仪表导管仪表阀选用

TheSelectionofSampling-tubeandHigh-Pressure&High-TemperatureInstrumentValveinUltra-Super-CriticalUnit

[Abstract]Aimattheselectionofsampling-tubeandhigh-pressure&high-temperatureinstrumentvalveinUltra-Super-CriticalUnitwhichtherewasnocriteriontofollow，itisdifficulttoselectthesampling-tubeandsigh-pressure&high-temperatureinstrumentvalveinUltra-Super-CriticalUnit.Thepaperanalyzedthestructureofsampling-tubeandhigh-pressure&high-temperatureinstrumentvalve，thepatternofsealandcautionsofuse,illustratedtheselectionofSampling-tubeandHigh-Pressure&High-TemperatureInstrumentValveinUltra-Super-CriticalUnit.

   [KeyWords]Sampling-TubeInstrument-ValveSelection

1.    前言

对于热工安装而言，超超临界机组与以往亚临界机组最大不同处在于仪表导管和仪表阀门的选用上。

由于超超临界机组在我国属于高新技术范围，加上我国现行的电力行业标准《火力发电厂热工自动化就地设备安装、管路及电缆设计技术规定》（DL/T5182-2004，以下称《规定》）中未涉及超超临界机组仪表导管及仪表阀门选用的相关规定，造成国内设计单位也无现成的导则可循，这给取样短管和仪表阀门在设计阶段的选用提出了新的课题。

本文拟结合玉环电厂4×1000MW工程，总结仪表导管和仪表阀门选用的经验，提出切实可行的选用方案。

1.1  超超临界参数

1979年日本电源开发公司（EPDC）首次提出“超超临界”蒸汽参数的概念，简称USC（ultrasupercritical），国内也有称为“高效超临界”或“超级超临界”。

目前“超超临界”的提法已被工程界广泛接受和认同。

但是，进入超临界后参数如何分档，目前世界上还没有定论，对超临界和超超临界参数的划分还没有统一的标准。

不同国家的超超临界机组有不同的参数系列。

2004年2月，“863”计划“大型超超临界火电技术研究”课题确定，超超临界将是中国火电的发展方向，并确定现阶段超超临界蒸汽参数为25-28MPa/580-600℃/600℃，机组容量为700—1000MW，但有专家认为，这只是我国超超临界的起步参数。

专家预计未来10—20年间将开发出蒸汽参数更高，达到30-35MPa/650-700℃的二次再热机组，效率向50—55%迈进。

作为“863”计划依托项目，我国首座1000MW燃煤电厂——华能玉环电厂的蒸汽参数为26.25MPa/605℃/603℃。

1.2 导管及仪表阀门在超超临界机组上所涉及的范围

超超临界机组的不同点是主蒸汽压力、温度以及再热蒸汽温度的进一步提高。

主要涉及的系统及受热面包括给水母管、过热器减温水、高加水侧、省煤器、水冷壁、汽水分离器、过热器、过热器出口联箱、主蒸汽管、主汽门、高压缸、高压缸入口前几级叶片等。

主蒸汽温度的提高则主要影响末级过热器、末级过热器出口联箱、主汽管、主汽门、高压缸、高压缸入口前几级叶片转子等。

再热蒸汽温度的提高则涉及末级再热器、末级再热器出口联箱、热再热蒸汽管道、再热汽门、中压缸、中压缸入口前几级叶片转子等。

在这些工艺部件或管道上装设测量仪表时，需特别注意高温高压问题。

给水系统主要注意压力问题，因为给水温度相对并不高。

热再热系统则主要注意温度问题，因压力相对并不高。

主汽系统则压力及温度都有较大的提高。

2.    导管及仪表阀门

压力、差压、差压法测量液位、节流法测量流量以及汽水成分分析的取样等，都要用到由仪表导管及仪表阀门等附件组成的管路系统作为取源部件。

导管及阀门等附件需与介质直接接触，承受被测介质的高温高压，在材料选择、壁厚的确定、结构设计等方面都要认真对待才能确保在超超临界参数条件下长期运行的安全可靠。

2.1  一次门前取压短管材料选用

根据“火电发电厂热工自动化就地设备安装、管路及电缆设计技术规定”DL/T5182-2004：

当被测介质参数P=17-25.4Mpa，t=500-566℃时，汽水系统中一次门前取压短管及导管材质均采用12Cr1MoV或与主管道同材质。

就玉环项目而言，其蒸汽参数已远超出“规定”的压力温度范围，“规定”中的内容已不适用，但“与主管道同材质”仍可适用。

锅炉出口集箱、主汽管、热再热汽管及汽机高温部件多采用进口新型的P91、P92、P122几种铁素体耐高温合金钢，其中档次最高者是P122，是一种新型的12Cr钢。

因此一次门前取压短管及导管采用新型12Cr钢的T122管，可满足600℃超超临界参数在各种场合的取源要求。

但此种类型的小口径管在市场上很难采购，同时存在异种钢焊接的问题，因此，在玉环项目上，主蒸汽一次仪表门前的一次取压短管我们仍采用了“与主管道同材质”且在市场上可采购的Φ32×8的T92钢小口径管。

热再热蒸汽仪表导管结合市场上的采购情况则全部采用T91小口径管，一次阀前采用Φ25×5管。

2.2  一次门后取压短管材料选用

考虑到市场上无法采购到T92的Φ16×3小管，且主蒸汽取样测点一次阀门后的导管所承受的温度已远远低于被测介质的温度，因此，该部分仪表管道选用了TP316H号称“超级不锈钢”的小口径管。

热再热蒸汽仪表导管一次阀后则采用Φ16×3的T91管或TP316H管。

2.3 一次阀前仪表导管长度

参照国内火电机组热工安装施工规范及安装单位的习惯做法，一般将一次阀前的仪表导管的预留长度仅为250mm左右，也就是说，只要满足阀门留在保温层以外即可。

通过实际运行后我们发现，对于那些用于高温场合的一次阀，按上述长度预留一次阀前导管，一次阀本身阀体温度将达到370℃到400℃之间，虽然该温度尚在一次阀正常运行允许范围之内，但这也将大大影响阀门的可靠性及使用寿命。

如果将一次阀前仪表导管长度预留至1m，则可大大降低一次阀的运行温度，提高阀门的可靠性。

 2.4       一次阀前仪表导管的型式

一次阀前仪表导管的型式因一次阀的选用不同而异。

如果一次阀选用普通仪表阀，因其本身重量较轻，仪表导管则可按直管道来考虑；如果选用工艺阀门作为仪表一次阀，由于阀门本身因重量的增加而往往需要加装固定支撑，因此，一次阀前仪表导管的型式就必须加以考虑，以消除因工艺管道膨胀、振动所引起的焊口应力增加。

通常的做法是将一次阀前仪表导管制作成一个膨胀弯（示意图见图一），膨胀弯的具体尺寸可视弯管机的具体情况而定

3.   仪表阀门

仪表阀门的选用在国内有两种不同的意见：

普通仪表阀门和工艺阀门。

究其原因，纯粹是由于其设计的归属问题造成。

在国内，仪表一次阀的设计归属于热工专业，因此，国内的仪表一次阀多选用热工专业所熟悉的仪表阀门。

而在国外，仪表一次阀门的设计归属于机务专业，因此，在我国由国外设计公司设计的电厂里，仪表一次阀均采用工艺阀门（如南通电厂、玉环电厂国外成套供货项目等）。

3.1    普通仪表阀门

仪表阀门从其原使用意图看，是作为隔离仪表而设置的，安装位置接近于仪表而远离取源口，因此，作为仪表阀其一般仅需要考虑耐压问题而无需考虑耐温问题。

但目前从各仪表阀门的生产商所提供的温度压力曲线上看，其耐温及耐压值大多已能满足超超临界机组所需要的温度及压力值要求。

但需要指出的是，由于仪表阀在阀盖设计的型式及密封填料的不同，其阀门性能存在着较大的差异，以Swagelok不锈钢仪表阀门为例，若采用普通的聚四氟乙烯（PTFE）填料，其所适用的温度范围为–53至232℃,而采用Grafoil®石墨填料的，则其温度适用范围则可高达648℃，并在该温度下，其耐压值仍可达212bar，已能满足绝大部分超超临界机组对高温高压仪表阀的使用要求。

另外，阀盖的设计对于仪表阀门长周期安全运行也同样至关重要。

一般来说，从阀门阀盖结构分类，仪表阀门可分为有安全阀盖设计及无安全阀盖设计两种，他们的特点和应用分别如下:

无安全阀盖设计的阀门——直接安装式阀盖设计，即阀盖直接通过螺纹安装于阀门本体上（见图二/部件4），国外称为手阀（handlevalve），可用于二次门及低温低压场合。

作为锁紧部件的阀盖螺纹直接接触介质，承受和介质同等的温度压力，选用不锈钢材料时导致螺纹部位材料有硼化的可能。

并且锁紧螺纹在结构中同时起到密封作用，所以阀门如果用在极端高温下就存在结构上的隐患，甚至可能导致阀门解体。

因此，虽然该种阀门在常温状态下的工作压力可达到42Mpa，甚至70Mpa，但在火电机组中仅可用于二次仪表门或低温低压场合。

有安全阀盖设计的阀门——安全阀盖设计包括组合阀盖（UnionBonnet），法兰阀盖（Flange

Bonnet），O&SY阀盖（O&SYBonnet）等等。

其结构是将锁紧部件的阀盖和介质完全分离（见图三/部件5）。

由于阀盖部分不接触介质，而是暴露于常温的空气当中，阀体温度由于巨大的内外温差，将迅速散热，所以阀盖部位的温度将远远低于介质温度。

由于不锈钢材料的硼化蠕变只在温度接近600oC时发生，所以作为锁紧部件的阀盖就避免这种材料隐患。

所以在火电机组，尤其是超临界/超超临界机组中，在一次阀和排污门选择时，应该使用具有安全设计的阀门。

   但是许多电厂选用了普通仪表阀门作为仪表一次阀后，出现了泄露等现象，追究其可能的原因有：

在于阀门阀盖的选型上，对于应用于高温高压场合的仪表阀，应尽量采用有安全阀盖设计的仪表阀。

目前，有安全阀盖设计的仪表阀门生产厂家主要有Swagelok、Parker和Schneider等几家著名仪表阀生产厂商。

但在招投标时，投标商往往会采取“挂羊头卖狗肉”的方式，以次充好。

造成这一现象有我们采用的“低价中标”模式的原因，也有我们热控人员对阀门不够了解的原因。

如以某一知名品牌进行投标，而实际供货却采用另一低档阀门，这为以后的设备运行埋下隐患。

另一个主要的原因是填料选型的错误。

一般来讲，聚四氟乙烯填料（PTFE）填料耐温值仅为230℃左右，而采用柔性石墨填料Grafoil其耐温值则可达630℃左右，如果将采用PTFE填料的阀门用在超临界机组的主蒸汽或热再热蒸汽的压力取压一次阀上，则其最终泄露是可以预期的。

同时，要加强对仪表阀填料的的检查确认，以避免PTFE填料的一次阀被用于高温高压的一次阀门上。

阀体材料的选择。

由于不锈钢材料在600℃时出现硼化现象，因此，阀体的材料对于仪表阀门长周期安全运行也至关重要。

这一点可从多数厂家所提供的阀门温压曲线或参数表中都可看出，当温度超过600℃，其压力数值将急剧下降至零。

也有一些厂商所提供的温压曲线或数值显示，其生产的不锈钢仪表阀，在温度为648℃，相对应的耐压值为212bar，但考虑到硼化现象，在温度高于600℃的场合就应慎用不锈钢材料的阀门。

因此，在一次阀的选型上，应尽量考虑选用与工艺流程管道相同或相近的阀体材料，如主蒸汽管道材料为P92的话，则所选一次阀门也应选用F92的材料，或相近的F91材料。

由于目前能够生产F91、F92一次阀的厂商较少，这样一来限制了招标厂家的选择。

3.2  工艺阀门

所谓的用作仪表阀的“工艺阀门”是指工艺专业通常用于热力系统中工艺介质流体隔断的小通径手动操作阀门。

但用于热控专业仪表取样管道介质隔断的阀门，则被称为仪表一次阀。

其特点为：

∙∙∙∙∙∙1✆    通径较大，一般为10mm以上；

∙∙∙∙∙∙2✆    结构相对复杂，阀盖（bonnet）为多片式或组合式结构，在温度变化时密封部分具有一定的自调整能力；

∙∙∙∙∙∙3✆    填料（packing）用料多，密封性相对较好，且对于高压阀门，阀盖与阀体间多采用密封焊形式；

∙∙∙∙∙∙4✆∙  阀杆长度较长，手轮较大且离阀体距离相对较远，操作方便；

∙∙∙∙∙∙5✆    体积大，价格高于同规格的仪表阀。

   在高温高压场合采用工艺阀作为仪表阀门使用，其最大的优点在于其阀门本身在设计时就考虑了其耐高温高压的特点，其制造及检验已形成了较完善的标准体系，因此，从结构设计、强度和操作使用及寿命等方面均好于普通仪表阀。

1）工艺阀的选型

工艺阀的选型应综合考虑阀门通径、接口、焊接型式、工艺系统的温度及压力参数以及仪表导管的材质等因数，下面分别作一说明。

   阀门的通径的选取主要取决于对阀门流通性能的考量，因此，在《火力发电厂热工自动化就地设备安装、管路及电缆设计技术规定》中，要求阀门的通径应为10-20mm为宜。

但在实际应用中，尤其是在高温高压场合，阀门一般要选用4500磅级的阀门，随着通径的增加，阀门本身重量也相应增加，这不光将导致阀门成本的增加，而且将导致取压口焊缝应力的大幅增加，直接影响机组的安全运行。

以BonneyForge阀门为例，一个4500磅限制级的阀门，其通径与阀门重量的关系如下表格：

阀门尺寸inch

1/4

1/2

3/4

1

通径（mm）

7

8

11

14

重量（kg）

5.5

5.6

14

14

从表中可以看出，1/2英寸与3/4英寸阀门通径相差仅为3mm，但其重量却相差8.4kg。

因此，阀门通径的选取应本着够用原则，尽量选用通径较小的阀门，以减少阀门重量。

接口尺寸的选取只要满足阀门两端管道接口尺寸即可。

一般来说，对于高压的阀门焊接，如主蒸汽、给水系统，宜采用对焊方式进行焊接；其他的则可采用对焊或乘插焊方式。

被测工艺系统的温度及压力参数是选取阀门的重要参数。

对于工艺阀门，其制造一般均遵循ASMEB16.34标准，因此，其温压曲线均有现成的标准可查。

如工艺参数为26MPa/600℃,要求选用一只材料为F91的阀门，则可依据下表得到阀门的选型。

温度（℃）

800#LTD

1690#LTD

2500#LTD

2680#LTD

4500#LTD

表格以上部分省略。

593.3

71.7

157.9

233.7

262.3

483.0

621.1

52.7

116.9

172.4

193.4

367.2

表格以下部分省略。

按照上表，4500磅限制级能满足工艺参数要求。

 阀门材质一般选用与所选用仪表导管相同的材质，如果无法满足，则可选用相近材质，以满足焊接要求为前提。

2）建议

   虽然从各厂商提供的阀门温压参数看，普通仪表阀及工艺阀均可作为高温高压仪表阀使用，但从设计、制造、结构、安全及工程造价等综合因数考虑，我们建议在高温高压仪表阀使用工艺阀门，而在低温低压场合，建议使用普通仪表阀门。

3.3       仪表阀门的安装

按照《规定》要求，当被测压力信号的介质是蒸汽时，测点宜在管道的上半部或与水平中心线以下成0°～45°夹角范围内。

此时，仪表阀门的安装位置应位于工艺管道取压口的下方，以使阀门前的管路有水凝结而大大降低阀门的运行温度。

这是由于在超临界压力参数下（压力大于22.05MPa），只要水的温度大于374.3℃，水就形成一种介于液体和气体之间的中间状态的水。

若阀门安装位于取压口上方，因仪表导管内的蒸汽无法凝结成水致使阀门一直处于高温状态，将直接导致阀门盘根因高温而出现密封泄漏。

当然，阀门的盘根我们可以选用柔性石磨盘根以提高其耐温性能，但较低的运行温度将大大延长阀门的使用寿命。

4.    结语

随着火电机组向大容量、高参数方向发展，仪表导管及仪表阀作为压力取源的重要部件，将直接关系到机组的安全稳定运行。

在目前国内尚无标准可循的情况下，华能玉环电厂作为国内首座投入运行的百万千瓦超超临界机组，在这方面已积累了一定的经验。

我们将继续跟踪仪表阀的实际运行情况，不断总结经验教训，为机组的安全稳定运行尽自己的努力。

【参考文献】

《火电发电厂热工自动化就地设备安装、管路及电缆设计技术规定》

《1000MW超超临界机组热控设计特点介绍》金黔军

【作者简介】

鲁魁1982年12月出生，本科，浙江省火电建设公司，助理工程师。

2005年7月毕业于中国计量学院。

曾经担任过浙能兰溪电厂4*600MW机组的热控安装技术工作。

现在担任国内首个超超临界机组华能玉环电厂4*1000MW机组的热控安装技术工作。

  周立仁1968年，本科，华能玉环电厂，高级工程师，从事电厂热工专业16年。

  周斌1972年，本科，华能玉环电厂，工程师，从事电厂热工专业13年。