汽機旁路系統分析

曹澤勝

摘 要：本文分析了汽機旁路系統，介紹了改善機組啟動特性及汽機沖轉過程中調節和溫度蒸汽參數，停機不停爐，帶廠用電等功能。

關鍵詞：汽機；旁路；蒸汽

機組在低負荷工況時，對鍋爐而言其最小允許負荷一般為額定蒸發量的30%～50%，負荷再低將導致鍋爐燃燒不穩定，水循環被破壞，導致滅火等問題；汽機空載運行時，進汽量僅需額定值的5%～8%，當汽機由于某種需要進行低負荷或空載運行時，為使鍋爐不滅火，以待再啟動，就必須設法處理鍋爐的過剩蒸汽；啟動工況時，需要回收鍋爐多余蒸汽， 避免對空排汽造成工質損失；另外有的再熱器布置在煙道中煙溫較高的區域，要求有一定流量的蒸汽冷卻，所以機組啟動、空載和低負荷運行時，要解決再熱器的超溫保護問題。為了解決上述問題，在中間再熱式機組中設置了旁路系統。旁路系統的設置給單元機組帶來了靈活性，進一步提高了機組安全經濟運行的可靠性，提高了大機組在電網中的地位。

1 改善機組啟動特性及汽機沖轉過程中調節和穩定蒸汽參數

汽輪機啟動時，汽缸內壁直接與高溫蒸汽接觸，蒸汽溫度上升較快，由于汽缸壁較厚，傳熱到外壁需經較長時間，汽缸內、外壁容易出現較大的溫差。當汽機冷態啟動時，汽缸壁溫較低，而鍋爐來的過熱蒸汽溫度很高，導致鍋爐蒸汽溫度與汽機汽缸金屬溫度不協調，容易引起汽輪機汽缸及其他部件熱應力過大，減少機組使用壽命。故在機組啟動期間，除監視汽缸內、外壁溫差外，還必須控制好金屬溫度的升降速度，才能保證汽缸的安全。一般來講，機組在啟動過程中，升負荷率由汽輪機進汽調節閥控制，而鍋爐蒸汽溫度與汽機汽缸金屬溫度不協調則由鍋爐的特性決定，機組啟動時間的長短取決于鍋爐達到汽輪機沖轉要求的過熱蒸汽參數和再熱蒸汽參數的時間，而鍋爐升溫、升壓速度取決于鍋爐啟動疏水和疏汽系統，通過調整這些系統中的閥門來協調鍋爐蒸汽的溫度、壓力和流量。汽機旁路系統正是為達到此目的而設計的，它可提高鍋爐升溫、升壓速度，使鍋爐蒸汽參數（溫度、壓力和流量）維持在合適的水平，以滿足汽輪機冷、熱態啟動所需的條件，匹配協調鍋爐蒸汽溫度與汽輪機金屬溫度，縮短機組啟動時間，防止汽輪機主要部件產生熱應力。

從熱應力現象看，汽機旁路系統在機組熱態啟動時使用是最有效的，冷態啟動時收效比較小，下面針對汽機旁路系統在各種啟動狀態時的應用作詳細比較。

（1）極熱態啟動。即機組甩負荷1 h后再啟動，此時汽輪機部件的金屬溫度約480℃。汽機旁路系統投入，使鍋爐繼續運行，并急速穩定鍋爐蒸汽參數在某一適合汽機快速再啟動所需的水平（一般極熱態啟動要求的主蒸汽參數為額定參數，再熱蒸汽溫度比額定溫度低10～40℃），可使汽輪機在不受熱應力限制，在最短時間內再啟動。極熱狀態使用旁路系統的最大優點是不必停爐，汽機可快速啟動，機組啟動時間特別短而無損汽輪機循環壽命。

（2）熱態啟動。即機組停機6～10 h后再啟動，此時汽輪機金屬溫度約400～450℃。汽機旁路系統投入， 協調鍋爐蒸汽溫度與汽輪機金屬溫度相匹配， 鍋爐可單獨帶較高負荷運行， 汽輪機在幾分鐘內快速進汽、升速和帶負荷。熱態啟動使用旁路系統的優點是可使汽輪機在較短的時間內得到最合適的蒸汽條件（一般此時汽機要求的主蒸汽溫度為410～480℃，再熱蒸汽溫度為370～450℃），機組啟動時問短。

（3）溫態（半熱態）啟動。即機組停機30～60 h后再啟動，此時汽機金屬溫度約為230～315℃。汽機旁路系統投入，使鍋爐蒸汽流量增加，快速協調鍋爐蒸汽溫度、壓力和流量達到汽機沖轉參數（溫態啟動要求的主蒸汽溫度為370～410℃，再熱蒸汽溫度為290～370℃），可相對縮短機組啟動時間，較熱態啟動收效差些。

（4）冷態啟動。即機組長時間停機（大于60 h）后再啟動，此時汽輪機金屬溫度小于230℃。汽機旁路系統用于機組啟動前使鍋爐汽溫、汽壓快速升高至汽機沖轉參數，在機組沖轉、升速過程中協調穩定汽機進汽參數，可縮短整機啟動時問，較熱態啟動收效相對較大。

綜上所述，汽機旁路系統對機組啟動有很大收益，但旁路系統需有停機不停爐的功能。

另外，還可以從以下觀點分析。

（5）高壓缸啟動方式

高壓缸啟動的機組，一般汽機沖轉進汽由高壓調節汽門控制，中壓主汽門和中壓調節汽門處于全開狀態，不參與調節。這種啟動方式的機組不允許帶旁路系統進行汽機沖轉，即旁路系統必須在汽機沖轉前退出運行，否則可能會有大量高參數蒸汽進入中壓缸，造成汽機轉速無法控制，甚至造成飛車。其主要原因是汽機沖轉時，中壓調節汽門不參與調節，無法控制進入中壓缸的汽量。這種啟動方式的機組，旁路系統只能實現提高鍋爐升溫、升壓速度及改善鍋爐燃燒率，無法實現調節和穩定主蒸汽和再熱蒸汽參數功能，換句話說，旁路系統不能與汽輪機并聯運行。以前我國引進型300 MW機組正是采用這種啟動方式，這種機組的汽機旁路系統設置要慎重考慮，應以實用、可靠、投資少為原則，適當簡化控制系統功能，選擇簡單易操作的旁路閥執行機構，控制方式以遠方手操為主。著該型機組配套鍋爐設有啟動蒸汽旁路系統（如CE鍋爐的5%啟動疏水旁路），用于提高鍋爐升溫，升壓速度和改善鍋爐燃燒率，起到與汽機旁路系統相同的作用，這種機爐配套的機組可不設汽機旁路系統。僅此一項可節約工程投資約500萬元人民幣。對高壓缸啟動，中壓調節汽門參與調節的機組（如高、中壓缸聯合啟動）不存在上述情況，旁路系統可實現改善機組啟動特性及汽機沖轉過程中調節和穩定蒸汽參數功能。

（6）中壓缸啟動方式

中壓缸啟動的機組是配置汽機旁路系統較理想的機組，理論上它能實現旁路系統所能具有的各種功能，可實現改善機組啟動特性及汽機沖轉過程中調節和穩定蒸汽參數功能。在機組啟動過程中，高壓主汽門和調節汽門全關，由中壓調節汽門控制汽機進汽量和轉速。汽機旁路系統可與汽機并聯運行，調節和穩定汽機進汽參數。

2 停機不停爐功能

汽機旁路系統的設置使因電氣故障，機組甩負荷，鍋爐單獨運行成為可能。當系統電氣故障，發電機開關跳閘，汽機主汽門關閉時，旁路系統投入，使鍋爐能維持在某一穩定負荷運行而不必停爐，這一穩定負荷取決于旁路系統的容量。另外，在整機啟動過程中，往往由于輔助設備出現故障，迫使鍋爐熄火停爐，使正常的啟動過程被延誤。這種情況下，汽機旁路系統的作用會明顯發揮，此時使用旁路系統而不必停爐，待故障消除后，可迅速使汽機進行沖轉，帶負荷，大大縮短機組總啟

動時問，回收工質，保護再熱器。調峰機組夜間停機后，投入旁路系統，鍋爐穩定在不投油最低穩燃負荷運行，汽輪機可在最短時間內再啟動。汽機旁路系統停機不停爐功能的實現取決于其容量的大小，若旁路系統容量足夠，鍋爐燃煤煤源穩定，燃煤發熱量變化較小，鍋爐不投油最低穩燃負荷穩定，機組經常擔當調峰任務，逐日啟停次數多，則汽機旁路系統停機不停爐功能能發揮相當大的作用，可大大縮短機組啟動時間。停機不停爐功能在極熱態啟動時最有效。

3 帶廠用電功能

電網發生故障，旁路系統投入，鍋爐維持不投油最低穩定負荷，機組帶廠用電運行。汽機旁路系統帶廠用電功能，只要旁路系統的容量和系統配置能滿足即可實現。這種功能需以龐大的旁路容量、完善的控制系統及昂貴的投資為代價。必須說明，帶廠用電運行工況是機組最惡劣的一種工況，對汽輪機損傷極其嚴重，使汽機循環壽命大大降低。另外，帶廠用電功能能否實現，它不僅取決于汽機旁路系統本身的設計，還取決于鍋爐和輔助設備的可控性，電廠控制和保護系統的可靠性以及汽輪機的適應性。電網內可有選擇性地確定少數機組具備帶廠用電功能，這樣既可節約投資，又可保證電網的安全運行。endprint