电站锅炉安全阀校验新技术研究及应用

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发布时间:2017年6月17日

   电站安全阀校验有关标准的规定 

  根据国家质量监督局锅炉压力容器监察局颁布的《蒸汽锅炉安全技术监察规程规定:“在用锅炉的安全阀每年至少应校验一次” ;《电力工业锅炉压力容器监察规程》(( DL612-1996)9.1.13)规定:“锅炉安装和大修完毕及安全阀经检修后,都应校验安全阀的起座压力”,(并明确规定“规程监察范围:f)热力系统压力容器:高、低压加热器、除氧器、各类扩容器等”;国家电力公司颁布的《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》规定:“各种压力容器安全阀应定期进行校验和排放试验”。这些规定都十分明确了对电站安全阀的定期校验工作。

  电力行业标准《电力工业锅炉压力容器监察规程》( DL612-1996)9.1.13对仪器校验安全阀有明确规定:“纯机械弹簧式安全阀可采用液压装置进行校验调整,一般在75%~80%额定压力下进行。经液压装置调整后的安全阀,应至少对最低起座值的安全阀进行实际起座复核。”

    1 安全阀的检验方法目前,电力系统的安全阀校验普遍采用的方法有离线测量和在线测量两种。

  离线测量需要在设备停车时拆下安全阀送到检验台上,即费时又费力,且该种测量方法不能解决温度对安全阀开启压力的影响,而对一些不可拆下的安全阀(如焊接阀等)更是无能为力。在线测量又分为实跳测量和仪器测量两种。实跳测量会对安全阀造成不必要的伤害,并且噪声污染和测量时的安全性问题已越来越引起人们的重视,一九九九年七月九日辽宁省锦州发电厂在安全阀校验时五死三伤的惨剧应该不会忘记。

  仪器测量方式是目前较为先进且普遍采用的方法,如英国FURMANITE公司于八十年代研制的TREVITEST的实用产品。该仪器以风动马达驱动液压泵为动力源,采用二通道笔试记录仪配合传感器作为测量记录单元。所记录的安全阀开启过程外加力变化曲线,由操作者人工判别特征点,通过手工计算出最终结果整个测量过程均需人工参与,故测量结果的一致性受人为因素影响很大,测量精度不能保证。此外,该种仪器的价格昂贵(2000年报价达125万元),难以在国内推广。日美等国的安全阀生产厂家在九十年代随后也相继开发了类似产品,但此类产品仅可用于自己厂家生产的安全阀,对国产和其他厂家安全阀就显得无能为力。九十年代起,国内也出现部分仿制型,在技术上并无太大突破,仍然存在测量一致性差、测量精度低的缺点。

  NSH系列安全阀在线定压仪系由北京邦备机电技术有限公司及北京劳动安全技术装备中心研制开发的新型便携式仪器,其基本工作原理等同于英国FURMANITE的TREVITEST安全阀检测系统,并在设计工艺上有重大突破。NSH安全阀在线定压仪是校验电站安全阀的新型专利产品,劳动部锅炉压力容器监察局、电站阀门标委会推荐产品,此产品经过中国计量科学院检测合格。目前,该仪器已在全国五十多电厂的安全阀校验中应用,经实践证明,此仪器在设NSH安全阀在线校验仪可在机组停运或运行的情况下,仅需2-5秒开启时间可完成对安全阀进行在线性能检测和工作参数检测,也可对经检测不合格的安全阀进行在线整定,可以测量和记录安全阀的开启压力和安全阀所在位置系统介质压力等参数。 

    2 设计原理

  弹簧安全阀的开启、关闭动作是依靠其进口端的介质压力变化和弹簧预紧力来使阀芯自动开启及关闭。当介质压力(内压)升高到提升力比弹簧预紧力大时,阀芯克服弹簧预紧力自动开启,泄放多余的介质,使内压下降,又由于弹簧力的作用,当内压降至安全值时,阀芯自动关闭,泄放停止。

  根据这个原理,可以设想,在线(又称热态)测量或调整安全阀时,如果由外部提供一个向上的附加力,则当介质压力与这个附加力的总和刚刚克服弹簧预紧力时,阀芯同样也会开启,甚至在没有介质作用的离线(又称冷态)条件下,单独由外部附加力克服弹簧预紧力时,阀芯也可开启,图一清楚地表示了这种力的平衡关系。

    很明显,我们可以看出,阀芯开启的条件为:

    FT=FW+PL×S

    其中: FT——弹簧预紧力

    FW——外部附加力

    PL—— 介质作用压力

    S——安全阀密封面面积

    则开启压力P为:P=PL+FW/S

    当冷态时,P=FW/S

    显然,如果能够准确地测定附加外力FW,就可以根据已知的阀芯面积S和系统工作压力,很容易地求得安全阀的开启压力P。这即为安全阀在线测试技术的设计依据和原理。

    3 技术依据

  根据对弹簧安全阀开启动作特性的分析,可以得出:在外加力FW的作用下,一个安全阀从关闭到开启,再由开启到关闭的全过程中,外附加力FW的变化规律,当附加力从零逐步增加,与内压力PL×S之和正好为弹簧预紧力时,阀门微启,增大了介质作用面积S,使得用来克服弹簧预紧力的内压作用力急剧增大,其结果在瞬间减小了外附加力。从而出现第一个特征峰A。当外附加力逐渐减小而达到关闭点时,由于介质作用面积忽然减小,为保持力的平衡关系,此时,外附加力会出现瞬间回升现象,即第二个特征峰点B。上述两个特征峰点A和B是在线条件下检测安全阀开启压力、回座压力的技术依据。

  当阀门未打开前,外附加力克服阀芯静态刚性力,当达到开启点以后,外附加力改为克服弹簧的弹性力,两者随时间变化的斜率不同,从而出现第一个拐点C,同样情况,在阀门关闭时也会出现另一个拐点D。这两个拐点分别对应阀门的开启和回座,正是冷态时测试阀门开启、回座压力的技术依据。从以上分析不难看出,安全阀在线测试技术的关键在于如何正确迅速地找到对应开启的特征点。

    4 系统构成

  在线检测系统由机械夹具、液压动力单元和数据采集处理单元三大部分组成,彼此相对独立,由两条10米长的液压软管和两条10米长的五芯屏蔽电缆互相联成一个完整的安全阀测试系统。它具有体积小、重量轻、组件模块化、设备计算机化、操作简单、稳定可靠等显著特点,性能在许多方面都超过国外同类仪器水平。

    4.1夹具:保证对待测安全阀实施夹持定位,为液压动力单元提供施加外力的环境,采用组合式结构,拆卸十分方便。(见图三)

    4.2液压动力单元:提供可调节的液压输出和流量,最大输出10MPa,最大提升力为50KN,用以控制外加的提升力和提升速度。

    4.3 数据处理单元:它是测试系统的核心,直接决定系统的可靠性和准确性。

  其中,力传感器采用轮辐式结构,灵敏度极高,精度可达到0.05% ,压力传感器采用高温型传感器,工作温度可达200~250度。两种传感器均为高输出式,内藏放大器,其线性度、重复性和抗干扰能力极强。

  测试系统采用了二通道低增益,高精度放大电路,智能化A/D转换和数据采集电路,可同时采集力、压力二个参数,核心部分选用目前市场上先进的笔记本电脑(CPU PⅢ600),可绘制曲线并打印测试结果,具有汉字化的人机对话功能,各测量通道的数据均可在屏幕上显示,在超量程的情况下,确保系统和安全阀的安全,全部硬件采用模块化结构,便于维修和调试。

  另外,为保证主机能在50℃的高温环境下正常连续的工作,特别设计了辅助配套设备——电脑低温工作台。

    操作步骤

    操作步骤如下:见图四, 选择被测试安全阀,根据系统安装图可方便地完成NSH部件的安装和连接;在计算机主控窗口上单击“装入参数”选定被测安全阀;(见图五)选择压力传感器测量方式,输入基础压力值;核对无误后,单击“再线定压”,此时系统提示:“正在测试!请等待!”打开液压单元电源开关至“开启”位置,调整“系统压力调整”旋钮至计算机指示“所需油压”值;将换向控制旋钮旋至“提升”位置,使油缸活塞带动被测阀的阀杆向上移动;通过观察阀杆上升或听到介质排泄的声音,确定阀已开启后,将换向控制旋钮旋回“复位”位置,关闭电源;计算机将自动进入结果显示窗体,(见图六)显示测试曲线、测试时间、开启压力、调整高度等参数;根据计算机提示的调整高度,调节定压螺母;单击“退出”钮,重新起动测试程序,得出新的测试曲线和结果。反复执行上述步骤,直至开启压力和整定压力相差不大于“测量允许误差” 时,此时计算机显示“调节完毕”,表示测量结束。

    5 误差分析

    根据选用MSC—5101采样器、传感器的精度以及放大器设计精度,测试系统开启压力度量误差分析如下。

    其中:f——物理量(力、压力)

    V1V2——中间电量

    N——数字量(力、压力)

    K1、K2、K3——各级转换系数

    由:; ; 

    所以: 

    按误差传递理论,绝对误差和相对误差分别为:

    代入实际偏差量:

    (力传感器最大误差) 精度0.05%

    (压力传感器最大误差)精度0.2%

    (放大器误差)

    (A/D转换器最大误差)

    因而,可以求得提升力和压力的相对误差分别为:

    根据开启压力计算公式:

    其中:P——开启压力

    PL——系统内压

    A——阀门密封面积

    f——附加外力

    从而可以得出开启压力的相对误差为:

    由此可以看出,开启压力的相对误差不仅和附加力、系统内压有关,而且与密封面积有关, 就一般而言,安全阀密封面积在20~125cm2,通过计算分析,可以得出:

    6 软件设计、功能及特点

    测试系统采用了功能较强的笔记本计算机作为数据处理器,经过前后六年多的近千次试验、修改,该系统配备了一整套功能较强的软件系统。

    其主要功能和特点:

    6.1预置工作参数和仪器检测状态,整个预置过程均为汉字人机对话形式,快捷、便利,并且可根据被测阀门的工况条件事先计算出系统应提供的液压提升力,保证被测阀安全。

   6.2数据采集和数字滤波功能,数据采集软件可让用户根据不同阀门、不同工况条件选择不同的采样时间,减少杂散信号干扰,保证测试曲线的平滑完好。

    6.3绘制测试曲线,可以根据测试的力、压力以各种不同颜色绘制出整个测试过程曲线。

    6.4据处理及结果打印,根据被测阀的工艺参数和工况条件,自动选择对应的计算方法计算出开启压力、回座压力、开启高度等测量结果,并且可自动进行多种修正。如:对内压变化的修正、对低压状态的修正、对微起阀的修正。根据开启高度和内压值对回座压力值的修正等,最终以汉字形式打印出测试结果。

    6.5阀门整定压力的调整方法提示软件,可以提示用户先进行单位增量调整,然后根据测量值的变化量经逻辑判断和线性处理,以汉字形式指示用户定量调整定压螺母,调整后经再次测量,二级近似和处理后指示精确调整值,直至满足整定压力值为止。

    7 应用情况:

    NSH安全阀在线定压仪自九六年进入电力系统以来,先后在核电秦山有限公司、中国华电集团公司辽宁省铁岭发电厂、华北电力集团公司河北省秦皇岛热电厂、河南焦作爱依斯万方电厂、山西省阳泉第二发电厂、中国大唐集团公司安徽省淮南田家庵发电厂、华能国际电力股份公司丹东电厂、中国大唐集团公司河北张家口发电厂、华能国际电力股份公司德州发电厂、中国电力投资集团公司河南姚孟发电厂、广东省梅县发电厂、山东省菏泽发电厂、中国国电集团公司江苏省谏壁发电厂、中国华电集团公司湖北青山发电厂、湖北汉川发电厂、广州控股广州珠江电厂、深圳妈湾发电总厂、华能国际电力股份公司重庆珞璜电厂、广东广州恒运电厂、中国电力投资集团公司上海闵行发电厂、广东韶关发电厂、华能国际电力股份公司大连发电厂、武汉华能华中阳逻电厂、湖北襄樊发电厂、广东云浮发电厂、华能国际电力股份公司石洞口电厂、申能股份有限公司上海吴泾第二发电有限责任公司、江苏南通天生港电厂、广东湛江发电厂、河南焦作电厂、华能大庆新华电厂、中国大唐集团公司河南信阳华豫发电厂、山东济南南郊热电厂、华能国际电力股份公司福州电厂、河南豫联巩义电厂、河南伊川豫港电厂、中国电力投资集团公司江西贵溪火力发电厂、湖南华银株洲发电厂、河南华润登封发电厂、广东粤华发电有限公司(黄埔电厂)、中国国电集团公司江西九江电厂、江苏太仓环保电厂、江苏利港电厂、陕西宝鸡二电厂、江苏夏港电厂、中国国电集团公司贵州凯里电厂、云南电力试验研究院、北京国华电力有限责任公司北京三河电厂、陕西华电蒲城电厂、华能山东济宁电厂、华能威海电厂、山东鲁能运河电厂、安徽铜陵电厂、河南商丘裕东电厂等电厂已购买使用NSH安全阀在线定压仪;广东大亚湾核电站、厦门华夏国际电力有限公司嵩屿电厂、天津大港发电厂、大唐洛阳首阳山发电厂、国电长源电力股份有限公司湖北鄂州电厂、广东粤电公司沙角A电厂、深圳能源公司广东沙角B电厂、广东粤电公司沙角C电厂、广东大亚湾核电站、大唐三门峡华阳发电有限责任公司、湖南益阳发电厂、江苏望亭电厂、河南蒲山电厂、江西华能井冈山电厂、华能上海华能石洞口二厂、上海宝山钢铁股份有限公司自备电厂、武汉钢铁公司发电厂、华电福建湄洲湾电厂、贵州习水电厂、贵州纳雍电厂、安徽铜陵电厂、河南鸭河口发电厂、大唐河南禹州龙岗电厂、陕西渭河电厂、江苏华能太仓电厂、广东粤电公司珠海电厂、江苏常熟电厂、福建后石电厂、安徽芜湖电厂、山西国际阳城电厂、中国铝业股份有限公司中州分公司热电厂、河南焦作华润热电有限公司等一百多家十多家火电厂或核电站投入使用,涉及发电机组100 MW~1000MW,含盖目前电站锅炉所有安全阀,如美国DRESSER、CROSBY、日本东亚、日本冈野生产的全量型安全阀等国内外阀门厂家。

经实践证明,此仪器在设计原理、仪器结构、测量精度以及使用的安全性、方便性等方面都具有突出优点。综上所述,“NSH安全阀在线定压仪在设计原理、测量精度、自动化程度及操作方法等方面处于世界领先水平,特别是其仪器采用计算机系统和汉字化的测试软件更为国内外同类仪器的首创”。(2001年《中国电力》杂志第5期《电站锅炉安全阀校验新技术》)。 

    8 结论

   综上所述,“NSH安全阀在线定压仪在设计原理、测量精度、自动化程度及操作方法等方面处于世界领先水平,特别是其仪器采用计算机系统和汉字化的测试软件更为国内外同类仪器的首创”。