670MW機組汽機旁路系統選型設計

摘要：汽機旁路系統的選型既要考慮機組運行的安全性，又要兼顧設備投資的影響。華能煙臺八角電廠2×670MW超超臨界機組的汽輪機采用高、中壓缸聯合啟動方式，通過對鍋爐啟動曲線進行分析和計算，得到不同啟動工況下旁路系統的通流量要求，確定高壓旁路閥為40%BMCR容量，低壓旁路閥也為40%BMCR容量，旁路系統主要用于改善機組的啟動特性，不考慮FCB功能。

關鍵詞：旁路系統 ; 高中壓缸聯合啟動; 汽輪機

0 引言

煙臺八角電廠2臺670MW機組采用上海汽輪機廠引進西門子技術生產的600MW級超超臨界參數、一次中間再熱、抽汽凝汽式汽輪機，型號C670-28/600/620。鍋爐為上海鍋爐廠自主研發的超超臨界參數、全懸吊結構、π形鍋爐。文章分析了高、中壓缸聯合啟動方式下汽機旁路容量的計算過程以及與高壓缸或中壓缸啟動方式下旁路容量計算的異同，為其他機組旁路容量的選型提供參考。

1 旁路系統

旁路系統是指把鍋爐產生的蒸汽部分或全部繞過汽輪機，通過減溫、減壓等設備排入凝汽器的系統。主要用于協調鍋爐出口蒸汽流量和汽輪機用汽量之間的不平衡，改進機組的啟動特性，從而提高機組運行的安全性和靈活性。綜合各種旁路系統，主要作用有：在機組啟動階段協調鍋爐和汽輪機配汽，回收工質，降低噪音，適應機組滑參數啟動，自動調壓、調溫，加快啟動速度;

調峰運行時，協調鍋爐和汽輪機控制系統，調節鍋爐主蒸汽壓力，當蒸汽超壓、超溫時起保護作用;

機組快速降負荷時，旁路負荷瞬變過程的過剩蒸汽，保持鍋爐不投油穩定燃燒，一旦故障排除可迅速恢復負荷;

發生故障時，維持連續的蒸汽流動，使鍋爐受熱面包括再熱器得到足夠的冷卻，避免干燒。

綜上所述，旁路系統主要有啟動、溢流和安全三大功能，此外還有回收工質、暖管、清洗和減少固體顆粒侵蝕等能力[1]。這些功能的設計成為影響旁路系統選型和確定旁路容量大小的關鍵。

1.1 旁路系統分類

1）一級旁路系統

一級旁路系統是把從過熱器出來的蒸汽經減溫減壓后直接排入凝汽器，旁路容量為35%BMCR左右。系統簡單，投資少、操作也方便?？蓾M足機組啟停過程中回收工質并加快啟動速度的要求，多用于鍋爐再熱器材質較好，不需要特殊保護的機組。

2） 高、低壓兩級串聯旁路

由高壓旁路和低壓旁路串聯組成，容量一般為30%～45%BMCR。主要功能：在機組啟動階段使蒸汽溫度和金屬溫度快速匹配，縮短啟動時間，回收工質;使蒸汽中的固體小顆粒通過旁路進入凝汽器，避免對汽輪機通流部件的侵蝕;保護鍋爐再熱器，防止再熱器干燒。這種旁路系統可滿足機組各種運行工況要求，適應性強，在國內使用較多。

3） 三級旁路

由一級大旁路和高、低壓兩級串聯旁路并聯組成。一級大旁路主要用于鍋爐低負荷時維持機組穩定運行，高、低壓兩級旁路的作用是調節機組啟停階段進入汽輪機的蒸汽參數和蒸汽流量。系統兼有一級旁路和兩級串聯旁路的優點，適應性強，運行靈活，能滿足各種運行工況的要求。缺點是系統過于復雜，鋼材消耗量太大，投資也大，現在基本上已不再采用。

4）三用閥旁路

該系統的特點是高壓旁路閥兼有“啟動、溢流、安全”三種功能，故稱三用閥。能實現自動壓力跟隨和超壓保護，省去了鍋爐過熱器安全閥，通過調節汽壓和流量可適應機組不同工況的滑參數啟停和運行。機組甩負荷后，可以帶廠用電運行，待故障排除可迅速帶負荷，既減少了機組啟停的次數，同時還減輕了對汽輪機的熱沖擊。系統也是一種二級旁路，容量配置較大，一般推薦采用100%BMCR容量的汽機高壓旁路及65%～80%BMCR容量的低壓旁路[2]。該系統缺點是控制復雜，設備價格較高，維修工作量大。在我國的進口機組中，采用西歐直流爐的機組均采用了三用閥系統，如元寶山電廠二期626.9MW機組、石洞口二廠2×600MW機組等[4]。

5） 無旁路系統

該系統不設汽輪機旁路，僅設容量較小的疏水小旁路，滿足機組在各種工況下的啟動要求，主要用于承擔電網基本負荷的大型再熱機組。主機及部分輔機設備的設計和運行須采取一定措施以保證啟動過程的安全性。機組啟動時借助5%容量的鍋爐啟動疏水旁路加速升溫升壓[2]，但不能保護再熱器，而且通流能力有限，限制了鍋爐升溫升壓的速率、啟動時間較長。它具有系統簡單、費用低、運行操作簡便等特點，曾一度在美國廣為采用，國內300MW等級亞臨界機組中有較多應用。

1.2 旁路系統的選型

旁路的選型與機組在電網中所承擔負荷的性質有關，與鍋爐、汽輪機等主機設備的特點也有關。本工程2臺機組主要承擔基本負荷，啟停次數少，沖轉參數低、蒸汽流量小，對旁路容量的要求較低。這種情況下停機不停爐沒有太大優勢，而且考慮到我國電網容量大，電網安全性較高等特點，不需要考慮停機不停爐和帶廠用電運行等功能。

汽輪機廠推薦采用高、中壓缸聯合啟動，鍋爐再熱器不允許干燒，這些要求決定了不能采用一級大旁路。三級旁路系統由于控制復雜，設備投資高也不適用。從技術和經濟性方面綜合考慮，推薦采用高低壓兩級串聯旁路。

2 旁路容量的確定

2.1 旁路容量的定義

旁路容量是指在額定參數下旁路系統的通流能力，機組停機時間不同，對旁路系統的通流要求也不一樣。冷態或溫態啟動時蒸汽流量小、溫度低、比容小，對旁路系統的通流要求小。熱態或極熱態啟動時蒸汽流量大、溫度高、比容大，要求旁路系統有更大通流能力。確定旁路系統容量就是要計算機組在啟動過程中旁路系統的最大通流要求。

對于旁路容量的定義，國內外存在稍許差異，但對于高壓旁路容量的定義則幾乎相同。對高、低壓旁路容量的定義通常采用通流質量流量百分數的方法來表示[5]，即：

式中 是高壓或整體旁路的容量（%）， 是指額定參數下通過高壓或整體旁路系統的最大流量（t/h），D是指鍋爐最大連續蒸發量（t/h）。

式中 指低壓旁路的容量（%）， 是指額定參數下通低壓旁路系統的最大流量（t/h），? 指高壓旁路中通過D蒸汽量時所需的減溫水量（t/h）。

2.2 旁路容量的確定

旁路容量的確定首先依據鍋爐的啟動曲線，鍋爐最低穩燃負荷，其次還要依據電廠對旁路功能的定位和要求。如果要求機組帶廠用電運行，旁路容量一般不低于60%BMCR;如果要求旁路系統代替鍋爐過熱器出口安全閥，對應的的旁路容量一般取100%BMCR[3]。本工程旁路系統僅用于改善機組啟動特性，旁路容量只需滿足各啟動工況的參數要求，這對于簡化系統和節省工程造價都有好處。

對于采用中壓缸啟動方式的機組，在中壓缸啟動沖轉前，高、中壓主汽門都處于關閉狀態，所有蒸汽須通過高旁閥到鍋爐再熱系統，然后再通過低壓旁路閥進入凝汽器。高壓旁路閥出口的蒸汽流量與中壓缸進汽量的差值就是經低壓旁路閥排入凝汽器的流量。汽輪機沖轉后，通過低壓旁路系統的蒸汽流量迅速衰減。因此低壓旁路系統的最大流量一般出現在汽輪機沖轉的那一瞬間。中壓缸進汽以后，隨著汽機負荷的增加，通過高壓旁路的流量也在增加，在高壓缸進汽的一瞬間，也就是在 “切缸點”，流過高壓旁路系統的蒸汽流量達到最大值，隨后高壓旁路閥逐漸退出運行。

對于采用高壓缸或高、中壓缸聯合方式啟動的機組，旁路系統的分析有所不同。在汽輪機沖轉前，高壓和中壓主汽門都處于關閉狀態，從鍋爐來的過熱蒸汽必須通過旁路系統建立循環。鍋爐過熱器出口的蒸汽全部通過高壓旁路閥進入再熱系統，然后由低壓旁路進入凝汽器。當汽輪機滿足沖轉條件開始進汽以后，通過旁路系統的流量會迅速減少，尤其對于高壓缸啟動的機組，汽輪機開始進汽后，旁路就逐漸退出運行。因此，通過高壓旁路閥的最大流量一般出現在汽輪機沖轉的時刻，低壓旁路閥的流量在同一時間也達到最大，數值等于高壓旁路閥入口流量加高旁減溫水量。

2.2.1 高壓旁路容量的確定

汽輪機主汽門入口額定蒸汽壓力P=28MPa，溫度T=600℃，中壓聯合汽閥入口蒸汽溫度T=620℃。根據汽輪機廠提供的熱平衡圖，主汽、再熱熱段蒸汽在最大連續出力（TMCR）工況下的參數如表1所示。

圖1為汽輪機極熱態工況的啟動曲線，圖2是鍋爐廠根據汽輪機啟動要求擬合的機組啟動曲線。由圖2可以看出鍋爐點火60分鐘后汽輪機開始沖轉，隨后5分鐘汽機開始并網帶負荷，此時鍋爐提供的蒸汽壓力P=12MPa，溫度T=580℃，流量為15%TMCR（約298.65t/h），需全部通過高壓旁路系統，流經鍋爐再熱器后在通過低旁系統排入汽機凝汽器。汽輪機沖轉后，雖然主蒸汽流量不斷增加，但汽輪機開始進汽，旁路系統逐漸關閉。因此，旁路系統的最大流量出現在機組沖轉的時刻，為298.65t/h。

將極熱態工況下通過高壓旁路系統的最大流量298.65t/h按式（1）折算到額定參數下的數值，再除以鍋爐最大連續蒸發量（見式（2）），就得到本工況下高壓旁路系統需要的容量大小。

式中：P、 和Dp1分別表示額定參數下主汽門入口的壓力、比容和通過高壓旁路系統的蒸汽流量;P1、 1和D1則表示啟動工況下高壓旁路閥入口的壓力、比容及通過高壓旁路系統的蒸汽流量。

同理，可計算出冷態、溫態和熱態工況下高壓旁路系統的通流量，計算結果如表2所示。綜合表2中各工況的計算結果，將高壓旁路容量定為40%BMCR，既能滿足各工況的啟動要求，還有利于簡化系統，降低工程造價。

2.2.2低壓旁路容量確定

由圖2可見，汽輪機沖轉后，流經高壓旁路閥的蒸汽流量達到最大，為15%TMCR。因為同時中壓缸開始進汽，此時低壓旁路閥入口流量也達到最大值，為高旁閥入口流量加上高旁減溫水量，約350.05t/h，其中高旁減溫水為51.40t/h。再熱器出口的蒸汽壓力為2.3MPa，溫度是560℃。將低壓旁路最大流量350.05t/h折算為額定參數下的通流量，見式（3），再除以額定參數下的鍋爐蒸發量和旁路容量為100%時高旁減溫水量之和就得到極熱態工況下低壓旁路閥的容量，見式（4）。.

上式中P、 和Dp2分別表示額定參數下中聯門入口的蒸汽壓力、比容和通過低壓旁路系統的流量;P2、 2和D2則表示啟動工況下中聯門入口的蒸汽壓力、比容及高壓旁閥出口的蒸汽流量。DTMCR和Djw則分別表示額定參數下的鍋爐蒸發量和額定參數下高壓旁路容量為100%時的噴水量。其他工況旁路容量的計算結果如下表3所示。

由表3可見，極熱態工況下低壓旁路系統需要的通流量最大，為753.78t/h，此時低旁閥的計算容量為33.53%。凝汽器需要接收約469t/h的蒸汽（0.8MPa，180℃），在凝汽器可接受的低旁排汽量范圍。因此將低壓旁路容量定為40%，采用雙閥（每個閥門容量20%），滿足工程實際需要。

3. 結語

旁路系統按高、低壓兩級串聯旁路設計，其中高壓旁路閥容量為40%BMCR，低壓旁路閥容量也取40%BMCR。旁路系統僅在機組啟動時使用，不考慮FCB功能。自2018年底第一臺機組投產以來，兩臺機組經歷多次啟停過程，旁路系統運行良好，表明旁路系統的設計是合理的。

參考文獻：

[1] 曹澤勝. 汽機旁路系統分析[J]卷宗，2017， （27）

[2] 程磊，喬不業，王大勇. 百萬千瓦級核電站汽機旁路閥控制閥的選型設計[C]中國電機工程學會第九屆青年學術會議， 2006

[3] 李會飛. 超臨界機組并網和切缸過程中汽機、旁路、給水控制策略[C]2016清潔高效燃煤發電技術交流研討會， 2016

[4] 李續軍. 國產化600MW超臨界機組旁路系統的配置和容量選擇[C]第四屆全國火力發電技術學術年會， 2003： 914-918

[5] 宋漢武， 陳德昌， 柏采章. 火力發電設備技術手冊[M]北京：機械工業出版社，1998

作者簡介：

溫振慶，男，主要從事火力發電廠熱機專業的生產和設備管理工作

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