煤气锅炉燃料系统阀门方案对比分析

摘 要：【目的】为充分利用钢铁厂富余煤气，提高自发电率，煤气锅炉发电机组成为了重要的余能利用设施。煤气阀门是煤气锅炉燃料系统的重要组成部分，对发电机组的安全性和经济性起着至关重要的作用，因此有必要对煤气阀门方案进行对比分析，找到安全、经济、合理的配置方案。【方法】通过对国内外相关规范的研究，结合工程实践经验，重点分析燃料系统中隔断装置、快速切断阀和调节阀的常用型式和配置方案。【结果】通过分析对比发现，各规范对快速切断阀和调节阀的设置只有原则性要求，对于具体数量和安装位置没有明确要求，应结合工程实际情况进行阀门的配置。【结论】为兼顾安全性和经济性，提出了三种煤气阀门配置推荐方案，在工程实践中可根据不同的机组容量进行选择。

关键词：隔断装置；快速切断阀；调节阀；切断时间

中图分类号：TK16" " "文献标志码：A" " "文章编号：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

富余煤气自备电厂是钢铁企业重要的能源供给单元，对于提高企业自发电率，降低生产成本，提升产品竞争力有着重要作用。随着小型煤气锅炉发电机组参数的提高，其发电热效率已接近燃气-蒸汽联合循环发电机组（CCPP），成为近年来钢铁企业自备电厂的主要选择。

煤气锅炉发电机组的主要燃料为高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气等钢铁生产过程中的副产煤气。煤气系统作为煤气锅炉的燃料通道，其可靠性是煤气锅炉安全的重要保障，而煤气锅炉的安全稳定运行也是自备电厂高效运行的基本条件。因此，煤气阀门作为燃料系统的重要组成部分，有必要对其设置进行对比分析，以找到安全、经济、合理的煤气阀门方案。

1 煤气阀门的作用

煤气阀门的功能包括隔断、调节、吹扫、放散、取样、排水等，其中隔断和调节功能尤为重要，其管径也相对较大。随着煤气锅炉不断向大型化发展，燃烧器的数量也越来越多，煤气管道分支及煤气阀门数量也越来越多。例如，最大连续蒸发量440 t/h的亚临界煤气锅炉，高炉煤气燃烧器数量可达12只（分4层布置，前后墙各2层，每层3只），如果还要掺烧焦炉煤气，燃烧器数量将更多。由此可见，煤气阀门配置方式的不同，对煤气管道布置、锅炉安全稳定运行及工程投资都有较大的影响。

2 煤气阀门的选择

2.1 隔断装置

按照《工业企业煤气安全规程》（GB 6222—2005）和《钢铁企业煤气储存和输配系统设计规范》（GB 51128—2015）的规定，考虑锅炉及煤气管网的检修，一般在每台锅炉的煤气总管上设置可靠的隔断装置［1-2］，作为锅炉燃料的“总开关”。

根据《工业企业煤气安全规程》（GB 6222—2005）规定，隔断装置主要包括插板、水封、眼镜阀、密封蝶阀、旋塞、闸阀、盘型阀、盲板及双板切断阀等，但并不是所有的隔断装置都是可靠的隔断装置［1］。常用的可靠隔断形式包括插板、水封+其他隔断装置、密封蝶阀+眼镜阀、盲板及双板切断阀等［1］。这些形式中，盲板一般用于管道的扩建延伸端，而水封占地大，注水排水比较慢，开闭比较麻烦。同时，考虑锅炉煤气总管的管径较大，一般多采用密封蝶阀+眼镜阀的组合形式，其驱动方式通常采用电动驱动。

2.2 快速切断阀

由于管径和电动执行结构的原因，密封蝶阀和眼镜阀的开闭时间一般较长（1～2 min），在锅炉主燃料阀跳闸时无法快速切断供给锅炉的煤气，为减少漏入炉膛的煤气量，避免煤气达到爆炸极限，防止炉膛爆炸事故的发生，煤气系统必须设置快速切断阀。快速切断阀是煤气锅炉的“生命阀”之一，对煤气锅炉的安全运行具有非常重要的作用［3］。

2.2.1 快速切断阀的配置。

①《火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统技术规程》（DL/T 1091—2008）对快速切断阀的设置要求并不明确，只是在8.6节要求“对主燃气跳闸阀、每个燃烧器的一组跳闸阀（一般配置两个）进行定期的密封试验”［4］。据此推断，煤气总管上应设置1道跳闸阀，每个燃烧器支管设置2道跳闸阀。但该规程目前已作废，DL/T 1091—2018已删除相关章节，应参照其他规范进行快速切断阀的设置［5］。

②《锅炉房设计规范》（GB 50041—2020）第13.3节要求锅炉房室外燃气母管上应设置紧急切断阀，且每台锅炉燃气干管上应设置切断阀［6］。据此条文，锅炉应设置1～2道切断阀，对于仅有1台锅炉的锅炉房，可以只设1道切断阀，但该规范是针对额度蒸发量在75 t/h以下的小锅炉，具有一定的局限性，因此应结合其他规范进行设计。

③《锅炉安全技术规程》（TSG 11—2020）第6.2节要求在燃料母管上靠近燃烧器部位安装1个手动快速切断阀；第6.7节要求主燃气控制阀系统设置2只串联布置的自动安全切断阀或者组合阀［7］。据此条文，煤气系统中应串联设置至少2道快速切断阀，其中煤气层管或上一级主管应设置1道手动快速切断阀，也就是说燃烧器支管至少应该安装1道快速切断阀。需要说明的是，手动快速切断阀是指带手动功能的气动或液动快速切断阀，纯手动阀门无法保证快速切断的时间要求。

④《钢铁企业自备电厂副产煤气设施安全设计规范》（YB/T 4735—2019）第5.3节要求“燃烧器前的煤气管道系统中应配置两只串联的切断阀”［8］，《Boiler and Combustion Systems Hazards Code》（NFPA 85—2023）第5.4节要求在通往主燃烧器的燃气管线中提供两个串联的安全切断阀，且每个安全切断阀应配有一个关闭验证开关［9］。可见YB/T 4735—2019和NFPA 85—2023、TSG 11—2020第6.7节的要求是一致的。

综上可知，为保证锅炉炉膛安全，煤气系统中至少应该串联2道快速切断阀，且安装位置应尽量靠近燃烧器。

2.2.2 快速切断阀的切断时间。快速切断阀的切断时间和炉膛煤气漏入量是影响炉膛爆炸的关键因素，要减少炉膛煤气漏入量，就要尽可能缩短切断时间。为保证动作时间，快速切断阀多采用气动或液动执行机构。

①《钢铁企业自备电厂副产煤气设施安全设计规范》（YB/T 4735—2019）第5.3节要求，DN100及以下的阀门安全关闭时间不超过1 s，大于DN100小于等于DN300的阀门安全关闭时间不超过3 s，DN300以上的阀门安全关闭时间不超过5 s［8］。

②《Boiler and Combustion Systems Hazards Code》（NFPA 85—2023）第4.12节和第5.4节规定，从燃烧器火焰熄灭到安全切断阀开始动作的响应时间不得超过4 s，从安全切断阀开始动作到完全关闭的响应时间不得超过1 s［9］。

由此可见，规范要求的切断时间都不超过5 s。虽然快速切断阀的切断时间越短越好，但是以上规范均未考虑管径的因素，大口径的快速切断阀动作时产生的惯性冲量非常大，动作太快可能导致阀体、执行机构及管道附件被破坏，造成事故。马驰轮［10］、马振华［11］、陈丽［12］等通过勒·查列特（Le Chatelier）公式推导出了快速切断阀的允许切断时间计算方法，见式（1）至式（3）。根据公式，在炉膛熄火至快速切断阀完全关闭期间，只要进入炉膛的煤气未达到煤气爆炸极限的下限，就无法形成炉膛爆炸的关键因素，从而反推出快速切断阀的允许切断时间。

[VdVd+V1lt;Ldx] （1）

Vd=（ΔT1+0.5ΔT2）Q （2）

ΔT=ΔT1+ΔT2 （3）

以上式中，Vd为炉膛熄火至快速切断阀完全关闭期间进入炉膛的煤气体积，m3；Vl为炉膛的容积，m3；Ldx为煤气爆炸极限下限值，%；ΔT1为炉膛熄火至快速切断阀开始动作的时间，s；ΔT2为快速切断阀开始动作至完全关闭的时间，s；ΔT为快速切断阀允许切断时间，s；Q为进入炉膛的煤气流量，m3/s。

因此，应结合阀门口径及炉膛煤气漏入量合理选择快速切断阀的切断时间。

2.3 调节阀

锅炉负荷调节是通过煤气系统中的调节阀来实现的，根据不同的燃烧器负荷调节方法，可分为“层调”和“点调”。调节阀采用蝶阀型式，执行机构为电动或气动。

“层调”一般用于小容量煤气锅炉，每层设置2～3只燃烧器，调节阀设在层管上，可同时控制该层全部燃烧器的负荷。“点调”一般用于大容量煤气锅炉，每层设置不少于3只燃烧器，层管管径较大，如果层管安装调节阀，调节精度不高。为保证调节精度，调节阀设在每只燃烧器的支管上，可分别调节每只燃烧器的负荷，也可以在DCS中设置为同层调节阀联动，实现层调功能，减少操作工作量。因此，“点调”比“层调”更为灵活，调节精度高，但设备投资较大，运维工作量较多。

3 煤气阀门方案对比

根据上节分析，煤气锅炉燃料系统煤气阀门的配置方案及优缺点详见表1，括号内的快切阀为可选项，可根据项目实际情况进行选择，建议最多二选一，避免过度冗余，影响项目经济性及运维工作量。

4 结语

本研究对国内外相关规范进行分析，并结合工程实践经验，对比分析燃料系统中隔断装置、快速切断阀和调节阀的常用形式和配置方案，提出了快速切断阀切断时间的计算方法。通过对比分析发现，煤气阀门对于机组的安全可靠性、后期运行维护工作量以及项目投资成本等都有较大的影响，需结合工程实际情况选择适合的煤气阀门配置方案：①锅炉煤气总管可靠隔断装置一般采用电动密封蝶阀+电动眼镜阀的组合形式。②为保证锅炉炉膛安全，煤气系统中至少应该串联2道快速切断阀，且安装位置应尽量靠近燃烧器。③应结合阀门口径及炉膛煤气漏入量，合理选择快速切断阀的切断时间。④100 MW及以上的机组推荐采用方案一，可提高机组调节的精度和灵活性。⑤80 MW及以下的机组推荐采用方案二和方案三，可保证燃烧器检修空间，节约机组投资成本。

随着煤气锅炉发电机组数量的增多，以及工程实践经验的积累，煤气阀门的配置也将逐步规范化，研究成果可为今后相关规范的修订提供参考和借鉴。

参考文献：

［1］国家安全生产监督管理局.工业企业煤气安全规程：GB 6222—2005［S］.北京：中国标准出版社，2005：16-17.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部. 钢铁企业煤气储存和输配系统设计规范：GB 51128—2015［S］. 北京：中国计划出版社，2015：57-59.

［3］陈永峰，苗国宽，向文强，等.燃气锅炉高炉煤气快切阀系统浅析［J］.节能，2012 （9）：46-48.

［4］电力行业热工自动化标准化技术委员会.火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统技术规程：DL/T 1091—2008［S］.北京：中国电力出版社，2008：27.

［5］电力行业热工自动化与信息标准化技术委员会.火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统技术规程：DL/T 1091—2018［S］.北京：中国电力出版社，2018.

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部.锅炉房设计规范：GB 50041—2020［S］. 北京：中国计划出版社，2020：49-50.

［7］国家市场监督管理总局.锅炉安全技术规程：TSG 11—2020［S］.北京：新华出版社，2020：38，40.

［8］中华人民共和国工业和信息化部.钢铁企业自备电厂副产煤气设施安全设计规范：YB/T 4735—2019［S］.北京：冶金工业出版社，2019：20.

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

［10］马驰轮.燃气锅炉供气系统快速切断阀的选择［J］.煤气与热力，1999，19（1）：55-57.

［11］马振华，王洪利.论快速切断阀在燃气锅炉安全运行中的必要性［J］.节能，2016（16）：35-37.

［12］陈丽.钢铁厂煤气锅炉快速切断阀的选择［J］.冶金动力，2017（10）：24-25.