國產機組旁路系統存在的問題及優化改造

李路江，楊海生，唐廣通

（河北省電力研究院，石家莊市，050021）

1 旁路系統概述

旁路系統是現代大型機組的重要附屬設備，其主要功能如下：機組冷態或熱態啟動初期，當鍋爐產生的蒸汽參數尚未達到汽輪機沖轉條件時，由旁路系統通流至凝汽器或排汽裝置，以回收工質和熱能；適應系統暖管和儲能的要求，特別是在熱態啟動時，鍋爐可在較大的燃燒率、較高的蒸發量下運行，加速提高汽溫，使之與汽輪機的金屬溫度匹配；鍋爐啟動或汽輪機甩負荷工況下，鍋爐新蒸汽經旁路系統進入再熱器，以確保再熱器不超溫，汽輪機短時故障，可實現停機不停爐運行；停機時，鍋爐產生的新蒸汽經旁路系統減溫、減壓后進入凝汽器，回收了工質；電網故障時，通過旁路系統的能量轉移，機組可帶廠用電負荷運行；當主蒸汽壓力或再熱蒸汽壓力超過規定值時，旁路閥迅速開啟進行減壓泄流，從而對機組實現超壓保護。

隨著電網峰谷差日益顯著，大機組要有較強的調峰能力，旁路系統的作用更為突出。提高旁路系統適應甩負荷的能力，不但可以縮短甩負荷后的并網時間，提高機組運行的安全性，而且對電網的安全穩定運行具有重要的意義。

目前國內大機組廣泛采用兩級串聯旁路系統，如圖1所示。

2 國產機組旁路系統存在的問題

國產旁路系統在控制系統功能上與國外機組基本相同，包括高、低壓旁路控制閥門執行機構在內，基本上是引進國外產品，但熱力系統的設計是全部獨立完成的。大部分國產大型機組旁路系統存在較多的設計問題，不能適應機組突甩負荷的要求。旁路系統只能滿足機組一般的啟停要求，不能起到對機組的保護作用。在進行機組甩負荷試驗前（帶負荷調試階段），必須做好充分的準備工作，并在甩負荷過程中及時準確操作，才能保障甩負荷試驗的順利完成。

國產機組配置的旁路系統設計存在的問題如下。

2.1 旁路蒸汽調整閥布置不合理

高壓旁路蒸汽調整閥距離再熱器冷段管路較長，低壓旁路蒸汽調整閥距離凝汽器管路較長，有些機組低壓旁路蒸汽調整閥距離凝汽器管路長度達到30 m以上，造成旁路系統暖管困難。如果暖管不充分，高、低壓旁路蒸汽調整閥突然開啟，會造成旁路系統管路強烈振動。一些機組甚至發生旁路管道振動導致管道斷裂，引發油系統著火，造成機組嚴重損壞的事故。

2.2 旁路系統不能實現熱備用

多數機組旁路系統沒有設計熱備用管路，有些機組雖然設計了熱備用管路，但由于熱備用管路布置不合理，造成大量高品質蒸汽浪費；正常運行過程中，熱備用管路閥門處于關閉狀態。由于高、低壓旁路暖管需要一定的時間，鍋爐點火至汽溫達到汽輪機沖轉條件時間較長，故從甩負荷到機組重新帶負荷時間較長，嚴重降低了機組負荷響應能力。這種設計使得高、低壓旁路系統只能用于機組啟動時提升汽輪機進汽參數，雖然有些機組高、低壓旁路系統閥門設計了快開功能，但其功能未能發揮。

機組正常運行過程中，高、低壓旁路管路的溫度很低，特別是低壓旁路蒸汽控制閥后管道太長，投運前后壓力、溫度變化較大。機組剛投入運行時，低壓旁路蒸汽管道溫度較低，再熱蒸汽進入后會急劇凝結，形成氣液兩相流，使管道劇烈振動。一般機組基建期內甩負荷試驗前需手動將高、低壓旁路蒸汽控制閥保持一定開度進行暖管，暖管結束方可進行試驗。在機組正常運行過程中突然甩負荷，由于機組無熱備用功能，高、低壓旁路均不能開啟，鍋爐泄壓只能靠安全門及電磁泄放閥動作，運行中正式邏輯為甩負荷后停機停爐。

機組運行過程中，只要實現高、低壓旁路系統管路熱備用，高、低壓旁路蒸汽調整閥可隨時開啟，機組甩負荷后通過高、低壓旁路系統及鍋爐燃油、給粉系統自動或保護控制，就完全可以將主蒸汽壓力、再熱蒸汽壓力及其他主要參數控制在正常范圍內，從而實現不停機、不停爐，大大縮短甩負荷后機組的并網時間。

2.3 旁路系統邏輯功能不完善

旁路系統邏輯功能不完善，不能實現啟動過程及機組甩負荷后的邏輯控制，旁路系統閥門僅作為一般調整門使用。

基建期機組甩負荷試驗前需臨時解除發電機跳閘聯跳汽輪機的保護，甩負荷后一般控制過程為：機組甩負荷口令發出后，快速將低壓旁路蒸汽控制閥打開，同時將高壓旁路蒸汽控制閥開至40%左右，然后根據主汽壓力變化情況進行控制，高、低壓旁路減溫水調整閥處于自動狀態。另外，由于機組甩負荷后，高、低壓旁路蒸汽調整閥突然開啟，造成凝汽器壓力升高；低壓缸排汽驟然減少，凝結水量減少，這些均會造成凝汽器熱井水位降低，故機組甩負荷試驗前需手動將凝汽器補水至較高水位。

2.4 噴水減溫系統存在的問題

有些機組旁路系統噴水減溫閥門及管路設計通流量不足，蒸汽調整閥開度較大時，減溫能力不足，造成高旁后蒸汽溫度易超出設計溫度，對凝汽器熱沖擊較大。

減溫水噴嘴直接對著調閥外殼壁，主蒸汽溫度達537℃，而減溫水溫度僅為165℃左右，未能充分霧化的水與蒸汽混合換熱效果差，引起混合后蒸汽溫度交替變化；另外，減溫水直接噴到外殼壁上易引起交變應力，易使噴嘴處焊縫金屬疲勞而產生裂紋，減溫水管安裝在環形噴管下端，環形噴管承受減溫水管的重力，且減溫水管支吊架設置不合理，管道在減溫水截止閥開啟時易產生振動，導致焊口開裂。

2.5 旁路系統閥門可靠性較差

有些機組選用旁路系統閥門可靠性較差，不少機組旁路系統由于閥門密封面的泄漏而使機組正常運行時過熱蒸汽或再熱蒸汽泄漏到閥后，閥后管道的長時間超溫運行會使管道材質發生蠕變，危及機組的安全運行。同時新蒸汽及再熱蒸汽等高品質蒸汽的泄漏直接影響機組的熱經濟性，而且低壓旁路減溫減壓閥的泄漏還會使排汽缸溫度升高，凝汽器的真空度降低，嚴重時會直接影響汽輪機組的正常運行。

2.6 高壓排汽泄放閥泄放能力不足

機組甩負荷后高壓缸溫度較高，轉子高速運轉時，鼓風產生的熱量較多，如果高壓排汽泄放閥所在管路管徑較細，不足以將鼓風產生的大量熱量帶走，汽輪機空負荷運行時，高壓缸排汽溫度會逐漸升高，如果不及時并網，汽輪機很可能會由于高壓排汽溫度高（高于420℃）而保護動作。為防止因高壓排汽溫度高而保護動作，機組甩負荷及汽輪機定速后，主蒸汽及再熱蒸汽在正常范圍內時，機組應盡快并網。并網前逐漸關閉高壓旁路蒸汽調整閥，低壓旁路蒸汽調整閥處于全開狀態；并網后快速關閉高壓旁路蒸汽調整閥，并增加機組升負荷速率，高壓排汽逆止門打開一定開度，高壓排汽溫度降低后，逐漸關閉低壓旁路，這樣可有效防止高壓排汽溫度高而保護動作。

3 旁路系統優化方案

針對國產旁路系統存在的問題，對系統進行了優化。優化后的旁路系統如圖2所示，該系統有如下特點。

3.1 改變旁路蒸汽調整閥的布置位置

高壓旁路蒸汽調整閥布置在盡量靠近冷段管路，低壓旁路蒸汽調整閥布置在靠近凝汽器的位置，減溫水閥門均布置在靠近相應的蒸汽調整閥的位置。高、低壓旁路蒸汽調整閥后管路很短，旁路系統投入前可以不用暖調整閥后管路，只要暖管至蒸汽調整閥前即可，這樣可以大大簡化高、低壓旁路的暖管系統。

3.2 增加高、低壓旁路熱備用管路

在高、低壓旁路蒸汽調整閥前增加了管徑較細的暖管管路，其中高壓旁路暖管管路引至高壓自動主汽門前，低壓旁路暖管管路引至中壓自動主汽門前，并在相應管路上加裝手動門。機組正常運行過程中，暖管管路手動門處于全開狀態。這樣既保證了機組運行時高、低壓旁路蒸汽調整閥前管道始終保持在較好的熱備用狀態，避免了蒸汽通過時對旁路系統管路的熱沖擊，同時高壓旁路暖管用主蒸汽在高壓缸做功，低壓旁路暖管用再熱蒸汽在中壓缸做功，高品質蒸汽沒有任何浪費，高、低壓旁路的暖管對機組經濟性沒有任何影響。如果高、低壓旁路減溫水管路較長，可在減溫水管路最高點增加自動排空氣系統。

3.3 增強旁路系統閥門的可靠性

要想使閥門的泄漏降到最低，應盡量提高爐側安裝及檢修工藝標準，以減少爐側金屬雜質顆粒的產生與留存，并嚴格控制旁路系統的吹管工藝。實踐證明，在減溫減壓閥內加裝濾網，能將從鍋爐沖過來的雜質顆粒進行過濾。目前，已有多臺機組的旁路蒸汽減溫減壓閥進行了加裝濾網的改進，未出現雜物損傷密封面而導致閥門泄漏的現象。

3.4 改進噴水減溫裝置

對于實際運行中證明減溫能力不足的旁路裝置，應通過改造旁路系統噴水減溫閥門及管路，適當增加旁路的減溫水通流量。

系統設計上，減溫水由下腔底部噴入，不與閥體直接接觸，噴在多孔的籠罩內，保護閥體并減少交變應力，使汽水混合充分；擴大高壓旁路閥出口管徑，使蒸汽擴容后與減溫水充分混合。

3.5 根據機組具體控制要求，實現旁路閥門的快開、快關功能

如機組設計或改造中需要實現停機不停爐或快速切負荷后帶廠用電運行的功能，則實現旁路閥門的快開及快關功能是必要的。

在旁路閥門的快開及快關功能實現上，建議采用液動或氣動執行機構，以縮短旁路的響應動作時間。

3.6 增加啟動及運行過程中自動控制功能

只要高、低壓旁路管路熱備用良好，機組運行時高、低壓旁路可處于自動狀態，當主蒸汽或再熱蒸汽壓力異常升高時，高、低壓旁路可及時投入運行，有效避免鍋爐安全門的動作。

一種比較成熟的旁路自動控制邏輯如下：鍋爐點火前，高壓旁路調整閥可預置1個較低開度，主汽壓力設定值為Pmin。當主汽壓力低于Pmin時，高旁調整閥開度保持不變（最小開度模式）。主汽壓力高于Pmin時，高旁調整閥開度隨之增大，維持主汽壓力不變，此時為最小壓力控制模式。一旦高壓旁路調整閥達到預置的開度時，則進入設定閥位狀態，此時閥位將維持在預置閥位開度或以上，從而控制主蒸汽壓力上升（壓力爬坡模式）。當主蒸汽壓力達到沖轉壓力開始沖轉后，高壓旁路維持主汽壓力不變，直至高壓旁路關閉。高壓旁路關閉后，旁路改為滑壓運行，根據啟動曲線決定高壓旁路控制壓力，當主蒸汽壓力達到額定壓力時，高壓旁路改為定壓運行，控制壓力為額定主汽壓力P0和一預設偏置值ΔP之和。低壓旁路在機組啟動中也可以采用類似控制。

需要指出的是，國產機組旁路系統實際上還存在有些機組的控制邏輯、數字電液調節系統程序設計與上述旁路自動控制功能不相匹配的情況。由于這些機組的中聯門不能參與調節，汽輪機旁路切除作為允許汽輪機掛閘的條件之一，此時裝設旁路只能起到汽輪機沖轉前提升汽溫、汽壓和提高鍋爐燃燒率的作用。對這類情況，如果要實現前述啟動及運行中的自動控制功能，必須對主機控制邏輯、數字電液調節系統程序設計進行相應的改造才能使旁路起到應有的作用。

3.7 優化機組甩負荷有關旁路系統邏輯

機組甩負荷后，低壓旁路噴水調整閥及蒸汽調整閥應保護打開，根據機組甩負荷后高壓旁路開度與主汽壓力變化情況，高壓旁路可快開至50%左右，噴水閥快開至100%，然后根據高壓旁路后面溫度的變化情況實現自動控制。為防止減溫水閥動作異常，高、低壓旁路蒸汽調整閥均應增加閥后溫度高保護。

3.8 旁路優化方案應用實例

河北南網邯峰電廠660MW機組旁路系統采用以上方案。該機組的調試和運行，以及甩負荷試驗（旁路保護投入）證明，這樣的系統設計可以避免旁路系統管道振動，使旁路系統運行良好，各種控制功能均能投入使用。

4 結論

汽輪機旁路系統存在的設計問題直接影響了旁路系統正常功能的發揮，使運行機組不能適應突甩負荷的需要。對旁路系統進行適當優化改造后，可使旁路系統得到更好的應用，縮短機組啟動時間及甩負荷后并網時間，從而最大程度提高機組運行的經濟性和安全性。

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