實例探討電廠汽輪機旁路系統方案對比分析

吳嚇華

摘要：本文主要結合實例，對電廠汽輪機系統中選擇何種旁路系統能滿足既經濟、又實用的要求。通過對三種啟動方式的對比分析，選擇出經濟可行的方案。

關鍵詞：電廠概況;汽輪機;旁路系統;分析

一、工程概況

本工程規劃建設規模為：電廠規劃裝機2×660MW+2×1000MW等級超超臨界燃煤發電機組。本期工程建設規模為：電廠安裝2×660MW等級超超臨界燃煤發電機組，同步安裝建設煙氣脫硫脫硝裝置。

該工程選用超超臨界、單軸、三缸四排汽或四缸四排汽或其它滿足主要參數要求的凝汽式汽輪機。凝汽器為雙殼體，雙背壓，材質采用不銹鋼。鍋爐為超超臨界壓力、變壓運行燃煤直流鍋爐，采用單爐膛、兀型或塔式露天布置，平衡通風，前、后墻對沖或四角切向燃燒方式，固態排渣，全鋼架懸吊結構，采用正壓冷一次風機中速磨直吹式制粉系統。

二、旁路系統簡介

所謂旁路系統，是指讓從鍋爐來的過熱蒸汽全部或部分繞過汽輪機，通過減溫減壓后接至汽機汽缸出口，將汽機旁通的蒸汽系統。汽機旁路系統主要功能有：

（1）對大容量超超臨界壓力機組，影響運行靈活性的一項重要因素是汽溫變化時鍋爐、汽輪機和管道等厚壁部件中的熱應力問題，尤以鍋爐在啟動及低負荷工況下適應變化的靈活性較差。采用旁路系統可以平衡鍋爐產汽量和汽機用汽量之間的差值。在機組甩負荷時，將剩余蒸汽通過旁路系統旁通，使鍋爐瞬變過渡工況運行穩定，從而改善啟動和帶負荷特性，減少機組壽命消耗，提高運行安全性和經濟性。

（2）超超臨界鍋爐啟停，特別是遇到干燒情況時，很容易形成大量四氧化三鐵硬粒，對汽輪機的噴嘴和葉片等處產生硬粒侵蝕，簡稱SPE。采用汽機旁路系統可以使汽輪機與鍋爐的汽壓汽溫在啟動和負荷變化過程中達到各自的最佳值，提高超臨界機組運行的靈活性，同時減少固體顆粒對汽輪機內部件的沖蝕，增加運行安全性，降低更換高壓噴嘴及葉片的維修費用。

三、本工程旁路系統選型

本投標工程為超超臨界660MW機組，鍋爐為直流爐，為克服SPE現象，必須配置旁路系統。

（一）旁路型式

本工程旁路可在以下三種方案中選擇，最終經過綜合經濟比較確定：

方案一高低壓兩級串聯旁路系統

方案二一級高壓大旁路系統

方案三三用閥系統

（二）旁路容量分析

經過了解，各鍋爐廠660MW超超臨界鍋爐的最低直流負荷均可做到30%BMCR，綜合考慮后按30%BMCR進行后續計算。

本工程鍋爐啟動系統帶有再循環泵，采用等離子點火，最低穩燃負荷35%BMCR。以下按三種方案分別進行容量選擇計算。為防止旁路閥體積過大，低旁均按每臺機組兩只配置，對一級大旁路，高壓旁路閥按每臺機組兩只配置。本工程主汽參數按招標書要求為26.25MPa/600℃。

1.方案一高低壓兩級串聯旁路

機組采用高中壓缸聯合啟動，設置高低壓兩級串聯旁路。旁路可與機組并列運行。

本工程最小直流負荷為30%BMCR，最低穩燃負荷為35%BMCR。根據前面機組特性的分析，欲實現熱態、極熱態啟動，則高旁通流能力至少應滿足在沖轉參數下30%BMCR的質量流量。

2.方案二高壓一級大旁路

機組采用高壓缸啟動，配置高壓一級大旁路。此時，對西門子機，無法實現熱態、極熱態啟動，需待汽機冷卻至一定溫度后再啟動。除防止SPE外，大旁路主要是在冷態、溫態啟動時起加速暖爐、暖管的作用。從性價比考慮，旁路容量應取下述兩個流量的大值，一是沖轉參數對應的最小蒸汽流量，一是加快暖爐、暖管速度的最佳流量。經初步了解，約為200t/h。最終數值待與主機廠家配合確定。

3.方案三三用閥旁路系統

三用閥系統使機組可具備停機不停爐、FCB等功能，此時低旁的設計容量非常關鍵。低旁的設計容量越大，對機組實現FCB功能越為有利，但對凝汽器、凝泵及低旁出口管、低旁的減溫消能裝置等的容量要求越高，結合國內外采用三用閥系統的電廠的配置情況看，低旁的設計容量至少50%BMCR。另一方面，低旁減溫水用量大，凝泵供除氧器的水量大幅減少，在甩負荷后的過渡過程中，有出現除氧器水箱低水位的危險。增加低旁的設計容量，可減少上述工質不平衡量，但低旁噴水量更大，需更大的凝汽器、凝泵及補水泵等。為減少投資，本方案低旁設計容量仍取55%BMCR，即2×27.5%BMCR。

四、綜合對比分析

（一）從機組運行可靠性、靈活性看，方案三最佳

方案三的特點是啟動速度快，且為機組具備停機不停爐能力提供可能，但各方面代價大，針對本工程情況不推薦采用：對超超臨界機組，SPE是不可忽視的問題，只要停爐就不可能完全避免氧化皮脫落現象，旁路可提高蒸汽品質，但不可能完全避免沖轉蒸汽挾帶雜質。防止SPE的最佳辦法是盡量避免鍋爐停爐，不出現冷熱交變，停機不停爐的功能對超超臨界機組尤為重要。停機不停爐、FCB帶廠用電等功能使機組具有快速響應性，但FCB是機組最惡劣的一種運行工況，壽命損耗大，在突甩負荷后帶廠用電汽機轉子的第一級溫度瞬時下降幅度很大.造成瞬時應力峰值，容易造成轉子出現初始裂紋。突然甩負荷后，汽機轉子轉速將飛升，雖然控制系統會迅速關閉調門，不至于導致危急遮斷器動作，但此時全廠輔機的電負荷及頻率也將在一定時段內不斷震蕩，對主機及全廠輔機的安全運行帶來嚴峻考驗，甚至會導致MFT動作，失去了帶廠用電運行的意義。

本工程2×660MW超超臨界參數機組電廠將來在電力系統中主要承擔基本負荷并具有調峰功能，機組啟停次數越少越好。因此，停機不停爐或帶廠用電運行的功能主要是在事故工況發揮作用，出現概率低，而欲實現停機不停爐或帶廠用電運行，旁路投資很大。從簡單實用的角度考慮，不推薦機組FCB帶廠用電功能。

（二）從投資經濟性看，方案=最佳

本工程兩臺機組，方案二比方案一共節省旁路投資約410萬元，比方案三節省投資約1140萬元。但方案二限制了機組的啟動速度。對東方的機組或哈爾濱的機組，能實現熱態、極熱態工況高壓缸啟動，與高中壓缸聯合啟動比，啟動時間的增加沒有上汽的西門子機顯著，在用電形勢不緊張的前提下可考慮選擇方案二。

方案一的投資介于方案二、三之間，其啟動時間比方案二短，具有較好的性價比。對上汽西門子汽機，推薦采用方案一的旁路系統。

五、結論

1.對國產超超臨界660MW機組，可實現高壓缸啟動，高中壓缸聯合啟動和中壓缸啟動。對高壓缸啟動可配置簡化的電動高壓一級大旁路，對高中壓缸聯合啟動或中壓缸啟動可配置液動高低壓兩級串聯旁路，也可采用三用閥系統。無論何種旁路配置均能滿足機組安全起停及運行的要求。

2.旁路的型式及容量不同直接影響機組的啟動時間，機組啟動時間縮短增加發電的經濟效益非常可觀。采用高低壓兩級串聯旁路時，欲獲得理想的啟動時間，旁路的容量需足夠大，投資較大。采用一級大旁路時，直流鍋爐的負荷特性使得機組的啟動時間較長，對上汽西門子汽機，配置一級高壓大旁路，受限于無法實現熱態、極熱態工況啟動，需待汽缸冷卻至一定溫度后啟動，對機組運行的靈活性有較大的影響。