25－超超临界机组主蒸汽设计压力问题研究－45

时间：2021-08-12 00:17:58 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　超超临界机组主蒸汽管道 设计压力问题争辩

　闫 平 （中国华电工程（集团）有限公司，北京市，邮编：100044）

　摘

　要：我国现行的设计规范中，对超超临界机组主蒸汽管道设计压力的选取没有明确规定。本文结合国内外电厂建设标准，对我国即将建设的超超临界机组主蒸汽管道系统设计压力的选取原则作了分析争辩，提出了建议。

　关键词：超超临界；主蒸汽管道；设计压力 1

　国内外相关标准/规范的规定

　1.1 国内规范的状况

　我国即将开工建设的超超临界 1000MW 级机组锅炉 BMCR 工况过热器出口主蒸汽参数为27.6MPa/605℃，从我们现行的规范看，有 SDGJ-6-90《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》，是 91 年实施的，目前正在修编。另外还有 DL/T5054《火力发电厂汽水管道设计技术规定》，是 96 年实施的。前者，在前言第 1.0.6 条中规定，“使用本规定进行计算的管道，其设计还应遵守《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》”

　[1] ，但是二者在设计参数的取值方面完全相同，即：主蒸汽设计压力取用锅炉过热器出口的额定工作压力或锅炉最大连续蒸发量下的工作压力。当锅炉和汽轮机允许超压 5%（简称 5%OP）运行时，应加上 5%的超压值。而DL/T5054 在总则 1.0.2 中规定了“本规定适用于火力发电厂范围主蒸汽参数为 27MPa、550℃（高温再热蒸汽可达 565℃）及以下机组的汽水管道设计”

　[2] 。由此看来，我国即将开工建设的超超临界 1000MW 级机组的主蒸汽参数已经超出了现行规范的范围。但至今我们国内尚没有适用于超超临界火电机组参数的管道设计规范。为此，各个设计院在设计主蒸汽管道时，有各自不同的生疏、取用不同的设计参数，毁灭了对应于同一主设备厂家（锅炉）却有不同的设计压力取值。有的按锅炉 BMCR 工况过热器出口主蒸汽压力，有的按超压 5%（也不知道设备是否具有超压力气）作为设计压力，有的按平安阀起跳压力…。

　正在修编的《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》预备向国外标准靠，被公认的国际规范是 ASME B31.1。

　1.2 国际主要标准和规范的状况

　在国外不同国家有不同的取法，基本状况简述如下：

　1.2.1 美国 ASME B31.1 动力管道 按 ASME B31.1 的 100.1.2 图把直流炉主蒸汽管道归于由 ASME B31.1 分委会负全部技术责任。

　在 101.2.2 规定：设计内压应不小于管道系统所承受的最大工作压力，包括静压影响。

　“ The Internal design pressure shall be not less than the maximum sustained

　operating pressure (MSOP)within the piping system including the effects of static head.”。

　[3]

　 在 102.2.3 正常运行条件中规定：若可能作用于系统任何部件或元件的最大承受工作压力和温度不超过本规范所允许的最大压力和温度，那么该管道系统应认为是平安的。

　“Normal operating condition. A piping system shall be considered safe for operation if the maximum sustained operating pressure and temperature which may act on any part or component of the system does not exceed the maximum pressure and temperature allowed by this Code for that particular part or component. ”。

　[4]

　 在 102.2.4 正常运行可允许变化中规定：所允许的最大内压和温度应包括考虑偶然荷载和瞬时压力、温度。要生疏到发生压力温度的变化是不行避开的。因而，管道系统除了参照102.2. 1 部件标准或参照 102.2. 2 部件制造标准外，偶然短时在高于设计压力温度下运行应认为是平安的。这种压力或温度或两者同时变化，所计算的周向应力不超过附录 A 对应温度下的许用应力如下百分数时，这种波动可以超过设计值：

　（A）当任何一次不多于 8 小时，年累计不超过 800 小时时，其许用应力可提高 15%； （B）当任何一次不多于 1 小时，年累计不超过 80 小时时，其许用应力可提高 20%； “ The maximum internal pressure allowed shall include considerations for occasional loads and transients of pressure and temperature. It is recognized that variation in pressure and temperature inevitably occur, and therefore the piping system, except as limited by component standards referred to in para. 102.2.1 or by manufactures of components referred to in 102.2.2, shall be considered safe for occasional short operating periods at higher that design pressure or temperature. For such variations, either pressure or temperature, or both, may exceed the design values if the computed circumferential stress does not exceed the maximum allowable stress from Appendix A for the coincident temperature by: (A) 15% if the event duration occurs for no more than 8hr at any one time and no more than 800hr/year, or

　(B) 20% if the event duration occurs for no more than 1hr at any one time and no more than 80hr/year.”

　[5]

　 在 122.1.1(A) 规定：设计压力和温度的选择要足以超过任何预期的不必连续的运行工况，以允许在超压疼惜装置不动作时能良好运行。

　“It is intended that the design pressure and temperature be selected sufficiently in excess of any expected operating condition, not necessarily continuous

　to permit satisfactory operation without operation of the overpressure protection devices.”

　[6]

　 在 122.1.1(B)规定：对没有固定汽水分界线的强制循环锅炉，与压力部件连接的外部管

　道、阀门和管件，允许沿锅炉汽水流程路径按不同压力水平进行设计。外部管道、阀门和管件的设计压力和温度值应不小于与之邻近的压力部件所承受的预期最大承受工作压力和温度，但 ASME 锅炉压力容器规范第Ⅰ卷 PG67.4 一个或多个超压疼惜装置动作时这些部件所承受的压力温度。蒸汽管道应符合按 122.1.1(A)最大承受运行条件的要求或汽机入口设计压力加 5%，取其最大值。

　“In a forced flow steam generator with no fixed steam and waterline, it is permissible to design the external piping, valves, and fittings attached to the pressure parts for different pressure levels along the path through the steam generator of water-steam flow. The values of design pressure and the design temperature to be

　used for the external piping, valves, and fittings shall be not less than that required for the expected maximum sustained operating pressure and temperature to which the abutted pressure part is subjected except when one or more of the overpressure protection devices covered by PG-67.4 of Section Ⅰ of the ASME boiler and pressure vessel code is in operation. The steam piping shall comply with the requirements for the maximum sustained operating conditions as used in (A) above, or for the design throttle pressure plus 5%, whichever is greater.”

　[6]

　 1.2.2 美国 ASME 锅炉压力容器规范第Ⅰ卷动力锅炉建筑规章 ASME 锅炉压力容器规范第Ⅰ卷动力锅炉建筑规章中 PG-21.2 规定：对没有固定汽水分界线的强制循环锅炉，允许对部件沿汽水流程按不同压力大小进行设计，…任何部件的最高允许工作压力不应小于 PG 篇规章所规定的在预期承受的最大压力和温度工况* 下的压力。

　*“预期承受的最大压力和温度工况” 是指必需选择在任何预期的运行工况（不必是连续的）中，超压疼惜装置不动作而锅炉满足的运行，并有余量。

　“In a forced-flow steam generator with no fixed steam and waterline it is permissible to design the pressure parts for different pressure levels along the path of water-steam flow. The maximum allowable working pressure of any part shall be not less than that required by the rules of Part PG for the expected maximum sustained conditions*

　of pressure and when one or more of the overpressure

　protection device covered by PG-67.4 is in operation.” * Expected maximum sustained conditions of pressure and temperature are intended to be selected sufficiently in excess of expected operating conditions (not necessarily continuous) to permit satisfactory boiler operation without operation of the overpressure protection devices.

　[7]

　 1.2.3 德国 TRD 德国 TRD300 7.5 中规定：锅炉出口过热蒸汽管道的设计压力应是受超压平安装置疼惜的最高压力。

　“For superheated steam line downstream of the steam boiler outlet design pressure p shall be the maximum pressure that is safeguarded by the safety device against

　excessive pressure.”

　[8]

　 1.2.4 美国 SAGENT&LUNDY 公司 美国 SAGENT & LUNDY 公司规定,主蒸汽管道设计压力按 ANSI/ASME B31.1 122.1.2，并对汽包炉和直流炉进行了分别规定，对直流锅炉主蒸汽管道设计压力应取下述两者中的大值：

　1）

　汽轮机入口设计压力（VWO + 5% OP 工况）加 5%； 2）

　汽轮机入口设计压力加管道压降。

　2

　主蒸汽管道设计压力的取值分析

　从我国多年以来主蒸汽管道系统设计、制造、运行、监察的阅历和技术进展趋势上看，将逐步向国际标准靠拢，大多数国家认可的规范是 ASME B31.1。其主蒸汽管道设计压力的取值将按 122.1.1(B)的规定， 对没有固定汽水分界线的强制循环锅炉，蒸汽管道应符合按122.1.1(A) 最大承受运行条件的要求（设计压力和温度的选择要足以超过任何预期的不必连续的运行工况，以允许在超压疼惜装置不动作时能良好运行），或汽机入口设计压力加 5%，取其大值。那末，对瞬时超压可按 102.2.4（A）/（B）的规定，对这种瞬态条件下的管道周向应力进行核算，保证瞬时的平安性。

　至于平安装置不动作的压力，可以有几种生疏，即：PCV 阀的起跳压力、过热器平安阀最低起跳压力和过热器平安阀最高起跳压力等。不同的起跳压力其数值各异，不同的制造厂有不同的规定，要具体分析对待。可以简洁的进行一下分析，作为大机组锅炉燃烧系统均是投入自动把握的，而且反应准时快速，即使发生超压，也是短时的。设置过热器最高起跳压力的平安阀，是对锅炉的一种平安疼惜措施。假如按 ASME B31.1 的规定，过热器平安阀最低起跳后的短时压力蓄积，不超过 ASME B31.1 中 102.2. 4 的规定，还是可取。依据过热器平安阀最高起跳压力作为设计压力，会使管道壁厚取得太大，不仅投资大，而且由于管道刚度的加大，对设备的推力难于满足制造厂规定的要求，实行任何措施都要增加费用，是否合理有待商榷。

　对于平安疼惜装置包括有平安阀、PCV 阀和/或三用阀旁路（日本有这种三用阀旁路提法，我们很少用），取哪个？具体起跳值是多少？取决于锅炉制造厂（《电力工业锅炉压力容器监察规程》DL 612-1996 规定，平安阀起座压力按制造厂规定执行）条件，可能是 3%（PCV 阀的起跳压力），可能是 5%或 6%（过热器平安阀最低起跳压力），也取决于运行规定。如若设取了某一数值，就成为今后运行管理的依据，设计即要符合有关规范，又要在签订设备技术协议时了解主机厂的规定，还应了解运行习惯和有关规定。一旦定下来，就成为设计、运行和检查的依据。

　假如取用锅炉过热器出口额定工作压力，运行中就要把握超过这一压力的幅度和时间，满足 SDGJ-6-90 第 6.0.1 条关于管道运行中有压力波动，或压力温度同时波动，且超过设计压力或温度时，必需验算瞬态变化和平安性的规定。

　对于日本和德国的规定，按最大允许工作压力或平安阀最高起跳压力取值，平安上确定没有问题，但是好像压力取值过高，会使德管子壁厚太大，对设备的推力较难处理。当然，这一规定的做出可能是要与相应规范或规定的协调和全都。

　3

　建议 综上所述，由于我国超临界机组尚未正式投入运行，阅历不足，超超临界机组还在起步阶段，世界范围也并不很多，为确保平安经济运行，建议主蒸汽管道的设计压力接受过热器平安阀的最低起跳压力或汽机入口设计压力加 5%，取其最大值，即按 ASME B31.1 的规定。并对由于连续蓄积能量引起的短时压力和温度的上升进行验算，作为可调设计压力的依据。同时，应征得锅监委等平安管理部门的意见，使设计、运行和管理要求相协调。

　参考文献：

　[1]

　SDGJ-6-90《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》，北京，水利电力出版社，1991，1 页 [2] DL/T5054《火力发电厂汽水管道设计技术规定》，北京，中国电力出版社，1996，1 页 [3] Page10, 101.2.2, Power Piping, ASME B31.1,2001 Edition [4] Page12, 102.2.3, Power Piping, ASME B31.1,2001 Edition [5] Page12, 102.2.4, Power Piping, ASME B31.1,2001 Edition [6] Page49, 122.1.1, Power Piping, ASME B31.1,2001 Edition [7] PG-21.2, Rules for Construction of Power Boilers, ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section I, 2001 Edition. [8] Page3, 7.5, Strength calculation of Steam Boilers, Technical Rules for Steam Boilers (TRD), 1994 Edition

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