煤氣鍋爐燃料系統(tǒng)閥門方案對(duì)比分析

摘 要：【目的】為充分利用鋼鐵廠富余煤氣，提高自發(fā)電率，煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組成為了重要的余能利用設(shè)施。煤氣閥門是煤氣鍋爐燃料系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)發(fā)電機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性起著至關(guān)重要的作用，因此有必要對(duì)煤氣閥門方案進(jìn)行對(duì)比分析，找到安全、經(jīng)濟(jì)、合理的配置方案?！痉椒ā客ㄟ^對(duì)國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的研究，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)分析燃料系統(tǒng)中隔斷裝置、快速切斷閥和調(diào)節(jié)閥的常用型式和配置方案?！窘Y(jié)果】通過分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各規(guī)范對(duì)快速切斷閥和調(diào)節(jié)閥的設(shè)置只有原則性要求，對(duì)于具體數(shù)量和安裝位置沒有明確要求，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行閥門的配置。【結(jié)論】為兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性，提出了三種煤氣閥門配置推薦方案，在工程實(shí)踐中可根據(jù)不同的機(jī)組容量進(jìn)行選擇。

關(guān)鍵詞：隔斷裝置；快速切斷閥；調(diào)節(jié)閥；切斷時(shí)間

中圖分類號(hào)：TK16" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）10-0036-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.007

Comparative Analysis of Valve Schemes for Gas Boiler Fuel System

ZHANG Mao1 WANG Yi1 MENG Baihong2

（1.Chongqing CISDI Thermal amp; Environmental Engineering Co.， Ltd.， Chongqing 401122， China; 2.Changjiang Chongqing Harbour and Waterway Engineering Investigation and Design Institute， Chongqing 401120， China）

Abstract： [Purposes] To fully utilize the surplus gas in the steel plant and improve the self generation rate， the gas boiler generator is an important facility for the utilization of surplus energy. However， gas valves are an important component of the fuel system of gas boilers， playing a crucial role in the safety and economy of power generation units. Therefore， it is necessary to compare and analyze the gas valve schemes to find a safe， economical， and reasonable configuration scheme. [Methods] Through the study of relevant regulations at home and abroad， combined with engineering practice experience， this paper focuses on analyzing the common types and configuration schemes of partition devices， quick shut-off valves， and regulating valves in fuel systems. [Findings] Through analysis and comparison， it was found that each specification only has principle requirements for the setting of quick shut-off valves and regulating valves， and there are no specific requirements for the quantity and installation position. The configuration of valves needs to be combined with the actual engineering situation. [Conclusions] To balance safety and economy， three recommended gas valve configuration schemes have been proposed， which can be selected according to different unit capacities in engineering practice.

Keywords： partition device; quick cut-off valve; regulating valve; cut-off time

0 引言

富余煤氣自備電廠是鋼鐵企業(yè)重要的能源供給單元，對(duì)于提高企業(yè)自發(fā)電率，降低生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力有著重要作用。隨著小型煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組參數(shù)的提高，其發(fā)電熱效率已接近燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組（CCPP），成為近年來鋼鐵企業(yè)自備電廠的主要選擇。

煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組的主要燃料為高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣和焦?fàn)t煤氣等鋼鐵生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)煤氣。煤氣系統(tǒng)作為煤氣鍋爐的燃料通道，其可靠性是煤氣鍋爐安全的重要保障，而煤氣鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行也是自備電廠高效運(yùn)行的基本條件。因此，煤氣閥門作為燃料系統(tǒng)的重要組成部分，有必要對(duì)其設(shè)置進(jìn)行對(duì)比分析，以找到安全、經(jīng)濟(jì)、合理的煤氣閥門方案。

1 煤氣閥門的作用

煤氣閥門的功能包括隔斷、調(diào)節(jié)、吹掃、放散、取樣、排水等，其中隔斷和調(diào)節(jié)功能尤為重要，其管徑也相對(duì)較大。隨著煤氣鍋爐不斷向大型化發(fā)展，燃燒器的數(shù)量也越來越多，煤氣管道分支及煤氣閥門數(shù)量也越來越多。例如，最大連續(xù)蒸發(fā)量440 t/h的亞臨界煤氣鍋爐，高爐煤氣燃燒器數(shù)量可達(dá)12只（分4層布置，前后墻各2層，每層3只），如果還要摻燒焦?fàn)t煤氣，燃燒器數(shù)量將更多。由此可見，煤氣閥門配置方式的不同，對(duì)煤氣管道布置、鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行及工程投資都有較大的影響。

2 煤氣閥門的選擇

2.1 隔斷裝置

按照《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》（GB 6222—2005）和《鋼鐵企業(yè)煤氣儲(chǔ)存和輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51128—2015）的規(guī)定，考慮鍋爐及煤氣管網(wǎng)的檢修，一般在每臺(tái)鍋爐的煤氣總管上設(shè)置可靠的隔斷裝置［1-2］，作為鍋爐燃料的“總開關(guān)”。

根據(jù)《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》（GB 6222—2005）規(guī)定，隔斷裝置主要包括插板、水封、眼鏡閥、密封蝶閥、旋塞、閘閥、盤型閥、盲板及雙板切斷閥等，但并不是所有的隔斷裝置都是可靠的隔斷裝置［1］。常用的可靠隔斷形式包括插板、水封+其他隔斷裝置、密封蝶閥+眼鏡閥、盲板及雙板切斷閥等［1］。這些形式中，盲板一般用于管道的擴(kuò)建延伸端，而水封占地大，注水排水比較慢，開閉比較麻煩。同時(shí)，考慮鍋爐煤氣總管的管徑較大，一般多采用密封蝶閥+眼鏡閥的組合形式，其驅(qū)動(dòng)方式通常采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

2.2 快速切斷閥

由于管徑和電動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的原因，密封蝶閥和眼鏡閥的開閉時(shí)間一般較長(zhǎng)（1～2 min），在鍋爐主燃料閥跳閘時(shí)無法快速切斷供給鍋爐的煤氣，為減少漏入爐膛的煤氣量，避免煤氣達(dá)到爆炸極限，防止?fàn)t膛爆炸事故的發(fā)生，煤氣系統(tǒng)必須設(shè)置快速切斷閥。快速切斷閥是煤氣鍋爐的“生命閥”之一，對(duì)煤氣鍋爐的安全運(yùn)行具有非常重要的作用［3］。

2.2.1 快速切斷閥的配置。

①《火力發(fā)電廠鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 1091—2008）對(duì)快速切斷閥的設(shè)置要求并不明確，只是在8.6節(jié)要求“對(duì)主燃?xì)馓l閥、每個(gè)燃燒器的一組跳閘閥（一般配置兩個(gè)）進(jìn)行定期的密封試驗(yàn)”［4］。據(jù)此推斷，煤氣總管上應(yīng)設(shè)置1道跳閘閥，每個(gè)燃燒器支管設(shè)置2道跳閘閥。但該規(guī)程目前已作廢，DL/T 1091—2018已刪除相關(guān)章節(jié)，應(yīng)參照其他規(guī)范進(jìn)行快速切斷閥的設(shè)置［5］。

②《鍋爐房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50041—2020）第13.3節(jié)要求鍋爐房室外燃?xì)饽腹苌蠎?yīng)設(shè)置緊急切斷閥，且每臺(tái)鍋爐燃?xì)飧晒苌蠎?yīng)設(shè)置切斷閥［6］。據(jù)此條文，鍋爐應(yīng)設(shè)置1～2道切斷閥，對(duì)于僅有1臺(tái)鍋爐的鍋爐房，可以只設(shè)1道切斷閥，但該規(guī)范是針對(duì)額度蒸發(fā)量在75 t/h以下的小鍋爐，具有一定的局限性，因此應(yīng)結(jié)合其他規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

③《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》（TSG 11—2020）第6.2節(jié)要求在燃料母管上靠近燃燒器部位安裝1個(gè)手動(dòng)快速切斷閥；第6.7節(jié)要求主燃?xì)饪刂崎y系統(tǒng)設(shè)置2只串聯(lián)布置的自動(dòng)安全切斷閥或者組合閥［7］。據(jù)此條文，煤氣系統(tǒng)中應(yīng)串聯(lián)設(shè)置至少2道快速切斷閥，其中煤氣層管或上一級(jí)主管應(yīng)設(shè)置1道手動(dòng)快速切斷閥，也就是說燃燒器支管至少應(yīng)該安裝1道快速切斷閥。需要說明的是，手動(dòng)快速切斷閥是指帶手動(dòng)功能的氣動(dòng)或液動(dòng)快速切斷閥，純手動(dòng)閥門無法保證快速切斷的時(shí)間要求。

④《鋼鐵企業(yè)自備電廠副產(chǎn)煤氣設(shè)施安全設(shè)計(jì)規(guī)范》（YB/T 4735—2019）第5.3節(jié)要求“燃燒器前的煤氣管道系統(tǒng)中應(yīng)配置兩只串聯(lián)的切斷閥”［8］，《Boiler and Combustion Systems Hazards Code》（NFPA 85—2023）第5.4節(jié)要求在通往主燃燒器的燃?xì)夤芫€中提供兩個(gè)串聯(lián)的安全切斷閥，且每個(gè)安全切斷閥應(yīng)配有一個(gè)關(guān)閉驗(yàn)證開關(guān)［9］?？梢奩B/T 4735—2019和NFPA 85—2023、TSG 11—2020第6.7節(jié)的要求是一致的。

綜上可知，為保證鍋爐爐膛安全，煤氣系統(tǒng)中至少應(yīng)該串聯(lián)2道快速切斷閥，且安裝位置應(yīng)盡量靠近燃燒器。

2.2.2 快速切斷閥的切斷時(shí)間?？焖偾袛嚅y的切斷時(shí)間和爐膛煤氣漏入量是影響爐膛爆炸的關(guān)鍵因素，要減少爐膛煤氣漏入量，就要盡可能縮短切斷時(shí)間。為保證動(dòng)作時(shí)間，快速切斷閥多采用氣動(dòng)或液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

①《鋼鐵企業(yè)自備電廠副產(chǎn)煤氣設(shè)施安全設(shè)計(jì)規(guī)范》（YB/T 4735—2019）第5.3節(jié)要求，DN100及以下的閥門安全關(guān)閉時(shí)間不超過1 s，大于DN100小于等于DN300的閥門安全關(guān)閉時(shí)間不超過3 s，DN300以上的閥門安全關(guān)閉時(shí)間不超過5 s［8］。

②《Boiler and Combustion Systems Hazards Code》（NFPA 85—2023）第4.12節(jié)和第5.4節(jié)規(guī)定，從燃燒器火焰熄滅到安全切斷閥開始動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間不得超過4 s，從安全切斷閥開始動(dòng)作到完全關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間不得超過1 s［9］。

由此可見，規(guī)范要求的切斷時(shí)間都不超過5 s。雖然快速切斷閥的切斷時(shí)間越短越好，但是以上規(guī)范均未考慮管徑的因素，大口徑的快速切斷閥動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的慣性沖量非常大，動(dòng)作太快可能導(dǎo)致閥體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及管道附件被破壞，造成事故。馬馳輪［10］、馬振華［11］、陳麗［12］等通過勒·查列特（Le Chatelier）公式推導(dǎo)出了快速切斷閥的允許切斷時(shí)間計(jì)算方法，見式（1）至式（3）。根據(jù)公式，在爐膛熄火至快速切斷閥完全關(guān)閉期間，只要進(jìn)入爐膛的煤氣未達(dá)到煤氣爆炸極限的下限，就無法形成爐膛爆炸的關(guān)鍵因素，從而反推出快速切斷閥的允許切斷時(shí)間。

[VdVd+V1lt;Ldx] （1）

Vd=（ΔT1+0.5ΔT2）Q （2）

ΔT=ΔT1+ΔT2 （3）

以上式中，Vd為爐膛熄火至快速切斷閥完全關(guān)閉期間進(jìn)入爐膛的煤氣體積，m3；Vl為爐膛的容積，m3；Ldx為煤氣爆炸極限下限值，%；ΔT1為爐膛熄火至快速切斷閥開始動(dòng)作的時(shí)間，s；ΔT2為快速切斷閥開始動(dòng)作至完全關(guān)閉的時(shí)間，s；ΔT為快速切斷閥允許切斷時(shí)間，s；Q為進(jìn)入爐膛的煤氣流量，m3/s。

因此，應(yīng)結(jié)合閥門口徑及爐膛煤氣漏入量合理選擇快速切斷閥的切斷時(shí)間。

2.3 調(diào)節(jié)閥

鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)是通過煤氣系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)不同的燃燒器負(fù)荷調(diào)節(jié)方法，可分為“層調(diào)”和“點(diǎn)調(diào)”。調(diào)節(jié)閥采用蝶閥型式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)或氣動(dòng)。

“層調(diào)”一般用于小容量煤氣鍋爐，每層設(shè)置2～3只燃燒器，調(diào)節(jié)閥設(shè)在層管上，可同時(shí)控制該層全部燃燒器的負(fù)荷?！包c(diǎn)調(diào)”一般用于大容量煤氣鍋爐，每層設(shè)置不少于3只燃燒器，層管管徑較大，如果層管安裝調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)精度不高。為保證調(diào)節(jié)精度，調(diào)節(jié)閥設(shè)在每只燃燒器的支管上，可分別調(diào)節(jié)每只燃燒器的負(fù)荷，也可以在DCS中設(shè)置為同層調(diào)節(jié)閥聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)層調(diào)功能，減少操作工作量。因此，“點(diǎn)調(diào)”比“層調(diào)”更為靈活，調(diào)節(jié)精度高，但設(shè)備投資較大，運(yùn)維工作量較多。

3 煤氣閥門方案對(duì)比

根據(jù)上節(jié)分析，煤氣鍋爐燃料系統(tǒng)煤氣閥門的配置方案及優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1，括號(hào)內(nèi)的快切閥為可選項(xiàng)，可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行選擇，建議最多二選一，避免過度冗余，影響項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)維工作量。

4 結(jié)語

本研究對(duì)國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比分析燃料系統(tǒng)中隔斷裝置、快速切斷閥和調(diào)節(jié)閥的常用形式和配置方案，提出了快速切斷閥切斷時(shí)間的計(jì)算方法。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，煤氣閥門對(duì)于機(jī)組的安全可靠性、后期運(yùn)行維護(hù)工作量以及項(xiàng)目投資成本等都有較大的影響，需結(jié)合工程實(shí)際情況選擇適合的煤氣閥門配置方案：①鍋爐煤氣總管可靠隔斷裝置一般采用電動(dòng)密封蝶閥+電動(dòng)眼鏡閥的組合形式。②為保證鍋爐爐膛安全，煤氣系統(tǒng)中至少應(yīng)該串聯(lián)2道快速切斷閥，且安裝位置應(yīng)盡量靠近燃燒器。③應(yīng)結(jié)合閥門口徑及爐膛煤氣漏入量，合理選擇快速切斷閥的切斷時(shí)間。④100 MW及以上的機(jī)組推薦采用方案一，可提高機(jī)組調(diào)節(jié)的精度和靈活性。⑤80 MW及以下的機(jī)組推薦采用方案二和方案三，可保證燃燒器檢修空間，節(jié)約機(jī)組投資成本。

隨著煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組數(shù)量的增多，以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，煤氣閥門的配置也將逐步規(guī)范化，研究成果可為今后相關(guān)規(guī)范的修訂提供參考和借鑒。

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