煤氣鍋爐燃料系統(tǒng)閥門方案對比分析

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)電機組成為了重要的余能利用設施。煤氣閥門是煤氣鍋爐燃料系統(tǒng)的重要組成部分，對發(fā)電機組的安全性和經濟性起著至關重要的作用，因此有必要對煤氣閥門方案進行對比分析，找到安全、經濟、合理的配置方案。【方法】通過對國內外相關規(guī)范的研究，結合工程實踐經驗，重點分析燃料系統(tǒng)中隔斷裝置、快速切斷閥和調節(jié)閥的常用型式和配置方案。【結果】通過分析對比發(fā)現，各規(guī)范對快速切斷閥和調節(jié)閥的設置只有原則性要求，對于具體數量和安裝位置沒有明確要求，應結合工程實際情況進行閥門的配置。【結論】為兼顧安全性和經濟性，提出了三種煤氣閥門配置推薦方案，在工程實踐中可根據不同的機組容量進行選擇。

關鍵詞：隔斷裝置；快速切斷閥；調節(jié)閥；切斷時間

中圖分類號：TK16" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：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，對于提高企業(yè)自發(fā)電率，降低生產成本，提升產品競爭力有著重要作用。隨著小型煤氣鍋爐發(fā)電機組參數的提高，其發(fā)電熱效率已接近燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組（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)電機組的主要燃料為高爐煤氣、轉爐煤氣和焦爐煤氣等鋼鐵生產過程中的副產煤氣。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)定運行也是自備電廠高效運行的基本條件。因此，煤氣閥門作為燃料系統(tǒng)的重要組成部分，有必要對其設置進行對比分析，以找到安全、經濟、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、調節(jié)、吹掃、放散、取樣、排水等，其中隔斷和調節(jié)功能尤為重要，其管徑也相對較大。隨著煤氣鍋爐不斷向大型化發(fā)展，燃燒器的數量也越來越多，煤氣管道分支及煤氣閥門數量也越來越多。例如，最大連續(xù)蒸發(fā)量440 t/h的亞臨界煤氣鍋爐，高爐煤氣燃燒器數量可達12只（分4層布置，前后墻各2層，每層3只），如果還要摻燒焦爐煤氣，燃燒器數量將更多。由此可見，煤氣閥門配置方式的不同，對煤氣管道布置、鍋爐安全穩(wěn)定運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)煤氣儲存和輸配系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB 51128—2015）的規(guī)定，考慮鍋爐及煤氣管網的檢修，一般在每臺鍋爐的煤氣總管上設置可靠的隔斷裝置［1-2］，作為鍋爐燃料的“總開關”。

根據《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，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，其驅動方式通常采用電動驅動。

2.2 快速切斷閥

由于管徑和電動執(zhí)行結構的原因，密封蝶閥和眼鏡閥的開閉時間一般較長（1～2 min），在鍋爐主燃料閥跳閘時無法快速切斷供給鍋爐的煤氣，為減少漏入爐膛的煤氣量，避免煤氣達到爆炸極限，防止爐膛爆炸事故的發(fā)生，煤氣系統(tǒng)必須設置快速切斷閥。快速切斷閥是煤氣鍋爐的“生命閥”之一，對煤氣鍋爐的安全運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)技術規(guī)程》（DL/T 1091—2008）對快速切斷閥的設置要求并不明確，只是在8.6節(jié)要求“對主燃氣跳閘閥、每個燃燒器的一組跳閘閥（一般配置兩個）進行定期的密封試驗”［4］。據此推斷，煤氣總管上應設置1道跳閘閥，每個燃燒器支管設置2道跳閘閥。但該規(guī)程目前已作廢，DL/T 1091—2018已刪除相關章節(jié)，應參照其他規(guī)范進行快速切斷閥的設置［5］。

②《鍋爐房設計規(guī)范》（GB 50041—2020）第13.3節(jié)要求鍋爐房室外燃氣母管上應設置緊急切斷閥，且每臺鍋爐燃氣干管上應設置切斷閥［6］。據此條文，鍋爐應設置1～2道切斷閥，對于僅有1臺鍋爐的鍋爐房，可以只設1道切斷閥，但該規(guī)范是針對額度蒸發(fā)量在75 t/h以下的小鍋爐，具有一定的局限性，因此應結合其他規(guī)范進行設計。

③《鍋爐安全技術規(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個手動快速切斷閥；第6.7節(jié)要求主燃氣控制閥系統(tǒng)設置2只串聯布置的自動安全切斷閥或者組合閥［7］。據此條文，煤氣系統(tǒng)中應串聯設置至少2道快速切斷閥，其中煤氣層管或上一級主管應設置1道手動快速切斷閥，也就是說燃燒器支管至少應該安裝1道快速切斷閥。需要說明的是，手動快速切斷閥是指帶手動功能的氣動或液動快速切斷閥，純手動閥門無法保證快速切斷的時間要求。

④《鋼鐵企業(yè)自備電廠副產煤氣設施安全設計規(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)中應配置兩只串聯的切斷閥”［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氣管線中提供兩個串聯的安全切斷閥，且每個安全切斷閥應配有一個關閉驗證開關［9］。可見YB/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)中至少應該串聯2道快速切斷閥，且安裝位置應盡量靠近燃燒器。

2.2.2 快速切斷閥的切斷時間。快速切斷閥的切斷時間和爐膛煤氣漏入量是影響爐膛爆炸的關鍵因素，要減少爐膛煤氣漏入量，就要盡可能縮短切斷時間。為保證動作時間，快速切斷閥多采用氣動或液動執(zhí)行機構。

①《鋼鐵企業(yè)自備電廠副產煤氣設施安全設計規(guī)范》（YB/T 4735—2019）第5.3節(jié)要求，DN100及以下的閥門安全關閉時間不超過1 s，大于DN100小于等于DN300的閥門安全關閉時間不超過3 s，DN300以上的閥門安全關閉時間不超過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作的響應時間不得超過4 s，從安全切斷閥開始動作到完全關閉的響應時間不得超過1 s［9］。

由此可見，規(guī)范要求的切斷時間都不超過5 s。雖然快速切斷閥的切斷時間越短越好，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作時產生的慣性沖量非常大，動作太快可能導致閥體、執(zhí)行機構及管道附件被破壞，造成事故。馬馳輪［10］、馬振華［11］、陳麗［12］等通過勒·查列特（Le Chatelier）公式推導出了快速切斷閥的允許切斷時間計算方法，見式（1）至式（3）。根據公式，在爐膛熄火至快速切斷閥完全關閉期間，只要進入爐膛的煤氣未達到煤氣爆炸極限的下限，就無法形成爐膛爆炸的關鍵因素，從而反推出快速切斷閥的允許切斷時間。

[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閉期間進入爐膛的煤氣體積，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作的時間，s；ΔT2為快速切斷閥開始動作至完全關閉的時間，s；ΔT為快速切斷閥允許切斷時間，s；Q為進入爐膛的煤氣流量，m3/s。

因此，應結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間。

2.3 調節(jié)閥

鍋爐負荷調節(jié)是通過煤氣系統(tǒng)中的調節(jié)閥來實現的，根據不同的燃燒器負荷調節(jié)方法，可分為“層調”和“點調”。調節(jié)閥采用蝶閥型式，執(zhí)行機構為電動或氣動。

“層調”一般用于小容量煤氣鍋爐，每層設置2～3只燃燒器，調節(jié)閥設在層管上，可同時控制該層全部燃燒器的負荷。“點調”一般用于大容量煤氣鍋爐，每層設置不少于3只燃燒器，層管管徑較大，如果層管安裝調節(jié)閥，調節(jié)精度不高。為保證調節(jié)精度，調節(jié)閥設在每只燃燒器的支管上，可分別調節(jié)每只燃燒器的負荷，也可以在DCS中設置為同層調節(jié)閥聯動，實現層調功能，減少操作工作量。因此，“點調”比“層調”更為靈活，調節(jié)精度高，但設備投資較大，運維工作量較多。

3 煤氣閥門方案對比

根據上節(jié)分析，煤氣鍋爐燃料系統(tǒng)煤氣閥門的配置方案及優(yōu)缺點詳見表1，括號內的快切閥為可選項，可根據項目實際情況進行選擇，建議最多二選一，避免過度冗余，影響項目經濟性及運維工作量。

4 結語

本研究對國內外相關規(guī)范進行分析，并結合工程實踐經驗，對比分析燃料系統(tǒng)中隔斷裝置、快速切斷閥和調節(jié)閥的常用形式和配置方案，提出了快速切斷閥切斷時間的計算方法。通過對比分析發(fā)現，煤氣閥門對于機組的安全可靠性、后期運行維護工作量以及項目投資成本等都有較大的影響，需結合工程實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密封蝶閥+電動眼鏡閥的組合形式。②為保證鍋爐爐膛安全，煤氣系統(tǒng)中至少應該串聯2道快速切斷閥，且安裝位置應盡量靠近燃燒器。③應結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間。④100 MW及以上的機組推薦采用方案一，可提高機組調節(jié)的精度和靈活性。⑤80 MW及以下的機組推薦采用方案二和方案三，可保證燃燒器檢修空間，節(jié)約機組投資成本。

隨著煤氣鍋爐發(fā)電機組數量的增多，以及工程實踐經驗的積累，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規(guī)范的修訂提供參考和借鑒。

參考文獻：

［1］國家安全生產監(jiān)督管理局.工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程：GB 6222—2005［S］.北京：中國標準出版社，2005：16-17.

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. 鋼鐵企業(yè)煤氣儲存和輸配系統(tǒng)設計規(guī)范：GB 51128—2015［S］. 北京：中國計劃出版社，2015：57-59.

［3］陳永峰，苗國寬，向文強，等.燃氣鍋爐高爐煤氣快切閥系統(tǒng)淺析［J］.節(jié)能，2012 （9）：46-48.

［4］電力行業(yè)熱工自動化標準化技術委員會.火力發(fā)電廠鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)程：DL/T 1091—2008［S］.北京：中國電力出版社，2008：27.

［5］電力行業(yè)熱工自動化與信息標準化技術委員會.火力發(fā)電廠鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)程：DL/T 1091—2018［S］.北京：中國電力出版社，2018.

［6］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.鍋爐房設計規(guī)范：GB 50041—2020［S］. 北京：中國計劃出版社，2020：49-50.

［7］國家市場監(jiān)督管理總局.鍋爐安全技術規(guī)程：TSG 11—2020［S］.北京：新華出版社，2020：38，40.

［8］中華人民共和國工業(yè)和信息化部.鋼鐵企業(yè)自備電廠副產煤氣設施安全設計規(guī)范：YB/T 4735—2019［S］.北京：冶金工業(yè)出版社，2019：20.

［9］NFPA.Boiler and Combustion Systems Hazards Code：NFPA 85—2023［S］. Milwaukee，WI：［s.n.］，2023：29-33.

［10］馬馳輪.燃氣鍋爐供氣系統(tǒng)快速切斷閥的選擇［J］.煤氣與熱力，1999，19（1）：55-57.

［11］馬振華，王洪利.論快速切斷閥在燃氣鍋爐安全運行中的必要性［J］.節(jié)能，2016（16）：35-37.

［12］陳麗.鋼鐵廠煤氣鍋爐快速切斷閥的選擇［J］.冶金動力，2017（10）：24-25.