热水锅炉安全阀的整定压力和排量公式

工业锅炉 2 0 1 4年第 3 期( 总第 1 4 5 期) 文章编号： 1 0 0 4 8 7 7 4 ( 2 0 1 4 ) 0 3 - 0 0 3 6 4 热水锅炉安全阀的整定压力和排量公式 吕 翔 ( 上海发电设备成套设计研究 院， 上海 2 0 0 2 4 0 ) S e t Pr e s s u r e a n d Di s c ha r g e Ca p a c i t y Fo r mu l a o f S a f e t y Va l v e s f o r H0 t W a t e r Bo i l e r s L YU Xi a n g ( S h a n g h a i P o w e r E q u i p me n t R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， C h i n a ) 摘要： 简要说明热水锅炉超压工况的影响因素、 确定整定压力的原则和热水锅炉安全阀 排量公式的来源。提出有关建议。 关键词： 热水锅炉； 安全阀； 定压装置 中图分类号 ： T K 2 2 2 文献 标识码 ： B O 前 言 锅炉安全技术监察规程 ( 以下简称 锅规 ) 第 6 1 8条对热水锅炉安全 阀排量公式 ， 按额定出 口水温度小 于和不 小于 1 0 0 o C分别 给出相应 的规 定 ， 此规定有无必要 ， 值得探讨。 原 热水锅炉安全技术监察规程 ( 以下简称 水规 ) 1 9 9 7 年修订时， 一些锅炉厂曾对热水锅炉 的计算压力高于工作压力相同蒸汽锅炉的规定提出 质疑。G B T 9 2 2 2 水管锅炉受压元件强度计算方 法 的2 0 0 8版对此作 了相应修改。这一修改使热水 锅炉的计算压力低于 水规 所规定的整定压力， 需 根据热水锅炉超压工况的设计裕量和安全阀的动作 性能对这一修改的安全I生进行探讨 。 原 水规 1 9 9 1 年修订时， 一些锅炉厂曾反映按 水规 中安全阀排量公式求得的阀座内径很大， 不 够合理。为此 ， 需从热水锅炉的产汽量和安全阀排 量两方面作综合性的探讨 。 笔者带着上述 3个问题学习了文献 1 的有关 部分， 在此基础上编写本文。 1 锅炉的超压工况 ， 文献 2 对锅炉 的超压工况作 了说 明， 要点如 下 ： ( 1 )超压原因 ： 运行中由于内扰或 ( 和 ) 外扰使 输入热量与输出热量不能平衡 ； ( 2 )超压工况的组成 ： 以安全 阀整定压力为界 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 - 1 6 作者 ： 吕翔 分为不泄压工况和泄压工况两阶段 ； ( 3 )超压工况 的压力要素 ： 不泄压工况的压力 要素为工作压力 、 最高允许工作压力和整定压力 ， 泄 压工况的压力要素为整定压力和最大超过压力； ( 4 )超压工况的设 计裕量 ： 有两种方案。一种 是不泄压和泄压工况分别由最高允许工作压力和安 全系数来提供设计裕量 ， 另一种是整个超压工况由 安全系数来提供设计裕量。 2 热水锅炉超压工况 的影 响因素 2 1 超 压原 因 热水锅炉的热平衡方程为 ： q i =叼 f q ， =Q 。 =G( h 2 一 。 )k J h ( 1 ) 式中 q i 、 Q 。 分别为输入和输出热量 ， k J h 田 锅炉热效率 ， 燃料消耗量 ， k g h Q 燃料发热量 ， k J k g G 进 口水量 ， k g h h 、 h 2 分别为进 、 出口水焓 ， k J k g 采用 G B T 3 1 6 6 ( 热水锅炉参数系列 的热水锅 炉， 设计时都有一定的欠焓， 但负荷变化甚至甩负荷 时如果调节滞后 ， 出口水温将提高 ， 使锅炉 由额定工 况转换到超压工况。 2 2 焓增率 焓增率 的概念是 ： 超压工况与额定工况时焓 增差的百分数 ， 其定义公式为 ： 8=( A h ” 一 A h ) A h ( 2 ) 式 中A h 、 A h 分别 为超压工况和额定工况时 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 探讨园地 热水锅炉安全阀的整定压力和排量公式 3 7 进 、 出 口水的焓增 当进 15水焓不变 、 出1 5水为饱 和水 时， a h ” =h 一 h ， A h =h ： 一h ， h ， 为饱 和水焓 ， h 和 h 为额定 工况时进 、 出口水焓 ， k J k g 。同样 ， 当出 口水为含汽 锅水的焓。以 G B T 3 1 6 6中两种参数 的热水锅 炉 为例， 饱和水和 = 1 0 锅水的焓增率 和 见表 1 ， 表 1还列 出这 两种参数锅炉 的欠焓 A h ， 2=h ，一 h ： 。表中的符号 P为允许工作压力 ， MP a ； t 为额定 率 =1 0 的锅水时， A h ” =h 一h ， h 为 =1 0 时 出V I 进 口水温度 ， 。 表 1 焓增率8和膨胀率 、 2 3 膨胀率 与胀管率一样 ， 可用膨胀率 对锅水膨胀进 行 量 化 。 = ( ” 一 ) ( 3 ) 式 中 、 ” 分别为锅水膨胀前后的比容 ， m k g 热水 锅炉的锅水膨胀 率在汽化前后有很大差 别 。以饱和水相对于额定工况时出 口水 为例 ， 膨胀 率 ， =( ， 一 ： ) 1) 2 ， 和 ： 为饱和水和额定工况时 出口水 的比容。同样 ， 含汽率 =1 0 锅水 的膨胀 率 6 =( 一 2 ) v 2 ， 为 =1 0 锅水的比容。 仍 以 G B T 3 1 6 6中两种参数的热水锅炉 为例 ， 和 的数值见表 1 。 2 4定压 装置 为减少锅水膨胀对热水锅炉超压 的影响， 可在 系统设计时加装定压装置。文献 1 第三章对不同 类型热水锅炉是否需要定压装置作 了说 明， 要点 如 下 ： ( 1 )自然循环锅炉 ： 由于水容量 比较大 ， 特别是 上锅筒还留有汽空间， 可减少定压装置 。 ( 2 )强制循环或直流锅炉 ： 与 自然循环锅 炉相 比， 强制循环锅炉 的水 容量 比较 小 ， 直 流锅炉则最 小 ， 因此都需要定压装置。 定压装置主要是膨胀水箱 。 2 5 影响因素 除了外部因素如负荷变化 、 停泵或停电外 ， 就内 部 因素来说 ， 锅炉类 型和是 否相应加装 了定压装置 是热水锅炉是否因锅水膨胀而超压的主要原因。 由表 1可知 ： 序号 1中的热水锅炉 ， 锅水膨胀达 到与序号2相同的膨胀率时， 所需的焓增率大于序 号 1 ， 换言之 ， 序号 l中的热水锅炉在热量不平衡更 大的条件下， 也可达到与序号 2 相同的膨胀率。由 此也可理解为 ， 额定 出口水温是否低于 1 0 0与锅 水是否会汽化并无必然的因果关系。A S M E规范第 1 卷和第卷以热水锅炉参数为界是由于受压元件 的安全技术要求不同， 对泄压阀来说， 这两卷的规定 基本相同。 3 确定整定压力 的原则 3 1 整定压力的实质 文献 2 说明 了整定压力 的实质是 ： 把超压工 况分为不泄压和泄压两个阶段 ， 受 压元件在不泄压 阶段承受持续应 力， 在泄压 阶段则承受瞬时应力。 由 I S O 1 6 5 2 81 锅炉及压力容器 第 1部分 ： 性能 要求 第 7 3 8节超压保护 中的规定可知 ： 如果超 压时不泄压 ， 必须提供相应的设计裕量。这一 规定 说明了安全阀整定压力与锅炉受压元件超压工况设 计裕量的相互要求。根据所采用 的标准 ， 不泄压时 的设计裕量应 当包括在计算压力或最高允许工作压 力或安全系数 内。 3 2 国外规定 国外 的锅炉法规或 ( 和) 锅 炉标准对整定压力 均不作规定 ， 由锅炉厂 自定 ， 原 因可理解如下。 ( 1 )可能性 ： 对锅炉的超压工况， 不仅要考虑锅 炉本身的内、 外部影响因素以及它们 的组合 ， 还要考 虑安全阀的动作性能 ， 因此整定压力 的数值需根据 具体情况作具体规定 ， 难 以统一规定 。 ( 2 )必要性 ： 为保证受压元件的安全 ， 它们都规 定了两条强制性的措施。一条是规定了安全阀的总 排量不得小于锅炉的额定蒸发量或供热量 。另一条 是对泄压工况规定了最大超过压力以防止瞬时应力 超限。 既不可能又无必要， 这正是前苏联 蒸汽和热 水锅炉建造 和安全运行规程( 以下简称 “ 规 程 ” ) 1 9 8 8 版取消已使用了3 1 年的对整定压力的 规定的原因。所采用 的两条措施是 ： ( 1 ) 在 F O C T 2 4 5 7 0 蒸汽和热水锅炉安全阀 中规定了应按额定蒸发量或额定供热量确定安全阀 的总排量 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 工业锅炉 2 0 1 4年第 3 期( 总第 1 4 5 期) ( 2 )在 F OC T 1 0 8 0 3 1 锅炉 、 蒸汽和热水管道 以及锅炉主要部件强度计算标准 中规定 了最大超 过压力不得大于工作压力的 1 1倍。 3 3 对原则的建议 ( 1 )在已采取其他措施保证受压元件在超压工 况时安全的条件下， 整定压力的数值由锅炉厂自定 为宜。 ( 2 )锅炉厂在确定受压元件的计 算压力时 ， 需 对锅炉超压工况与安全阀的动作性能作综合考虑。 这样做 的优点 ： 一是使所选用 的计算压力具有 针对性 ， 二是有 利于防止安 全阀发生故 障。以热水 锅炉为例， 除了要根据锅炉型式和是否装设 了定压 装置等本身的条件外， 还要考虑防止安全阀动作性 能方面的故障， 可以适 当提高计算压力 的设计附加 压力 p 以减少安全阀的开启次数。 文献 3 对安全阀的动作性能作了简要说明， 可供参考。 4 热水锅炉安全阀排量公式的来源 4 1 确定产汽量的原则 A S ME规 范、 前 苏联 规 程1 9 6 6版 和 F OC T 2 4 5 7 0按 以下原则 ： ( 1 )只考虑额定工况时输入热量 Q i ， 不考虑输 入热量超限的影响。 ( 2 )应将额定工况时的额定出 口水热量换算成 相应的饱和蒸汽量。 前者是锅炉厂的权利， 后者是锅炉厂的义务。 权利和义务是相联系的， 用户有义务做 到输入热量 不超限， 也有权利要求锅炉厂按外部事故 ( 例如用 汽设备甩负荷 、 停泵 、 停电) 时的产汽量确定安全阀 的排量。此产汽量 G 按以下公式计算 ： G =G h r J( h n 5 一 h n 3 ) k g h ( 4 ) 式中G 额定工况 时的出 口水量 ， 按式 ( 5 ) 计 算 G =q i ( h n 2 一h 1 ) k g h ( 5 ) 式中h 、 h h 、 h 3 分别为额定工况时出口 水 、 进 口水 、 饱 和蒸汽 以 及饱和水的焓 ， k J k g 如改按式( 6 ) 求产汽量 G ” ： G ” ：O i ( h n 5 一 h ) k e h ( 6 ) 由于 G ”G ， 可理解 A S ME规范 、 前 苏联 规 程 1 9 6 6版和 F OC T 2 4 5 7 0都按公式 ( 4) 计算产 汽 量的原因。 4 2 GB T 1 2 2 4 1公式的来源 G B T 1 2 2 4 1 安全阀 一般规定 ( 修改采用 I S O 4 1 6 21 安全阀 第一部分 ： 一般要求 ) 的公式 ( 3 ) 给出 0 1 MP a至 1 1 M P a干饱和蒸汽理论排量 的 公式 ： W=5 2 5 a p d k g h ( 7 ) 式中A 流道面积 ， m m p 排放压力( 绝对压力) ， MP a 文献 4 对 G B T 1 2 2 4 1中上述公式的推导作 了说明 ， 要点如下 ： ( 1 )安全阀的排量公式是根据气体在拉瓦尔管 中作等熵流动时的流量方程求得。 ( 2 )流量与出口、 进 口压力 比 有关 ， 当1 3 降低 到临界压力 比时， 流量达到最大值 ， 继续降低 时 ， 流量仍保持在最大值 ， 此最大值又称临界流量。临 界压力比与气体的等熵指数( 又称绝热指数) k 有 关。 ( 3 )饱和蒸汽的临界压力 比约为 0 5 4 2 。当出 口压力为0 1 MP a 、 进 口压力为 0 1 8 MP a时即可达 到临界流量。 ( 4 )公式 ( 7 ) 中的常系数 5 2 5来 自表示气体 膨胀能力 的理论膨胀系数 。该系数是气体等熵指数 K的函数 ， 5 2 5是按饱和蒸汽在上述压力 范围内 k 的平均值求得 。 F OC T 2 4 5 7 0中饱 和蒸 汽排量 的公式 与 G B T 1 2 2 4 1 完全相同。 4 3 锅规 公式的来源 锅规 的公式 ( 63 ) 来 自前苏联 规程 1 9 6 6 版第 5 2 2 1 条的以下公式： n d h=Q ( ( i 一 ) ( 8 ) 式 中， n 、 d 、 h含义 同 锅规 公式 ( 63 ) ， 但 d和 h 的单位为 e m； Q为最 大供热量 ， k c a l h ； K为经验系 数， 数值与 锅规 公式( 6 3 ) 的c 相同； P相当于 锅规 公式( 6 3 ) 中的开启压力， k g f e m ； i 为饱 和蒸汽焓 ， k c a l k g ； t 为进 口水温度 ， 。 4 4 锅规 公式 ( 6 3 ) 的探讨 根据前苏联 规程 1 9 6 6版的俄文本， 锅规 公式( 6 3 ) 有 四个内容值得探讨 ： ( 1 )符号 K的含义： 公式( 8 ) 中符号 K的含义 是经验系数而非 G B T 1 2 2 4 1或 F OC T 2 4 5 7 0中的 排放系数。排放系数与安 全阀型式 、 尺寸和内壁粗 糙度有关 ， 需通过试验测得排量后按理论排量求得。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 探讨园地 热水锅炉安全阀的整定压力和排量公式 3 9 ( 2 )符号 Q的含义： 公式( 8 ) 中符号 Q的含义， 俄文直译为热量产量 的最大值 ， 相 当于公 式 ( 4 ) 中 的 G h n 2 ， 而非 G ( h J l2 一h )。 ( 3 )膨胀系数 ： 膨胀系数是理论排量公式三要 素中最重要的一个要素， 是气体等熵指数k的函数， 与 d h的数值无关 。 ( 4 )公式左右边单位的关 系： 对 锅规 公式 ( 6 3 ) 左右两边各符号的单位进行分解和归纳后， 左 边的单位为 m ， 右边则为 m S 。由此可知： 锅规 公式( 6 3 ) 与公式 ( 8 ) 一样， 也是一种经验公式。 公式( 8 ) 左边的单位是 IT I ， 右边的单位也是 m S 。 由上述四个问题 ， 可得出以下结论 ： 在 d h的试 验数据中包括排放 系数 和膨胀系数的影 响 ， 具有一 定 的局限性 。由此也不难理解 ， 为什么前 苏联 规 程 1 9 8 8 版第 6 2 7条取消了已用了 2 2年的公式 ( 8 ) ， 对蒸汽锅炉和热水锅炉安全 阀排量计算 ， 统一 按 F OC T 2 4 5 7 0的原 因。 4 5 对排量计算方法的建议 锅炉厂根据自己产品的运行经验， 当需要时可 参考 锅规 第 6 1 6条( 1 ) 的规定 ， 按公式( 4 ) 确定 产汽量后 ， 由阀门厂按 G B T 1 2 2 4 1的规定确定额 ( 上接第 3 5页) 常不经济也不合理。针对该项 目， 笔者认为锅 炉本 身的排烟温度应设计在 1 8 0 c 【 = 以内为宜。要提高电 厂的热效率， 达到用户要求的 8 8 以上， 可以通过 其他的辅助设备来实现 ， 如在锅炉尾部增加煤 气加 热器 ， 一方面降低排烟温度 ， 同时又提高了煤气 的人 炉温度 ， 相 当于提高 了煤气的热值 ， 锅炉本体连 同煤 气加热器系统的热效率完全可以达到 8 8 以上 ； 或 者在锅炉尾部增加低压省煤器系统， 也能降低排烟 温度 ， 从而提高系统效率 。 4 结束语 常规的燃油 、 燃气锅 炉 ， 设计 热效率可 以达 到 定排量 。 5 结语 通过探讨 ， 对前言中的 3个问题可小结如下 ： ( 1 )出口水温小于和不 小于 1 0 0 的热水锅 炉 ， 采用相同的排