畑中特殊球阀的性能及其在IGCC发电系统中的应用

作者:裘铮浩, 周平平

题图: Buggenum 电厂的鸟瞰图

 

一．IGCC系统及发展概况简介:

1.IGCC系统介绍:

整体煤气化联合循环(IGCC-Integrated Gasification Combined Cycle)发电系统，是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。它由两大部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气-蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备(包括硫的回收装置)，第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。

IGCC的工艺过程如下:煤经气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，变为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工质驱动燃气发电，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机发电(图1,美国Wabash River电站的IGCC系统)。

 

图1: Wabash River电站IGCC工艺概略流程

IGCC技术把高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤气化技术结合起来，既有高发电效率，又有极好的环保性能，是一种有发展前景的洁净煤发电技术。在目前技术水平下， IGCC发电的净效率可达43% ～45%，今后可望达到更高。而污染物的排放量仅为常规燃煤电站的1/10，脱硫效率可达99%，二氧化硫排放在25 mg/Nm³左右，氮氧化物排放只有常规电站的15% ~20%，耗水只有常规电站的1/2~1/3，利于环境保护。

2. IGCC在国外的发展概况:

    二十世纪八十年代以来，基于国家能源安全、IGCC发电系统把煤气化技术和高效的燃气蒸汽联合循环发电技术相结合，实现了煤炭资源的高效、洁净利用，具有高效、洁净、节水、燃料适应性广、易于实现多联产等优点,并且与未来二氧化碳近零排放、氢能经济长远可持续发展目标相容，是二十一世纪洁净煤发电技术的重要发展方向之一。

自20世纪90年代以来，国际上先后建设了五座以煤为原料、纯发电大型化的（250－300MW）商业示范装置，分别是美国的Wabash River和TECO Tampa、荷兰的Nuon Buggnum、西班牙的Puertollano电站、日本的Nakoso电站。

2003年以来石油和天然气价格的剧烈变化使得煤炭将在能源供应中起到独特的作用。温室效应也是人类面临的热点问题，IGCC发电技术以其潜在的高效率和CO₂减排优势受到了广泛关注，成为了世界各国洁净煤发电技术领域竞争的重点和焦点之一。近年来，先进国家陆续投入大量资金，大力加强能源技术的研究与开发。2007年8月，美国能源部发布了第三方关于化石燃料电厂投资和性能的研究成果表明，考虑二氧化碳脱除要求后，近零排放的IGCC系统与近零排放的常规燃煤电站相比具有较强的竞争优势。

二．畑中特殊球阀在IGCC系统中的应用介绍:

1．畑中特殊球阀在IGCC系统中的功能作用:

日本畑中特殊阀门工业株式会社（制造工厂位于日本山形县）于上世纪90年代研发的适用于IGCC 设备和系统，燃气轮机、蒸汽轮机和余热锅炉的设备和系统特殊球阀在日本Glaxo Smith Kline，勿来発電所，新加坡EXXON，荷兰纽昂BUGGENUM等

 

IGCC发电行业均有使用业绩(表1)。

表1. 畑中特殊球阀在IGCC行业的使用业绩

编号	客户名称	行业	阀名称	数量	口径(A)	压力等级（LB）	连接方式
10075	GSK	IGCC	煤气净化系统	64	20A～300A	150～600	特殊法兰+BW
10764	EXXON	化学化工	远距离操作系统	128	50A～300A	150～400	RF
11693	GlaxoSmithKline	IGCC	燃气加热器入口阀	140	125Ax80Ax40A	150～600	特殊法兰+BW
11694	GlaxoSmithKline	IGCC	熱交換器系统	253	200Ax100A	150～600	GR+BW
12570	Nuon Buggnum	IGCC	煤气化系统	1082	25A～500A	150～600	特殊法兰+BW
13856	Nuon Buggnum	IGCC	燃烧装置附属	582	100Ax80A	150～900	BW
14420	勿来	IGCC	回收器出入口阀	63	200Ax100A	150～600	GR+BW

Demkolec电站位于荷兰南部Limburg省Haelen市Buggenum镇，由荷兰电力局（SEP）负责组织和筹建。该电站邻近Maas河边的原有燃煤电站,电厂占地约为10 公顷，其中45%用于IGCC 工艺设备的安装。电厂图片可见本文题图。该项目自1996年至今，先后使用了约3000多台日本畑中特殊球阀。

下图（图2）是实际采用畑中特殊球阀的IGCC发电系统图

 

。

图2: 使用畑中特殊球阀的IGCC发电系统

2. 畑中特殊球阀应用在IGCC发电系统中的特点:

1).主要零部件材料（表2）:

表2.用于IGCC发电厂球阀的主要零部件材料

阀体/阀盖/阀球	阀杆	阀座	密封面	填料	使用温度
WCB/WCB/304	SUS403	PTFE	-	P#6720+6616CL	≤200℃
CF8/CF8/316	SUS316	SUS304	STLT.	P#6315CN	200℃～300℃
C5/C5/304	SUS329J1	SUSF304	METCO	P#6315CL	200℃～300℃
CF8M/CF8M/321	SUS630	SUSF316	METCO	P#6315CN	300℃～450℃
CF10/CF10/347	SUH660	SUS304H	METCO	P#6315CN	300℃～500℃
A105/A105/304	SUS410	SUS410	STLT.	P#6616+6710	200℃～300℃
F22/F22/316	SUS403	SUS403	METCO	P#6610+6710	200℃～300℃

A．软密封阀座采用日本VALQUA生产的PTFE，硬密封阀座采用司太立堆焊处理；

B．硬密封阀球表面进行镍基合金MECTO 16C喷涂(表3)；

C.填料采用日本PILLAR公司生产的组合式密封填料。密封性能好，扭矩小。使用温度为-200～600℃，最高使用压力为77.6MPa(4500CL) (表4)。

表3. HSV常用喷涂材料成分性能表

分类	合金名称	化学成分	硬度	结合强度 kg/mm2	空隙率 Vol.%
Ni基	metco16C相当	Ni-16Cr-4Si-4B-3Cu-3Mo-2.5Fe-0.75C	HRc60	30以上	0
	metco15E相当	Ni-17Cr-4Fe-4Si-3.5B-0.9C	HRc62	30以上	0
Co基	metco18C相当	Co-27Ni-18Cr-6Mo-3.5Si-3B-2.5Fe-0.2C	HRc60	30以上	0
	司太立SF20相当	Co-13Ni-19Cr-15W-3Si-3B-4Fe-1.3C	HRc60	30以上	0
Ni基+WC	metco31C相当	Ni-11Cr-2.5Fe-2.5Si-2.5B-0.5C-35WC	HRc60-75	30以上	0
碳化物	12钴碳化钨	WC-12Co	Hv1000-1300 (HRc68.9-72.7)	20以上	1以下
	17钴碳化钨	WC-17Co	Hv1000-1200 (HRc68.9-71.5)	25以上	1以下
	镍铬碳化钨	WC-27NiCr	Hv1000-1200 (HRc68.9-71.5)	20以上	1以下
	镍铬碳化铬	Cr3C2-25NiCr	Hv800-1000 (HRc64.0-68.9)	-	1以下

 

 

表4. HSV常用密封填料系列表

系列号	使用温度范围	使用压力(MPa)	主要用途
P#6315CL	-200℃～400℃	15.5	水，蒸汽，油，热媒油，溶剂，天然气，酸，碱
P#6315CH	-200℃～600℃	25.9	水，蒸汽，油，热媒油，溶剂，天然气，酸，碱
P#6617+   P#6710	-200℃～600℃	43.1	水，蒸汽，油，热媒油，溶剂，天然气，LNG,   强酸，强碱
P#6720+   P#6616CL	-200℃～400℃	15.5	水，蒸汽，油，热媒油，溶剂，天然气，LNG
P#6710CL+   P#6616CL	-200℃～400℃	77.6	水，蒸汽，油，热媒油，溶剂，天然气，LNG
P#6710CH+   P#6610CH	-200℃～600℃	77.6	水，蒸汽，油，热媒油，溶剂，天然气，LNG

2).阀门结构特点:

阀门采用上装式结构，实现了阀体的一体化，使其在密封、安装、拆卸、维护等方面都非常方便。该类型阀门在检修时，卸除阀门的动力装置和阀盖，阀球处于无束缚状态，阀球上平面拧入吊环螺栓后起吊阀球，之后阀体内部其它零部件可以从阀体中间口取出，从而轻松完成阀门维护(图3)。

A.  阀门可根据客户要求或使用工况配备手动，电动，气动等驱动方式；并符合ISO5211标准要求；

B.  采用双向密封结构，硬密封面采用硬质合金堆焊或表面喷涂等处理方法；

C.  采用具有弹性补偿功能阀座，即可起到辅助密封作用，又可以对热膨胀变形起到吸收作用，防止阀球‘抱死’现象；

D.  上装式结构，在密封，安装，拆卸，维修等方面都具有明显优势。保养时可以在管道上进行，操作方便，维护简单 ；

E.  阀门关键部位采用HSV内部公差配合标准， 在常温或高温工况状态下，保证阀门操作顺滑同时具有良好的密封性能；

F.  阀杆防‘蹦出’结构，通常采用ASTM 630，AISI660，也可根据特殊工况要求采用特殊合金制作，如INCOLOY 800H；

G.  流道镜面处理，降低介质的附着率，也可进行流道表面喷涂，提高抗冲刷性能；

H.  带封闭环，有效阻止介质颗粒进入密封环节，保护阀座与阀体之间的密封环境。

图3.IGCC发电系统用300A-600LB电动球阀结构示意图

3).设计执行标准(附表1):

4).主要检查及检验方法:

A．操作和检查人员的资质:

①  检查员须有美国非破坏检查协会ASNT的二级资格证(PT,RT,MT,UT)或者其他同等资格。需要做PMI时，检查员必须熟知PMI机器的校正，操作方法等；

②  机械检查员必须熟知ASME的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ、Ⅸ部分以及ASME B31.1、31.3,NACE、API620/650，JPI压力容器检查规范。此外，还要精通AWS D1.1中检查和试验用器具的相关内容；

③  涂漆检查员须熟知使用的器具，检查和试验的步骤。检查员需要有NACE CIP，FROSIO，SSPC PCI，JIS相关资格。

B．零部件的检查:

①破坏性试验:包括机械性能，化学成分以及切断试验。

a.机械性能包括：屈服点，拉伸强度，伸长率(百分比)，红色区域(百分比)。同时为了便于管理, 做过强度试验的试件需要将其对应零件的炉号纪录并保存。屈服强度，拉伸强度，伸长率和断面收缩率均可通过简单计算得出结果。

b.化学成分：首先材质报告，包括阀体，阀盖，加长杆，球，阀杆，螺栓螺帽(表5)。除材质报告外，根据要求对球和阀杆作PMI分析。PMI试验进行材料分析时受温度影响会有所改变，保证分析出来的成分能够反应材料的准确性，需要保证环境温度不能超过25℃。

表5.材质报告式样

c.切断试验：在内表面及切断面剖面上作PT试验。

②．非破坏性检测: 第一步，一般检测：RT 和UT主要用于探测试件内部缺陷，MT和PT主要用于探测试件表面缺陷。第二步，高端检查，每台铸件均有对号热处理工艺记录跟踪，并通过有限元模拟测试，得出设计工况下的使用数据(图4)。

图4.阀体有限元分析示意图

③.阀球检测: 球的真圆度可达到0.005mm。日本畑中采用先进的球专用检测仪器同步进行水平竖直方向移动得出阀球表面数据，几次检测之后按照最小二乘法计算出阀球的公差。分别在XY，ZX面上得出阀球的真圆度，最后再和CAD图纸比较评价。按照对比出来的结果对球表面进行调整，直至达到规定公差范围之内(图5)。

测定用机器和软件：

◆三维测定机CRT-AC9168；        ◆通用测定软件GEOPAK；

◆自由区面评价软件CAT1000S；    ◆扫描测探仪SP25M/SH25-3；

◆数据处理装置MCOSMOS；         ◆轮廓形状测定软件SCANPAK；

◆探测针PH-10Q；                ◆测定芯φ5-L21mm

测定流程和结果：

a.纵20断面和横18断面扫描测定，1个断面约30秒(12mm/s)；

b.扫描数据得到的数据进行计算(最小二乘法)；

c.用扫描得到的数据进行XY断面和ZX断面的椭圆度评价；

d.用球的三维模型和扫描得到的数据对比进行评价；

 

图5.阀球检测流程图

三. 畑中特殊球阀在IGCC发电系统中的使用效果及经验总结:

1.现场使用情况:

使用于荷兰纽昂BUGGENUM煤气净化系统，3号，4号机组中使用的250A中口径切断球阀，在运行2年后的保养过程中反馈表明，阀门内部零件基本完好，阀球及密封圈磨损量较常规量小，可继续使用。上密封填料，O型圈磨损量正常，需要更换。同系统中50A小口径传热传递前段热调阀，由于启闭频繁，上密封填料磨损严重，需要更换，其他零部件经分析评定，可延续使用下一工作运转周期。

2.现场使用总结:

根据近期5年内日本畑中特殊球阀在IGCC发电系统中的使用情况来看，该系统对所使用的阀门，在性能及功能方面有以下要求:

A．性能稳定，能够持久安全运行；

B．气性密封可靠，保证一个运作周期内无泄漏；

C．适应性范围宽，在某些时候能满足多相流工况；

D．保养维修方便，减短维护保养时所需工期；

E．售后技术支持，能及时根据使用情况分析总结，改进结构性能。

四. IGCC发电系统今后的发展方向及对系统中阀门的进一步要求:

IGCC 发电技术将传统的燃煤发电方式带入了一个全新的领域，使高效率的燃气-蒸汽联合循环与煤炭的气化有机地结合起来，为燃气轮机的推广应用和传统燃煤电厂的改造提供了有效途径。利用IGCC 发电技术不仅可以适用于燃油、燃天然气机组的燃料替代，而且适用于传统蒸汽轮机电厂的更新改造，对于那些环保要求高，电源支撑作用强的大中型城市老电厂改造是很好的选择。

五．总结(用于IGCC发电系统阀门的理想功能):

IGCC 发电技术的发展是未来煤基能源系统的基础，应用前景广泛，市场潜力巨大，加快IGCC 发电技术的应用和推广具有远大意义。经过长期的设计经验总结及现场情况反映，今后IGCC发电系统对所使用阀门的理想功能需求如下:

①  门材质控制。阀材质的选择必须根据各条生产线的情况而定。因此，在阀

门设计和生产过程中，必须考虑阀门材质的耐高温性能、热膨胀系数、因膨胀产生的机械能等因素；

②阀门的定位与支撑。为了避免阀门在使用过程中受高温、粉尘的影响发生变形卡死现象，在阀门的定位与支撑上必须进行技术创新，才能解决这类问题。采用“日”字型定位可起到非常好的定位、支撑和保护作用；

③填料的密封控制。为了避免填料密封发生松紧不一致的情况，可对密封处进行精加工，提高表面光洁度，减少填料磨损。因此宜选用柔性石墨，保证填料的密封性、可靠性和长期性；

④阀门设计时注意阀门结构与机械强度。阀门受热变形和管道应力拉伸变形是大口径阀门存在的普遍问题，要注意阀体整体刚度，避免温度短时超过设计范围时出现阀体变形，以至难以修复。

 

附表1. HSV阀门常用设计规范及执行标准

最低防护等级	IP65
最低防爆等级	EXd Ⅱ AT1
仪表气源	通常0.6MPa; 最高0.8MPa
管线阀门标准	API6D
气体运输及配气管线系统	ASME B31.8
软密封和90°转向阀门的耐火试验	API607
炼油厂和石油化工厂用高温高压临氢作业用钢	API RP941
美国国家标准阀门结构长度	ANSI B16.10
工业阀门：阀门压力测试	ISO5208
阀体等材料	ASTM,ANSI,API,NACE,JIS
锅炉和压力容器规范	ASME Ⅴ,Ⅷ,Ⅸ
工艺管道	ASME B31.3
燃气输配管网系统	ASME B31.8
美国国家标准控制阀泄漏等级	ANSI B16.104/FC170-2
工业仪表模拟信号	ASTM F1030
爆炸性环境用防爆电气设备	ISA S50.1
仪表防护	GB4208-93.IEC529 BS EN60529 1992或NEMA ICS 6-83
旋转电机	IEC-60034
旋转电机的尺寸和连续输出功率	IEC-60072
爆炸环境用的装置的一般要求	EN50014
潜在爆炸环境用的电气装置，火焰防护外壳“d”	EN50018
美国国家标准管螺纹	ANSI B1.20.1
美国国家标准钢管法兰和法兰连接件	ANSI B16.5
美国国家标准钢制法兰连接和焊接端阀门	ANSI B16.34
大口径钢法兰	ASME B16.47
钢管法兰的环形垫圈和环形槽	ASME B16.20
软管螺纹	ANSI B1.20.1
美国石油协会阀门试验与检验标准	API598
阀门防火测试标准	API6FA
石油，石化及相关工业用钢制球阀规范	BS5351
阀门测试	BS6755
石油和天然气工业-在油气生产中由H2S环境的材料使用	NACE MR 0175/ISO 15156

 

附表1. HSV阀门常用设计规范及执行标准(续)

国际标准阀门执行机构和齿轮箱尺寸	ISO5211
对焊接头	ANSI B16.25
金属表面处理	SSPC SP10
法兰和阀门的压力温度等级	JPI 7S-65
阀门关键部件公差配合	HSV内部标准
阀门表记	JPI 7S-24

 

参考文献:

焦树建. IGCC的某些关键技术的发展与展望[J].动力工程.2006.4,26(2)

赵洁.国内外整体煤气化联合循环发电（IGCC）发展概况及我国建设条件分析

日本CCT work job. IGCC PLANT. 2006年1月

Maarten Berkhout. Towards 2^nd generation of IGCC plants,Nuon Magnum multi-fuel power plant. 2009年9月