国产机组旁路系统存在的问题及优化改造

2010-08-09李路江杨海生唐广通

电力建设 2010年7期

李路江，杨海生，唐广通

（河北省电力研究院，石家庄市，050021）

1 旁路系统概述

旁路系统是现代大型机组的重要附属设备，其主要功能如下：机组冷态或热态启动初期，当锅炉产生的蒸汽参数尚未达到汽轮机冲转条件时，由旁路系统通流至凝汽器或排汽装置，以回收工质和热能；适应系统暖管和储能的要求，特别是在热态启动时，锅炉可在较大的燃烧率、较高的蒸发量下运行，加速提高汽温，使之与汽轮机的金属温度匹配；锅炉启动或汽轮机甩负荷工况下，锅炉新蒸汽经旁路系统进入再热器，以确保再热器不超温，汽轮机短时故障，可实现停机不停炉运行；停机时，锅炉产生的新蒸汽经旁路系统减温、减压后进入凝汽器，回收了工质；电网故障时，通过旁路系统的能量转移，机组可带厂用电负荷运行；当主蒸汽压力或再热蒸汽压力超过规定值时，旁路阀迅速开启进行减压泄流，从而对机组实现超压保护。

随着电网峰谷差日益显著，大机组要有较强的调峰能力，旁路系统的作用更为突出。提高旁路系统适应甩负荷的能力，不但可以缩短甩负荷后的并网时间，提高机组运行的安全性，而且对电网的安全稳定运行具有重要的意义。

目前国内大机组广泛采用两级串联旁路系统，如图1所示。

2 国产机组旁路系统存在的问题

国产旁路系统在控制系统功能上与国外机组基本相同，包括高、低压旁路控制阀门执行机构在内，基本上是引进国外产品，但热力系统的设计是全部独立完成的。大部分国产大型机组旁路系统存在较多的设计问题，不能适应机组突甩负荷的要求。旁路系统只能满足机组一般的启停要求，不能起到对机组的保护作用。在进行机组甩负荷试验前（带负荷调试阶段），必须做好充分的准备工作，并在甩负荷过程中及时准确操作，才能保障甩负荷试验的顺利完成。

国产机组配置的旁路系统设计存在的问题如下。

2.1 旁路蒸汽调整阀布置不合理

高压旁路蒸汽调整阀距离再热器冷段管路较长，低压旁路蒸汽调整阀距离凝汽器管路较长，有些机组低压旁路蒸汽调整阀距离凝汽器管路长度达到30 m以上，造成旁路系统暖管困难。如果暖管不充分，高、低压旁路蒸汽调整阀突然开启，会造成旁路系统管路强烈振动。一些机组甚至发生旁路管道振动导致管道断裂，引发油系统着火，造成机组严重损坏的事故。

2.2 旁路系统不能实现热备用

多数机组旁路系统没有设计热备用管路，有些机组虽然设计了热备用管路，但由于热备用管路布置不合理，造成大量高品质蒸汽浪费；正常运行过程中，热备用管路阀门处于关闭状态。由于高、低压旁路暖管需要一定的时间，锅炉点火至汽温达到汽轮机冲转条件时间较长，故从甩负荷到机组重新带负荷时间较长，严重降低了机组负荷响应能力。这种设计使得高、低压旁路系统只能用于机组启动时提升汽轮机进汽参数，虽然有些机组高、低压旁路系统阀门设计了快开功能，但其功能未能发挥。

机组正常运行过程中，高、低压旁路管路的温度很低，特别是低压旁路蒸汽控制阀后管道太长，投运前后压力、温度变化较大。机组刚投入运行时，低压旁路蒸汽管道温度较低，再热蒸汽进入后会急剧凝结，形成气液两相流，使管道剧烈振动。一般机组基建期内甩负荷试验前需手动将高、低压旁路蒸汽控制阀保持一定开度进行暖管，暖管结束方可进行试验。在机组正常运行过程中突然甩负荷，由于机组无热备用功能，高、低压旁路均不能开启，锅炉泄压只能靠安全门及电磁泄放阀动作，运行中正式逻辑为甩负荷后停机停炉。

机组运行过程中，只要实现高、低压旁路系统管路热备用，高、低压旁路蒸汽调整阀可随时开启，机组甩负荷后通过高、低压旁路系统及锅炉燃油、给粉系统自动或保护控制，就完全可以将主蒸汽压力、再热蒸汽压力及其他主要参数控制在正常范围内，从而实现不停机、不停炉，大大缩短甩负荷后机组的并网时间。

2.3 旁路系统逻辑功能不完善

旁路系统逻辑功能不完善，不能实现启动过程及机组甩负荷后的逻辑控制，旁路系统阀门仅作为一般调整门使用。

基建期机组甩负荷试验前需临时解除发电机跳闸联跳汽轮机的保护，甩负荷后一般控制过程为：机组甩负荷口令发出后，快速将低压旁路蒸汽控制阀打开，同时将高压旁路蒸汽控制阀开至40%左右，然后根据主汽压力变化情况进行控制，高、低压旁路减温水调整阀处于自动状态。另外，由于机组甩负荷后，高、低压旁路蒸汽调整阀突然开启，造成凝汽器压力升高；低压缸排汽骤然减少，凝结水量减少，这些均会造成凝汽器热井水位降低，故机组甩负荷试验前需手动将凝汽器补水至较高水位。

2.4 喷水减温系统存在的问题

有些机组旁路系统喷水减温阀门及管路设计通流量不足，蒸汽调整阀开度较大时，减温能力不足，造成高旁后蒸汽温度易超出设计温度，对凝汽器热冲击较大。

减温水喷嘴直接对着调阀外壳壁，主蒸汽温度达537℃，而减温水温度仅为165℃左右，未能充分雾化的水与蒸汽混合换热效果差，引起混合后蒸汽温度交替变化；另外，减温水直接喷到外壳壁上易引起交变应力，易使喷嘴处焊缝金属疲劳而产生裂纹，减温水管安装在环形喷管下端，环形喷管承受减温水管的重力，且减温水管支吊架设置不合理，管道在减温水截止阀开启时易产生振动，导致焊口开裂。

2.5 旁路系统阀门可靠性较差

有些机组选用旁路系统阀门可靠性较差，不少机组旁路系统由于阀门密封面的泄漏而使机组正常运行时过热蒸汽或再热蒸汽泄漏到阀后，阀后管道的长时间超温运行会使管道材质发生蠕变，危及机组的安全运行。同时新蒸汽及再热蒸汽等高品质蒸汽的泄漏直接影响机组的热经济性，而且低压旁路减温减压阀的泄漏还会使排汽缸温度升高，凝汽器的真空度降低，严重时会直接影响汽轮机组的正常运行。

2.6 高压排汽泄放阀泄放能力不足

机组甩负荷后高压缸温度较高，转子高速运转时，鼓风产生的热量较多，如果高压排汽泄放阀所在管路管径较细，不足以将鼓风产生的大量热量带走，汽轮机空负荷运行时，高压缸排汽温度会逐渐升高，如果不及时并网，汽轮机很可能会由于高压排汽温度高（高于420℃）而保护动作。为防止因高压排汽温度高而保护动作，机组甩负荷及汽轮机定速后，主蒸汽及再热蒸汽在正常范围内时，机组应尽快并网。并网前逐渐关闭高压旁路蒸汽调整阀，低压旁路蒸汽调整阀处于全开状态；并网后快速关闭高压旁路蒸汽调整阀，并增加机组升负荷速率，高压排汽逆止门打开一定开度，高压排汽温度降低后，逐渐关闭低压旁路，这样可有效防止高压排汽温度高而保护动作。

3 旁路系统优化方案

针对国产旁路系统存在的问题，对系统进行了优化。优化后的旁路系统如图2所示，该系统有如下特点。

3.1 改变旁路蒸汽调整阀的布置位置

高压旁路蒸汽调整阀布置在尽量靠近冷段管路，低压旁路蒸汽调整阀布置在靠近凝汽器的位置，减温水阀门均布置在靠近相应的蒸汽调整阀的位置。高、低压旁路蒸汽调整阀后管路很短，旁路系统投入前可以不用暖调整阀后管路，只要暖管至蒸汽调整阀前即可，这样可以大大简化高、低压旁路的暖管系统。

3.2 增加高、低压旁路热备用管路

在高、低压旁路蒸汽调整阀前增加了管径较细的暖管管路，其中高压旁路暖管管路引至高压自动主汽门前，低压旁路暖管管路引至中压自动主汽门前，并在相应管路上加装手动门。机组正常运行过程中，暖管管路手动门处于全开状态。这样既保证了机组运行时高、低压旁路蒸汽调整阀前管道始终保持在较好的热备用状态，避免了蒸汽通过时对旁路系统管路的热冲击，同时高压旁路暖管用主蒸汽在高压缸做功，低压旁路暖管用再热蒸汽在中压缸做功，高品质蒸汽没有任何浪费，高、低压旁路的暖管对机组经济性没有任何影响。如果高、低压旁路减温水管路较长，可在减温水管路最高点增加自动排空气系统。

3.3 增强旁路系统阀门的可靠性

要想使阀门的泄漏降到最低，应尽量提高炉侧安装及检修工艺标准，以减少炉侧金属杂质颗粒的产生与留存，并严格控制旁路系统的吹管工艺。实践证明，在减温减压阀内加装滤网，能将从锅炉冲过来的杂质颗粒进行过滤。目前，已有多台机组的旁路蒸汽减温减压阀进行了加装滤网的改进，未出现杂物损伤密封面而导致阀门泄漏的现象。

3.4 改进喷水减温装置

对于实际运行中证明减温能力不足的旁路装置，应通过改造旁路系统喷水减温阀门及管路，适当增加旁路的减温水通流量。

系统设计上，减温水由下腔底部喷入，不与阀体直接接触，喷在多孔的笼罩内，保护阀体并减少交变应力，使汽水混合充分；扩大高压旁路阀出口管径，使蒸汽扩容后与减温水充分混合。

3.5 根据机组具体控制要求，实现旁路阀门的快开、快关功能

如机组设计或改造中需要实现停机不停炉或快速切负荷后带厂用电运行的功能，则实现旁路阀门的快开及快关功能是必要的。

在旁路阀门的快开及快关功能实现上，建议采用液动或气动执行机构，以缩短旁路的响应动作时间。

3.6 增加启动及运行过程中自动控制功能

只要高、低压旁路管路热备用良好，机组运行时高、低压旁路可处于自动状态，当主蒸汽或再热蒸汽压力异常升高时，高、低压旁路可及时投入运行，有效避免锅炉安全门的动作。

一种比较成熟的旁路自动控制逻辑如下：锅炉点火前，高压旁路调整阀可预置1个较低开度，主汽压力设定值为Pmin。当主汽压力低于Pmin时，高旁调整阀开度保持不变（最小开度模式）。主汽压力高于Pmin时，高旁调整阀开度随之增大，维持主汽压力不变，此时为最小压力控制模式。一旦高压旁路调整阀达到预置的开度时，则进入设定阀位状态，此时阀位将维持在预置阀位开度或以上，从而控制主蒸汽压力上升（压力爬坡模式）。当主蒸汽压力达到冲转压力开始冲转后，高压旁路维持主汽压力不变，直至高压旁路关闭。高压旁路关闭后，旁路改为滑压运行，根据启动曲线决定高压旁路控制压力，当主蒸汽压力达到额定压力时，高压旁路改为定压运行，控制压力为额定主汽压力P0和一预设偏置值ΔP之和。低压旁路在机组启动中也可以采用类似控制。

需要指出的是，国产机组旁路系统实际上还存在有些机组的控制逻辑、数字电液调节系统程序设计与上述旁路自动控制功能不相匹配的情况。由于这些机组的中联门不能参与调节，汽轮机旁路切除作为允许汽轮机挂闸的条件之一，此时装设旁路只能起到汽轮机冲转前提升汽温、汽压和提高锅炉燃烧率的作用。对这类情况，如果要实现前述启动及运行中的自动控制功能，必须对主机控制逻辑、数字电液调节系统程序设计进行相应的改造才能使旁路起到应有的作用。