电厂安全阀排汽管道热力计算及应用.docx

2011 年 11 月Huadian TechnologyNov 2011电厂安全阀排汽管道热力计算及应用张馨( 广东省电力设计研究院，广东 广州 510663)摘 要:介绍了排汽管道布置形式及排放过程，重点论述了开式、闭式排放系统的热力计算方法。在 ASME B31 1 计算方法的基础上，采用汽轮机管道设计技术规定的方法求解临界质量体积比，2 种计算方法的结合使得计算精度高，可操 作性强，在实际应用中效果明显。关键词:安全阀排汽管道; 排放系统; 热力计算; 应用范围; 防反喷中图分类号:TK 11 + 2文献标志码:A文章编号:1674 1951(2011)11 0009 03开式、闭式排放系统的布置在电厂中，安全阀排汽主要分为开式排放和闭式 排放 2 种类型。开式排放是指流体通过安全阀后，排 放到不与安全阀相连接的排汽管中; 闭式排放是指由1 根直接与安全阀相连接的排放管将排泄物排放到 远处。2 种排放的典型布置如图 1、图 2 所示。1图 2 闭式排放布置绝热过程。通常安全阀进、出口压差较大，如进口压力通常大于 1 0 MPa，出口压力一般为大气压( 0 1MPa) ，故出口背压与进口压力之比往往小于 0 1。 对于理想双原子气体而言，其绝热指数 k = 1 400， 与之相对应的临界压力比 gcr = 0 528; 对于过热水 蒸气而言，其绝热指数 k = 1 300，与之相对应的临 界压力比 gcr = 0 546; 对于干饱和水蒸气而言，其绝 热指数 k = 1 135，与之相对应的临界压力比 gcr =0 577。故流体的流动过程可视为渐缩喷管的临界出 流过程，在安全阀面积最小处达到最大流速。开式布置如图 1 所示。蒸汽从安全阀的喉部开 始经历了一个自由膨胀过程到 达 阀 管 的 进 口 ( 1 点) ，由于通流面积突然扩大，蒸汽的压力和流速下 降，焓值升高，从阀管进口到阀管出口( 2 点) ，蒸汽 流动为可压缩流体等截面有摩阻的绝热流动，通常蒸汽在 2 点又达到临界流动。蒸汽从阀管出口又经 历了一个自由膨胀过程到达排放管进口( 3 点) ，在 排放管过程中，蒸汽经历了一个较低质量流速的芬 诺线到达排放管出口( 4 点) 。图 1 开式排放布置为了使布置合理，需要对这 2 种布置进行热力 计算并对其应用进行讨论。2开式、闭式排放系统的热力计算在进行布置设计时，必须根据工程的特点，选用合理的排放方式。在计算过程中，校核反喷和根据反力计算支吊架的载荷往往是工程设计人员关注的焦点。排放过程分析根据热力过程，在安全阀内部，气体流动可视为2 1收稿日期:2011 05 13; 修回日期:2011 07 2210华 电 技 术第 33 卷闭式布置如图 2 所示。蒸汽从安全阀出口经历一个可压缩流体等截面有摩阻的绝热流动后，即直接排 向大气，在通常情况下，蒸汽在排出口 2 点达到临界 流或者亚临界状态。汽的亚临界出流时，应通过调整布置、增大管径等方式，避免产生亚临界出流。( 3) 根据排放管出口参数反算排放管进口参 数。蒸汽从排汽放管道进口到出口经历的是一个等 管径绝热有摩擦阻力的流动过程，根据管道出口参 数求解入口参数首先需要求解临界质量体积比 c 。 对于排放管进口，求解出临界质量体积比 34c后，即可顺利得到其他参数，开式排放系统的计算对于安全阀排汽的计算来说，常用的有 3 种方 法: 按滞止压力和滞止质量体积计算临界参数，汽水 管道设计技术规定即采用这种方法; 按滞止焓来计 算临界参数，ASME B31 1 采用此方法; 按排汽过程 的经验焓降确定终态热力参数。根据工程经验，一 般认为 ASME B31 1 采用的方法更为可取，该方法 计算步骤如下。( 1) 计算安全阀后阀管出口处的设计压力和速度2 23()p4 ，k + 1k 1p =34c 2234cv4v =，334cqV v3w3 =。A342( h0 a)( 4 ) 计算排放反力及校核反喷。安全阀开启后，稳态流动所产生的反作用力同时包括动量和压 力的影响。管道各处的排放反力计算公式如下，w2= 槡2b 1qm2( h0 a)b 1，p2 = A槡b2b 112F = q w + ( p p ) A ，2V 22at 12v2 A12，F3 = qV w3 + ( p3 pat ) A34 ，F4 = qV w4 + ( p4 pat ) A34 。在工程中，支吊架载荷需要考虑排放反力的影 响。同时，为了保证蒸汽在疏水盘处不发生反喷现w2 =qm式中: A12 为管道通流面积，m ; qm 为质量流量，kg / s;2h0 为滞止比焓值，J / kg; p2 为绝对压力，Pa; w2 为流3速，m / s; v2 为质量体积，m / kg; b 为蒸汽特性参数，J / kg。蒸汽状态参数 a，b 取值见表 1。象，必须保证 F F 。232 3 ASME 算法的改进在 ASME B31 1 中，求解临界质量体积比采用 的是图解法，ASME B31 1 采用的是图解法，查图标 计算虽然直观且易操作，但误差相对较大且在参数 较低或者较高的情况下可能存在计算结果不在图解 范围内，出现无法求解的情况。针对图解法的缺点，推荐采用参考文献1的 求解方程法表 1蒸汽状态参数选用kJ / kg排汽终态ab湿蒸汽，干度 90%饱和蒸汽，干度90%0 15 MPap2 6 89 MPa过热蒸汽，干度90%6 89 MPa p2 13 79 MPa67711 001 9134 331 9334 332k2( 2) 计算排放管出口参数。在排放管出口，蒸汽可能存在临界或者亚临界状态，需要进行判断。 首先假定蒸汽达到临界状态。根据本章节第( 1 ) 条 计算步骤可计算出相关参数，也可按如下简便计算 公式进行计算w4 = w2 ，= + 1 + 2ln ，ctck + 1式中: 为介质临界质量体积与始端质量体积之c比; 为介质流经该管的总阻力系数。t f tD L + 1 ，=i式中: f 为管道摩擦因数，在工程中，排汽管道一般 取 0 013; L 为管道总展开长度( 包括附件长度) ，m;( A12 )p4 = p2，A34 为管道总局部阻力系数。1( A34 )v4 = v2，求解上述方程方法较多，可从计算机编程中得出解，也可使用专业的数学软件直接求解，在工程 中，较为方便的是采用参考文献2的近似计算法， 将原非线性方程简化为一元方程A12式中: p4 ，w4 ，v4 分别为排放管出口的压力、速度及质量体积; A34 为排放管的流通面积。当 p4 大于等于大气压力时，假定成立，当 p4 小 于大气压力时，蒸汽亚临界出流，此时计算排放管出口参数可采用虚拟法。在工程实际中，当发生了蒸n，c 槡C0 + C1 t + C2 t式中: C0 ，C1 ，C2 为系数，其选择见表 2。第 11 期张馨: 电厂安全阀排汽管道热力计算及应用11表 2计算临界质量体积比 c 的系数选用总阻力系数 t蒸汽状态C0C1C2n0 1 1 01 0 5 0 5 00 81 01 01 130 01 130 01 130 01 400 01 208 61 290 0 0 003 7t0 3400 3750 333过热蒸汽0 1 5 0 5 00 81 01 047 61 047 61 370 01 266 0 0 003 8t0 3400 333饱和蒸汽闭式排放系统的计算闭式排放系统取消了疏水盘，因此，无需验算反 喷。其计算步骤比开式系统计算过程简单，首先根 据本文 2 2 章节所列公式计算排放管出口参数，当 计算出的排汽压力大于等于大气压力时，蒸汽为临 界出流。反之为亚临界出流，需通过调整布置，增大 管径等方式，避免产生亚临界出流。在闭式系统中，稳态流动下管道系统的作用力 是自平衡的，不会在管道上产生较大的弯矩。较大 的稳态作用力只作用在排放部位处，此力的大小与 开式系统排放反力的计算方法相同。F2 = qV w2 + ( p2 pat ) A12 =2 4qV ( b 1 ) qV w2 +w2 pat A12 。b对于安全阀管道而言，流量 qV 、大气压力 pat 、初参数 h0 和 T0 为固定的数值，也为定值。因此，增大F2 只能减小 A12 。( 2) 减小 F3 的措施。根据 F3 的计算公式可推 导出F3 = qV w2 2b b( k 1) + k 1+2b 34cb( k + 1) k 1 pat D34 。34c2b当增大管径时，排空管阻力变小且不断减小，虽然反喷可能不再发生，但需注意的是 p4 也随之减 小，过度增大管径有可能使得出口流速变为亚临界 流动。减小 F3 的另一方法为减少排汽管长度，此时 阻力变小，p4 维持不变。综上所述，对出现反喷的布置，可采用以下措施 避免反喷:( 1) 减小阀管管径。( 2) 排汽管采用大管径，但有可能使排汽出口 变为亚临界流动。( 3) 减小排汽管长度，当排汽管长度为 0 时，即 为闭式系统。3开式、闭式排放系统的应用范围及防反喷分析3 1开式、闭式排放系统的应用范围开式排放系统由于存在阀管和排放管之间的间隙，在实际运行过程中，可以吸收较大的水平或者垂 直向位移，在参数较高时，选用该布置可有效降低热 位移较大时对布置的影响。排放管的选择需要考虑 防止反喷，因此，应尽量减少排放管道阻力，常见的 布置为不带弯头的直段。开式系统在工程中常见于 主蒸汽管道、冷段再热蒸汽管道、热段再热蒸汽管 道、过热器蒸汽联箱、再热器蒸汽联箱、汽包等高参 数安全阀排汽管道。闭式排放系统安全阀后管道为一整体，无需考 虑蒸汽的反喷，在阀后可布置较长的管道，在主厂房 空间受限时常采用该布置，但需注意应尽量让蒸汽 在排放出口处达到临界流速。开式系统在工程中常 见于高、低压加热器，辅汽联箱，除氧器等低参数安 全阀排汽管道。在开式、闭式排放系统的布置中进行支吊架设 计时，均需要考虑排汽反力对支吊架荷载的影响。结论安全阀的布置分为开式和闭式布置，在电厂中， 开式布置常用于高参数管道，闭式布置常用于参数较 低且空间受限时的管道布置。2 种布置的计算方法 原理一致，但开式布置的计算步骤较多。在实际工程 中，推荐使用 ASME B31 1 按滞止焓确定终态热力参 数，在求解临界质量体积比时，采用求解方程法。使用开式布置时，校验蒸汽的反喷是很重要的 计算内容，为了避免反喷，可从降低阀管管径、增大 排汽管管径以及减小排汽管长度等方面进行考虑。43 2开式系统防反喷分析防止气体产生反喷是开式安全阀布置需要重点考虑的内容，当某一布置发生了反喷时。根据防反喷条件 F2 F3 ，应尽量增大 F2 ，减小 F3 。( 1) 增大 F2 的措施。根据 F2 的计算公式可推 导出参考文献:1DL / T 50541996，火力发电厂汽水管道设计技术规 ( 下转第 14 页)定S14华 电 技 术第 33 卷避免制粉系统发生爆燃; 通过燃烧调整及增加部分冷却风，可防止燃烧器烧损。在采用分磨单烧方式 掺烧 50% 烟煤 3 个月后，利用小修机会对炉内燃烧 器进行检查，未发现燃烧器烧损现象。6 3运行经济性及掺烧比例在上述各掺烧工况中，只有采用炉前预混方式且掺烧烟煤比例高于 40% 时，锅炉效率才出现明显的下降，其余掺烧工况的锅炉效率基本维持不变。 试验结果表明，采用分磨单烧方式与炉前预混方式 相比，可明显提高掺烧比例，考虑到增加掺烧比例也 能提高全厂运行经济性，因此，该锅炉机组采用分磨 单烧方式掺烧烟煤是比较适当的。结束语7炉前预混和分磨单烧是锅炉混煤燃烧的 2 种基本方式，对于不同的锅炉机组，应根据具体情况通过 试验分析来选择适当的掺烧方式。对于文中所提锅 炉，当烟煤掺烧比例小于 30% 时，采用 2 种方式都 是可以的，并且采用炉前预混的方式可以减少调整 工作量; 当烟煤掺烧比例大于 40% 时，采用分磨单 烧方式可取得更好的效果。参考文献:1姚强，岑可法，施正伦，等 多煤种配煤特性的试验研究J 动力工程，1997( 2) : 16 202段学农，朱光明，焦庆丰，等 电厂锅炉混煤掺烧技术研 究与实践J 中国电力，2008，41( 6) : 51 543虞亚辉，于立军，施伯红，等 多种燃料混烧及单烧锅炉 效率间的关系J 上海交通大学学报，2001，35 ( 8 ) :1200 12034韩天财 燃煤锅炉塌焦运行特征及预防措施J 东北电 力技术，2006( 10) : 24 26( 编辑: 刘芳)混掺烧方式下排烟温度有轻微降低，采用分磨单烧时排烟温度略升高，这与燃烧器投用冷却风有一定 关系。总体来说，通过调整，锅炉各项运行参数基本可 保持在适当范围内。运行安全性由试验结果可知，在上述几种掺烧工况下均可 保证锅炉、燃烧器、制粉系统的安全性。通过采取降 低 磨煤机出口温度及加强制粉系统监视的措施，可6 2作者简介:郭鲁阳( 1968) ，男，山东济南人，高级工程师，工学硕 士，从事电站锅炉基建调试及试验研究方面的工作( E-mail: goolyon 163 com) 。欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍( 上接第 11 页)2张建中 带有 Y 形、T 形出口及配消音器的锅炉排汽管 道设计计算方法的研究R 西安: 西北电力设计院，19893李晋鹏，胡念苏 火电厂安全阀排汽管道参数计算方法 的讨论J 热力发电，2003( 1) : 22 264ASME B31 12007，Power PipingS( 编辑: 王书平)作者简介:张馨( 1980) ，男( 土家族) ，湖北恩施人，工程师，从事 三代核电设计方面的工作( E-mail:zhangxin gedi com cn) 。84Abstracts第 33 卷recommended in ASME B31 1，the methods specified in codefor piping design of steam turbine were adopted to solve the criti- cal mass volume ratio The combining of the two calculation methods can give high calculation accuracy，better operability and obvious effects in practical applicationKey words: safety valve discharging pipe; discharge system;thermodynamic calculation; prevention of reverse spray11 11 01Reformation of electric roller ofbucket wheel reclaimerZHANG Xiangfei，WANG Jiantao( Huadian Weifang Power Generation Company Limited，Weifang 261204，China) Abstract: The faults were occurred frequently in operation ofelectric roller of bucket wheel reclaimer The problems were an- alyzed A reformation method for roller driving part ( the motor， the decelerating drive gear and the control part ) was put for- ward After the electric roller of the bucket wheel reclaimer had been reformed，the problem of frequent damage of the electricroller was solved; the service life of the roller was lengthened;the maintenance load was decreased; and favorable effect was obtainedKey words: bucket wheel reclaimer; electric roller; fault reason analysis; technical reformation; effect11 11 12Experimental research on blendedcoal combustion for 600 MW supercritical boilerGUO Luyang1 ， JI Mingbin2 ， WANG Fuwen2 ， HUANG Pingping2 ，GAO Chunyang2 ，REN Mingwei2 ，LIN Deping2( 1 Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250002， China; 2 Shanxi Lujin Wangqu Power Generation Company Limited，Changzhi 047500，China)Abstract: There are two basic blended coal combustion modes， one of them is premixed combustion，and the other is separately milled layered combustion Taking a 600 MW supercritical boiler as example，the experiments of premixed combustion and sepa- rately milled layered combustion were carried out The experi- ment results show that when the soft coal ratio is lesser，the premixed combustion mode is more simple and practical，and when the soft coal ratio is larger，to adopt the separately milled layered combustion mode can obtain better resultKey words: supercritical boiler; combustion characteristics;blended coal combustion; coal quality; experiment11 11 03 Operation and management measuresof positive-pressure direct-fired pulverizing systemZHAO Yusheng1，2 ，LI Yong2 ，WANG Bin1，2 ( 1 College of Economics and Management，Qingdao University of Science Technology，Qingdao 266042，China; 2 Huadian Weifang Pow- er Generation Corporation Limited，Weifang 261204，China) Abstract: The normal operation of the pulverization system great-ly influences on the safety and economical efficiency of the unitCombining with the practice of a power generation enterprise， the main problems occurred in pulverization system were ana- lyzed Aiming at the problems，the relevant countermeasures were put forward The safety and the economical efficiency of the unit were increased by these countermeasures，which can be used as reference for similar unitsKey words: direct-fired pulverizing system; combustion stabili- zation; operation; management11 11 15Setting calculation of over-excitationprotection for large generator setFAN Yuhao ( Hubei Xisaishan Power Generation CorporationLimited，Huangshi 435000，China)Abstract: The setting calculation of the over-excitation protection for generator-transformer unit must be based on the tolerance of the generator and the transformer to the over-excitation The set-11 11 06Optimization of automatic fuel con-* *tings must be matched up with U f limit curve of the excita-tion system; it must be adjusted in accordance with the back-uptrol system of 660 MW supercritical unitL Xing，HU Changlin( Huadian Xinxiang Power GenerationCompany Limited，Xinxiang 453635，China)Abstract: In the 660 MW unit of Huadian Xinxiang Power Gen- eration Company Limited，the fuel measurement was inaccurate; and in start-up and stop processes of the mill，there was larger deviation between the air flow in accordance with the unit capac- ity and the fuel quantity actually fed into the furnace These problems caused larger disturbance for coordination control sys-tem By using the soft sensor technology and the modeling meth- od，the automatic fuel control system was optimized，and better effect was obtainedKey words: automatic fuel control system; double-ended ball mill; soft sensor; coordination control* *protection of U f limit component of generator field regulatorAccording to the analyses of over-excitation curve of the 680 MWgenerator and transformer in Hubei Xisaishan Power GenerationCorporation Limited and the U* f* limit curve of ABB excitation system，the responding value of over-excitation protection and the actuation time were analyzed and calculated concretelyKey words: over-excit