火电厂动力驱动泄放阀配置及排量计算分析.pdf

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1、火电厂动力驱动泄放阀配置及排量计算分析 张传虎1，陈萱2，张中洲3，田松峰4，唐惠锋5，刘建民6，胡为祖7，鹿焕成8 (1. 武汉华科能源环境科技股份有限公司，湖北 武汉 430074；2. 广东省粤电集团有限公司珠海发电厂，广东 珠 海 519000；3. 南阳鸭河口天益发电有限责任公司，河南 南阳 474671；4. 华北电力大学，河北 保定 071003； 5. 河南华豫盛达特种设备检验技术有限公司，河南 焦作 542150；6. 西安理工大学，陕西 西安 710082； 7. 安徽省特种设备协会，安徽 合肥 230051；8. 湖北华科瑞诚标准化事务所，湖北 武汉 430074) 摘

2、要：火电厂动力锅炉上配备的动力驱动泄放阀是对锅炉提供超压保护的重要设备，但在实际应用中， 很多电厂对动力驱动泄放阀的配置未予足够重视，未能正确执行 ASME 和电力行业标准规范的相关要求， 给锅炉安全运行带来隐患。介绍了相关标准对动力驱动泄放阀的配置要求；分析了动力驱动泄放阀在电厂 实际应用中存在的问题并提出了解决方案；通过计算分析缩径手动隔离球阀对排量的不利影响，提出按照 相关标准规范合理、正确配置动力驱动泄放阀的必要性和重要性。 关键词：火电厂；锅炉；动力驱动泄放阀；配置；手动隔离球阀；排量 中图分类号：TK223.6+2 文献标志码：B DOI：10.11930/j.issn.1004-

3、9649.201711200 0 引言 动力驱动泄放阀（power-actuated pressure relief valve,以下简称 PCV 阀）是一种全部由动力源（气 动、电动）控制其开启或关闭动作的阀门。当锅 炉系统超压并达到动力驱动泄放阀设定的开启压 力时，动力驱动泄放阀打开，向外排放蒸汽降低 系统压力，为锅炉提供超压保护。 目前大型火电厂动力锅炉上均配备有动力驱 动 泄 放 阀 ， 但 在 配 置 过 程 中 ， 未 能 正 确 执 行 ASME 和电力行业标准规范的相关要求，存在手 动隔离球阀口径缩径、未配置备用 PCV 阀等情 况，使 PCV 阀达不到应有的排量，或者一旦运行

4、 中 2 台 PCV 阀中 1 台 PCV 阀故障解列，会导致排 量达不到相应比例的锅炉总蒸发量，给锅炉安全 运行带来隐患。 PCV 阀作为锅炉的超压安全保护装置，国内 对超压保护的安全阀执行的标准和配置要求已有 研究1-2，但对 PCV 阀的配置标准未作专项论述研 究。对影响安全阀排量的影响因素的研究也多注 重于阀门开启高度、阀门出口流道面积等方面3-5， 对于阀门入口前的管道或隔离阀口径对排量的影 响未见研究。 本文介绍了 ASME 和电力行业（DL）标准规 范对 PCV 阀的配置要求；分析了 PCV 阀在电厂实 际应用中存在的问题及解决方案；通过计算分析 PCV 阀前加装缩径手动隔离球阀

5、对排量的不利影 响，提出按照相关标准规范合理、正确配置 PCV 阀的必要性和重要性。 1 PCV 阀配置要求 ASME 锅 炉 及 压 力 容 器 规 范 ， 以 及 DL/9592014电站锅炉安全阀技术规程等 标准规范对 PCV 阀的配置均作了明确的要求。 ASME锅炉及压力容器规范第 I 卷 PG- 67.4.1 规定：“应装设一个或更多个与承受着压 力的锅炉直接相通的动力驱动泄放阀。所有 动力驱动泄压阀的总排放量不应小于锅炉制造厂 确定的在任何运行工况下锅炉最大设计蒸发量的 10%。如果装设按本节的要求与锅炉直接相通的 相同排放量的备用动力驱动泄压阀，则可在动力 驱动泄压阀与锅炉之间装

6、设明杆闸阀型或球型隔 离阀，以便于检修。隔离阀的进出口的面积至少 应等于动力驱动泄放阀进口面积”。PG-67.4.2 规 定：“每台锅炉上还应装设弹簧式安全阀。它和 按 PG-67.4.1 中规定装设的动力驱动泄放阀的总的 组合排放量不小于锅炉制造厂确定的最大设计蒸 收稿日期收稿日期：2017-11-29； 修回日期修回日期：2018-03-24。 第第 51 51 卷卷 第第 6 6 期期中国电力中国电力Vol. 51, No. 6Vol. 51, No. 6 2018 2018 年年 6 6 月月 ELECTRIC POWER Jun. 2018Jun. 2018 1 发量的 100%。在

7、此总排放量中，实际装设的动力 驱动泄放阀排放量所计入的比例不应大于 30%” 6。 DL/T 9592014电站锅炉安全阀技术规 程4.7 规定：“电站锅炉应装设一个或更多个与 承受着压力的锅炉直接相通的动力驱动泄压阀。 所有动力驱动泄压阀的总排放量不应小于锅炉制 造厂确定的在任何运行工况下锅炉最大设计蒸发 量的 10%。按本节的要求应装设与锅炉直接相通 的相同排放量的备用动力驱动泄压阀，应在动力 驱动泄压阀与锅炉之间装设球型隔离阀，以确保 锅炉运行中可以把动力驱动泄压阀解列检修。球 型隔离阀的进出口的面积至少应等于驱动泄压阀 的进口面积，应具有清晰显示阀门处于开启或关 闭状态的标志” 7。

8、ASME锅炉及压力容器规范第 VIII 卷 UG- 135（b）中要求：“在压力容器与其压力泄放阀 之间管道和管件的流通面积，应不小于压力泄放 装置入口的面积，其产生的压降不会将泄放排量 降低到要求值以下，或反过来影响泄放阀的正常 作用”8。按该条款要求规定，PCV 阀前安装的 手动隔离球阀最小流通面积应不小于 PCV 阀入口 的面积，否则将会影响 PCV 阀的额定排量。关于 手 动 隔 离 球 阀 最 小 流 通 面 积 ， 电 力 行 业 标 准 DL/T 18202018电站锅炉动力驱动泄放阀技 术导则4.1.2 条款明确要求：“应在动力驱动泄 放阀与锅炉之间装设手动隔离球阀，确保锅炉运

9、 行中可以把动力驱动泄放阀解列进行检修。动力 驱动泄放阀配套手动隔离球阀的最小流道面积应 不小于动力驱动泄放阀的进口面积，应具有清晰 显示阀门处于开启或关闭状态的标志” 9。 另外，2017 年 11 月 15 日发布，2018 年 3 月 1 日实施的 DL/T 6122017电力行业锅炉压力 容器安全监督规程也对动力驱动泄放阀的配置 要求做了规定，其中 10.1.3 条款要求：“每台锅 炉应装设一个或多个与锅炉直接相通的动力驱动 泄放阀，并符合下列要求：a）所有动力驱动泄放 阀的总排放量应不小于锅炉最大连续蒸发量的 10%； b）装设与锅炉直接相通的相同排放量的备 用动力驱动泄放阀”。10

10、.1.4 条款要求：“在动力 驱动泄放阀与锅炉之间应装设手动隔离球阀。手 动隔离球阀的进出口面积应不小于驱动泄放阀的 进口面积，且有清晰显示阀门处于开启或关闭状 态的标志”10。 2 PCV 阀配置实例及存在问题分析 某 350 MW 大型火电机组采用超临界压力直 流锅炉，最大蒸发量为 1 110 t/h 。锅炉厂配套了 2 台 3547W 型 PCV 阀，其单台额定排量为 157 t/h， 该 PCV 阀为球形阀，入口公称直径为 60.3 mm （2.5 英寸），球芯通径为 44.45 mm（1.75 英 寸），流道结构见图 1。锅炉厂为该 PCV 阀入口 前配置了 2.5IBV1.77-4

11、500WXW 手动隔离球阀，其 流道直径为 44.96 mm（1.77 英寸），流道结构见 图 2。 在该实例中，锅炉厂提供的安全阀整定压 力及排放量汇总中提到动力驱动泄放阀的排放 量之和为 314 t/h，占锅炉总蒸发量的 28.3%。该 排量符合 ASME 规范中所有动力驱动泄压阀的总 流向 入口直径 球芯直径 d2.375(60.3 mm) d1.75(44.45 mm) 图 1 3547W 型 PCV 阀流道结构 Fig. 1 Structure of 3547W PCV fluid channel d1.77 图 2 2.5IBV1.77-4500WXW 手动隔离球阀流道结构 Fig

12、. 2 Structure of 2.5IBV1.77-4500WXW manual isolation ball valve fluid channel 中 国 电 力中 国 电 力第第 51 51 卷卷 2 排放量不应小于任何运行工况下锅炉最大设计蒸 发量的 10% 等要求，但存在以下两个问题。 （1）锅炉厂没有安装与锅炉直接相通的相同 排放量的备用 PCV 阀，一旦运行中 2 台 PCV 阀中 1 台 PCV 阀故障解列，会导致排放量达不到“占 锅炉总蒸发量的 28.3%”。 （2）锅炉厂配套的手动隔离球阀球体流通直 径为 44.96 mm（1.77 英寸），最小流通面积无法 满足 PC

13、V 阀的进口管道直径为 60.3 mm（2.5 英 寸）的流通面积，从而无法达到 PCV 阀设计额定 排量 157 t/h。同时，由于手动隔离球阀的最小流 通面积小于进出管道面积，在运行中因节流降 压，造成手动隔离球阀出口及 PCV 阀入口处蒸汽 流速急剧增高，会对 PCV 阀球体造成冲刷损坏。 针对这两个问题的解决方案如下。 （1）加装 1 台与锅炉直接相通的相同排放量 的备用 PCV 阀，一旦运行 PCV 阀故障，打开备 用 PCV 阀的手动隔离球阀，关闭解列故障 PCV 阀 进行解体检修。 （2）现场更换为 2.5IBV2.625-4500WXW 手动 隔离球阀（见图 3），其 66.7

14、mm（2.625 英寸）球 体流通直径的通流面积可以满足 PCV 阀的进口管 道直径为 60.3 mm （2.5 英寸）的流通面积，可以 达到 PCV 阀的设计排量 157 t/h。 3 PCV 阀配置缩径手动隔离球阀后排量 计算分析 计算该锅炉厂配置的 2.5IBV1.77-4500WXW 缩 径手动隔离球阀对 PCV 阀排量的不利影响。 已知：PCV 阀喉部流道直径 d=44.45 mm= 1.75 英寸，排放压力 Pd=26.67 MPa，排放温度： 580 （1）不计手动隔离球阀的压力损失，PCV 阀 的排量计算 理论排量11为 Wt= 0.9118AC Pd （1） 式中：A 为 P

15、CV 阀阀流道面积，mm2，取 PCV 阀 喉部面积；C 为绝热指数 k 的函数，26.67 MPa、 580 时，k=1.324，C=2.675 11； 为实际排放压 力和排放温度下的比容，26.67 MPa、580 时， =0.012 7 m3/kg 12。 由式（1）计算 Wt=173.36 t/h。 额定排量11为 W = KdrWt（2） 式中：Kdr为额定排量系数，Kdr=0.911。 由式（2）计算得 W=156.02 t/h。 （2）加装通径为 44.96 mm （1.77 英寸）的手 动隔离球阀后的压力损失和 PCV 阀的排量计算进 出口内径 d1=60.3 mm，手动隔离球

16、阀通径 d2=44.96 mm =1.77 英寸，蒸汽通过手动隔离球阀时经历一 次通径逐渐缩小和一次通径逐渐扩大的过程，其 扩张角 =20，其阻力系数 13产生压降 P，该压 降使 PCV 阀排量减少。 = 1+2（3） 式中：1为流道逐渐缩小的阻力系数，按图 413 查取，1=0.07；2为流道逐渐扩大的阻力系数， 按式（4）计算 13。 d2.50 (进口和出口) 图 3 2.5IBV2.625-4500WXW 手动隔离球阀流道结构 Fig. 3 Structure of 2.5IBV2.625-4500WXW manual isolation ball valve fluid chann

17、el =180 (突然缩小) =140 120 100 90 70 80 60 50 40 30 =20 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 3.02.52.01.51.31.2 =10 d1/d2 图 4 逐渐缩小流道的局部阻力系数值 Fig. 4 Resistance coefficient of gradually-reduced fluid channel 第第 6 6 期期张传虎等：火电厂动力驱动泄放阀配置及排量计算分析 3 2= ( A2 A1 1 )2 + m 8tan 2 ( A2 A1 )2 1 （4） m= 1+2 2

18、= 1.9 式中： 为系数，=0.4313；A1为流道扩大前面积 （流道扩大前直径为 44.96 mm），mm2；A2为流 道扩大后面积（流道扩大后直径为 60.3 mm）， mm2； m为 大 管 、 小 管 平 均 沿 程 阻 力 系 数 ， 14； 为扩张角，=20。 2= 3.291 = 3.361 由式（4）计算得出，式（3）计算 得出。 P = 2 2 （5） 式中： 为流速，按理论排量 Wt=173.36 t/h 计 算，=214.15 m/s； 为实际排放压力和排放温度 下的比容，=0.012 7 m3/kg12。 P = 6.068MPa由式（5）计算得。 系统压力为 26.

19、67 MPa 时，PCV 阀排放，蒸汽 经过手动隔离球阀，压力减为 26.676.07=20.60 MPa，此时比容 =0.017 m3/kg，即 PCV 阀阀入口 压力为 Pd=20.60 MPa，=0.017 m3/kg12。 此时由式（1）和（2）可计算出 PCV 阀理论 排量为 Wt=131.69 t/h；额定排量为 W=118.52 t/h。 根据以上计算结果，不计手动隔离球阀的压 力损失，PCV 阀排量为 156.02 t/h；加装 1.77 英寸 通径的手动隔离球阀后，由于手动隔离球阀缩径 影响，PCV 阀排量减为 118.52 t/h，排量减少了 21.47%。 另外从流速上计

20、算，理论排量为 131.69 t/h 时，流过 60.3 mm（2.5 英寸）的通径介质流速为 163 m/s，如果手动隔离球阀的通径缩减到 44.96 mm（1.77 英寸），缩径处的介质流速达到 292 m/s，是没有缩径时的 1.8 倍，对手动隔离球阀及 PCV 阀内件会造成严重的冲蚀。 4 结语 PCV 阀是保障锅炉安全运行的重要设备，必 须按照相关标准规范合理、正确配置，否则会给 锅炉安全运行带来隐患。为便于检修，应配置备 用 PCV 阀及手动隔离球阀；计算分析证明，加装 缩径的手动隔离球阀对 PCV 阀的排量的影响较 大，说明配套安装的手动隔离球阀最小流通面积 对 PCV 阀的额定

21、排量影响较大，手动隔离球阀最 小流通直径应该等于或大于 PCV 阀入口管道直径。 参考文献： 方学锋, 业成, 梁华, 等. 国内外安全阀标准规定的比较与分析J. 阀门, 2012(2): 3032. FANG Xuefeng, YE Chen, LIANG Hua, et al. Comparison and analysis on safety valve technical standards at home and abroadJ. Valve, 2012(2): 3032. 1 潘超锋, 潘慧斌. 安全阀排量相关标准规定的比较与分析J. 阀门, 2012(4): 3336. PAN

22、Chaofeng, PAN Huibin. Comparing and analyzing on related standards for discharge of safety valveJ. Valve, 2012(4): 3336. 2 陈殿京, 王学斌. 安全阀出口流道面积对其工作特性的影响J. 阀 门, 2008(6): 1113. CHEN Dianjing, WANG Xuebin. The influence of outlet flow area on the characteristic of safety valvesJ. Valve, 2008(6): 1113. 3

23、 邱晓来. 安全阀排量系数与开启高度关系的试验研究J. 流体工 程, 1989(7): 14. 4 刘殿坤, 李晓峰, 陈殿京. 安全阀开启高度对其排放能力影响的数 值模拟J. 阀门, 2012(2): 2729, 32. LIU Diankun, LI Xiaofeng, CHEN Dianjing. The numerical simulation of discharge capacity of PRV at different liftJ. Valve, 2012(2): 2729, 32. 5 ASME 锅炉及压力容器材料委员会. ASME 锅炉及压力容器规范: 2013 版, 第

24、I 卷, 动力锅炉建造规则S. 中石协 ASME 规范产品 专业委员会 (CACI), 译, 北京: 中国石化出版社, 2014. 6 国家能源局. 电站锅炉安全阀技术规程: DL/T 9592014 S. 北 京: 中国电力出版社, 2015. 7 ASME 锅炉及压力容器材料委员会. ASME 锅炉及压力容器规范: 2013 版, 第 VIII 卷, 压力容器建造规则S. 中石协 ASME 规范产 品专业委员会 (CACI), 译. 北京: 中国石化出版社, 2014. 8 国 家 能 源 局 . 电 站 锅 炉 动 力 驱 动 泄 放 阀 技 术 导 则 : DL/T 18202018S

25、. 北京: 中国电力出版社, 2018. 9 国家能源局. 电力行业锅炉压力容器安全监督规程: DL/T 6122017S. 北京: 中国电力出版社, 2017. 10 中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 . 安 全 阀 一 般 要 求 : GB/T 122412005S. 北京: 中国标准出版社, 2005. 11 严家騄. 工程热力学M. 4 版. 北京: 高等教育出版社, 2006.12 杨源泉. 阀门设计手册M. 北京: 机械工业出版社, 1992.13 中 国 电 力中 国 电 力第第 51 51 卷卷 4 国家能源局. 火力发电厂汽水管道设计规范: DL/T 50542

26、016 S. 北京: 中国计划出版社, 2016. 14 作者简介：作者简介： 张传虎 (1971)，男，高级工程师，从事电站锅炉压 力容器安全阀检修校验技术研究应用工作，E-mail： tigerzhang。 （责任编辑 张燕） Configuration and Capacity Calculation of Power-actuated Pressure Relief Valve in Thermal Power Plants ZHANG Chuanhu1, CHEN Xuan2, ZHANG Zhongzhou3, TIAN Shongfeng4, TANG Huifeng5, LIU

27、 Jianmin6, HU Weizu7, LU Huancheng8 (1. Wuhan Huake Energy Environment Science 2. Guangdong Yudean Group Co., Ltd. Zhuhai Power Plant, Zhuhai 519000, China; 3. Nanyang Yahekou Tianyi Power Generation Co., Ltd., Nanyang 474671, China; 4. North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 5

28、. Henan Huayushengda Special Equipment Inspection Technology Co., Ltd., Jiaozuo 542150, China; 6. Xian University of Technology, Xian 710082, China; 7. Anhui Association of Special Equipment, Hefei 230051, China; 8. Hubei Huakeruicheng Standardization Firm, Wuhan 430074, China) Abstract: Being equip

29、ped in thermal power plant boilers, the power-actuated pressure relief valve (PCV valve) is a vital equipment to provide overpressure protection for the boilers. However in practical use, neither enough attention was paid to nor relevant standards, such as ASME and electric industrial standards, wer

30、e correctly implemented on its configurations, which will definitely bring hidden danger to boiler operation. This paper introduces the relevant standards about the PCV valve configuration, analyzes the existing problems in practical use and proposes the solutions. By calculating the adverse effect

31、of reducing type manual isolation ball valve on the discharge capacity, the necessity and importance of properly configuring the PCV valve in accordance with the relevant standards are emphasized. Keywords: thermal power plant; boiler; power-actuated pressure relief valve (PCV valve); configuration; manual isolation ball valve; discharge capacity 第第 6 6 期期张传虎等：火电厂动力驱动泄放阀配置及排量计算分析 5