关于按ASME法规第I卷要求做超临界锅炉安全阀和安全泄放阀设计选用的探析(节选)
Relating to Explore for Making Design and Selection of Safety Valve and Safety Relief Valve of the Supercritical Boilers According to the Requirements of the Section I of the ASME BPVC.

韩肇俊Han Zhaojun,王光华Wang Guanghua
北京巴威公司Babcock & Wilcox Beijing Co., Ltd.

本文在列举出国内托克托电厂二期、西柏坡电厂三期和兰溪电厂三个电厂、两种不同水循环方式锅炉上的安全阀和安全泄放阀的设计配置情况的基础上,着重讨论针对超临界锅炉如何正确理解和应用ASME规范第I卷《动力锅炉建造规程》的规定来确定超压保护装置的设计选用。同时,还对电厂用户就此提出的问题作了探析。
Based on listing the design arrangement circumstances of safety valve and safety relief valve of the two kinds of different water circulation ways of the supercritical boiler units for three projects of the TUOKETUO-II, XIBAIPO-III and LANXI power stations, this paper specially discuss how to properly understand and how to properly use the rules of the Section I of the ASME Code to determine the design and selection for the overpressure safeguard devices. At the same time,it has also been try to explore the questions pertinent to the subject which were putted forward by the customer of the power stations in this paper.
I 超临界锅炉 ASME规范安全阀安全泄放阀规范应用
Supercritical Boiler; ASME Code; Safety Valve; Safety Relief Valve; Code Application.

1.前言
       和其它类型的锅炉一样,在超临界压力锅炉上为了避免在煤种变化、运行操作失误或汽轮机甩负荷时锅炉内部的压力超限,必须在锅炉上装设超压保护装置,即安全阀和安全泄放阀。
       可以在超临界压力锅炉上使用的安全阀是全开式的弹簧安全阀。由于超临界锅炉的工作压力和温度比起亚临界参数更高,且对安全阀工作可靠性等方面的要求也十分严格的缘故,目前还是以选择国外进口的安全阀为主。然而,超临界锅炉用安全阀除了在阀体、阀座和阀瓣等材料上必须使用级别更高的耐热钢和特殊合金材料外,它的内部结构及动作原理却与亚临界压力锅炉上使用的全开式弹簧安全阀基本相同。
       在超临界锅炉上使用的安全泄放阀以电磁控制的泄放阀为主,一般称为PCV阀。与弹簧安全阀的情况相仿,其内部结构及动作原理也和用于亚临界压力锅炉上的阀门基本相同。
       当把用于超临界锅炉的安全阀和安全泄放阀的设计选用,与用于亚临界压力自然循环锅炉及控制循环锅炉上的阀门作比较时,比较结果是十分明了的,即:
       在超临界和亚临界压力两种使用情况下,两者的不同并不是在它的结构和工作原理的不同,而恰恰在于ASME规范的第I卷对于两种不同水循环方式的动力锅炉的设计,在安全阀和安全泄放阀的布置位置、排放量和整定压力等上的规定不同。
       考虑到我国为了实现节约能源及减小污染排放,在火力发电机组的建设上超临界机组的台数正在不断增加,而在我国的有关锅炉的设计建造规程中还没有明确的规定。同时考虑到部分用户有可能是初次接触超临界压力锅炉,因而,若带着传统概念来看待有关安全阀和安全泄放阀及其系统配置的话,就很容易对设计选用数据产生疑问。在2005年,根据合同要求对西柏坡和兰溪两个电厂进行用户培训的过程中,电厂方面就此提出的应用问题就比较多。
       本文在下面将结合我公司承接的工程合同,就如何正确运用ASME规范第I卷《动力锅炉建造规程》的有关规定、确定安全阀和安全泄放阀的设计细节展开讨论。

2.三个合同工程上安全阀和安全泄放阀配置情况的比较
       为了便于对上述问题展开讨论,这里先列举由我公司设计和制造的托克托电厂、西柏坡电厂和兰溪电厂锅炉过热器系统上的安全阀和安全泄放阀配置情况(见表1)。
       其中,托克托电厂二期工程3#和4#锅炉是600MW亚临界压力的RBC型自然循环锅炉,后两个电厂是600MW超临界压力的SWUP型螺旋管圈炉膛本生式直流锅炉,只是兰溪工程上锅炉的一次蒸汽温度参数为571℃,而西柏坡工程锅炉的一次汽温度参数为543℃。
1三个电厂、两种类型锅炉过热器系统安全阀和安全泄放阀的设计选用结果对比

名称

单位

托克托电厂(二期)

西柏坡电厂(三期)

兰溪电厂(一期)

B-MCR(VWO)

B-MCR(VWO)

B-MCR(VWO)

锅炉最大连续蒸发量(B-MCR)

t/h

2028

1950

1903

过热器出口蒸汽压力

MPa(g)

17.5

25.41

25.40

过热器出口蒸汽温度

541

543

571

主钢印压力

MPa(g)

---

26.72(见注①)

26.72(见注①)

弹簧安全阀起座压力系数

---

---

1.165

1.17

锅筒上的弹簧安全阀:

---

---

(不适用)

(不适用)

个数:
型号:
排放量:

 

6个
3M2 6、HE-96W
6 x 13.98%

---

---

整定压力:

MPa

19.82,19.94,20.06,20.17,20.29,20.42.
(见注②)

---

---

分离器顶部蒸汽管道
弹簧安全阀:

---

(不适用)

---

---

个数:
型号:
排放量:

---
---
%

---
---
---

3个
3M28、HCA-118W
3 x 25.53%

3个
3M28、HCA-118W
3x 26.26%

整定压力:

MPa

---

31.12

31.26

主汽管道弹簧安全阀

个数:
型号:

排放量:

---
---

%

2个
3M2 6、
HCI-98W
2x 8.88%

1个
3M8、HCA-118W-C12A
14.7%

1个
3M8、HCA-118W-C12A
14.54%

整定压力:

MPa

18.44,18.55
(过热器出口)

31.12

31.26

主汽管道电动泄压阀(PCV)

个数:
型号:

排放量:

---
---

%

2个
EBL721N-
7BWRA6P1
---

2个
E09114N-
7BWRA5P1
2 x 5.65%

2个
E09114N-
7BWRA5P1
2 x 5.675%

整定压力:

MPa

17.79,18.09
(过热器出口)

26.72

26.72

过热蒸汽总排放量
(弹簧安全阀):

%

101.6%
(BMCR)

76.6%+14.7%
=91.3%

78.8%+14.5%
=93.3%

过热蒸汽总排放量(电动泄压阀):

%

11.2%(BMCR)

11.3%(BMCR)

11.35%(BMCR)

过热蒸汽累计总排放量:

%

112.8%

102.6%

104.65%

再热蒸汽流量

t/h

1717.3

1636.3

1551.3

再热器进口蒸汽压力

MPa(g)

3.992

4.47

4.716

再热器进口蒸汽温度

330

296

324

再热器出口蒸汽压力

MPa(g)

3.832

4.28

4.526

再热器出口蒸汽温度

541

569

569

注:
①西柏坡电厂和兰溪电厂600MW超临界锅炉设计所用的主钢印压力均为:26.72 MPa(3875 psig),系按B&W公司设计标准确定出的过热器出口处的锅炉设计压力值。
②托克托电厂600MW自然循环锅炉上,按CROSBY阀门厂家的推荐,过热器和再热器进、出口安全阀在安装安全阀时,是沿管道介质流向方向将安全阀整定压力由高到低进行排列。
       本表中,还列出了再热蒸汽的流量及其进出口蒸汽的参数,以便于在后面的问题讨论和说明。
       在上表中已列出了两个超临界机组锅炉上过热器系统安全阀和安全泄放阀的全部数据,也示出了其布置的位置。
       尽管托克托电厂锅炉上的数据及其布置并不是本文所要讨论的主要对象,然而,对比这三个电厂、两种类型锅炉安全阀和安全泄放阀的设计选用,从表列数据已可看到在自然循环的锅炉和直流锅炉之间,有着如下的明显差别:
在自然循环的锅炉上,无论是锅筒和过热器上,还是再热器的进、出口安全阀的整定压力均是有高有低,并且,随安全阀供货厂家不同,美国克罗斯比阀门公司推荐在安装时沿管道介质流向方向将安全阀由高到低进行排列,即整定压力高的安全阀布置在介质流向的上游。与此不同,而在超临界压力直流锅炉上,则只有再热器系统上的弹簧安全阀的整定压力才是有高有低;而被设置在分离器和主汽管道上的弹簧安全阀的整定压力却是同一个压力值,它们均为锅炉最大连续蒸发量(BMCR)下、过热器出口主钢印压力的约1.165~1.17倍
       自然循环锅炉与两个超临界机组电厂所用的直流锅炉,在安全阀和安全泄放阀的总排放量上的统计方法不同。如表中所示,对托克托电厂的自然循环锅炉其安全阀的总排放量的统计,并不计入电动泄压阀的排放量。而对于两个超临界机组电厂的直流锅炉,却是必须把安全阀和安全泄放阀两者的排放量合在一起统计,并做到使之累计总排放量大于锅炉的最大连续蒸发量(BMCR)。就表中所列数据而言,西柏坡电厂和兰溪电厂超临界锅炉过热器系统上的弹簧安全阀的个数、阀门型号和布置相同,弹簧安全阀的总排放量分别只有91.3%和93.3%,只有在加上了电动泄压阀的排放量之后才分别达到了102.6%和104.65%(BMCR)。
       造成上述不同的根本原因在于这三个电厂、两种类型锅炉在设计时所需遵从的ASME规范和美国B&W公司标准中的要求不同。
       按照ASME规范第I卷的PG-67《锅炉安全阀的要求》节的规定,当自然循环锅炉应按除PG-67.4条外的规定进行设计时,对于直流锅炉这一类的所谓“没有固定汽水分界线的强制流动蒸汽锅炉”,则既可以按除PG-67.4条外的规定进行设计,也可以按PG-67.4条下列的各条规定进行设计。在用户无特殊要求时,我公司按PG-67.4条下列条款进行设计,这种做法和参考资料[3]第23-6页中所述美国对直流锅炉安全阀整定压力的设计选用方法相一致。

3.ASME规范第I卷PG-67.4条对强制流动锅炉安全阀和安全泄放阀的法规要求(略)

4.对于其他相关问题的讨论(略)

4.1关于阀体材料及设计温度的补充说明:(略)
4.2关于安全阀回座压差值的补充说明:(略)
4.3关于安全阀起跳对过热器冷却能力影响问题的讨论:(略)
4.4关于可在电动泄压阀的进口处加装隔离阀的补充说明:(略)
4.5关于再热器上的弹簧安全阀的整定压力的确定原则的补充说明:(略)
5.6关于主钢印压力定义的说明:
       在ASME规范中,“主钢印压力”的英文名称为:“Master stamping pressure”,它是指被填写在ASME规范产品数据报告上的锅炉设计压力。
       如图PG-67.4中所示,锅炉的主钢印压力即过热器出口处的设计压力。当按PG-27节给出的强度计算公式计算受压元件所需壁厚时,公式中的P被称为受压元件的最高允许工作压力(Maximum allowable working pressure,MAWP)时,只有过热器出口处的设计压力才是一台锅炉的“主钢印压力”,也就是一台锅炉只有唯一一个主钢印压力。由于它是过热器出口处的设计压力,所以,它也就是设计过热器出口集箱和管道时所应使用的MAWP。

5.结束语
       以上所作的讨论主要包括了三个部分,其一是对ASME规范中的要求的理解;二是对北京B&W公司两个电厂工程有关情况的介绍和分析。和其他工程一样,ASME规范并非是‘教科书’性质的参考资料,必须结合工程应用来做到对于法规要求的完整理解和把握;三是对用户就此提出的五个问题的补充说明或讨论,目的同样是为了对照法规要求查看是否符合或者是有待改进。最终,是要保证工程的设计质量符合合同要求,并充分地起到超压保护的作用。
       文中如有不当之处,欢迎指正。
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