江苏阚山电厂的旁路系统改造及应用

杨栩沣，李 琴

（1.江苏阚山发电有限公司生产技术部；2.江苏阚山发电有限公司设备维修部，江苏 徐州221134）

0 前言

电厂汽轮机旁路系统是单元制大型火力发电机组热力系统的重要辅助系统，它可将锅炉产生的蒸汽部分或全部不经过汽轮机而引到低一些的压力和温度的蒸汽管道或凝汽器中。旁路系统主要用于解决锅炉和汽机用汽量之间的不匹配等问题，以保障机组的安全稳定运行，并改善机组启停和接带负荷的特性［1－2］。鉴于此，众多研究人员针对旁路系统开展了大量研究，其中杨冬等［3－5］针对不同类型汽轮机组的旁路设计和容量参数的选择进行了详细论述，对不同的旁路运行方式进行了说明。

1 旁路系统的组成及作用

1.1 旁路系统的组成

电厂汽轮机旁路系统的型式、容量和控制水平与汽机及锅炉的型式、结构、性能及电网对机组运行方式都密切相关。为保证机组安全经济运行，每台汽轮机都设有旁路系统，就目前大容量机组而言，通常由高压旁路和低压旁路组成，如图1所示。每个旁路分别由旁路阀、控制系统、执行机构和旁路蒸汽管道构成。

图1 电厂汽轮机旁路系统示意图

1.2 旁路系统的主要作用

旁路系统的主要作用体现在以下几方面：

（1）在机组启动时，可通过高低压旁路系统将不符合参数要求的蒸汽排入凝汽器，并对过热器和再热器系统进行预热，保护再热器不干烧和超温；同时可调整主蒸汽、再热蒸汽参数，协调蒸汽压力、温度与汽机金属温度的匹配，保证汽轮机各种工况下的启动要求，以缩短机组启动时间和减少工质损失。

（2）在机组运行时，可协调机炉间不平衡蒸汽量。利用旁路系统在变负荷瞬时排掉过剩的蒸汽，使机组能适应频繁起停和快速升降负荷，并将机组承压部件的热应力控制在合适的范围内，同时锅炉可维持在最低负荷下稳定运行，实现停机不停炉的运行方式。

（3）在机组突然甩负荷（全部或部分负荷）时，可实现旁路系统快开，回收工质至凝汽器，保证锅炉运行的稳定性，减少甚至避免安全门动作。

（4）旁路系统还具有暖管、清洗、减少汽阀和叶片侵蚀等作用。

2 江苏阚山发电厂旁路系统存在的问题分析

2.1 阚山发电厂旁路系统简介

江苏阚山发电厂一期工程共装备了2台容量为600MW的超超临界燃煤发电机组，其中汽轮机为引进技术制造的一次中间再热、单轴、2缸2排汽凝汽式汽轮机。汽轮机主汽门前额定参数为25MPa／600℃，再热蒸汽门前额定参数为：4.3MPa／600℃，汽轮机排汽压为5.1kPa。由于本电厂机组主要承担电网的基荷发电任务，发电机组能保证较高的运行负荷率，故汽轮机配置了仅用于机组启动的一级大旁路（气动），旁路容量为35%BMCR（锅炉最大连续蒸发量）。根据设计要求，此旁路系统不具备机组甩负荷的保护功能，旁路系统的流程如图2所示。

在图2中，旁路系统是由旁路调节门、旁路管道、减温减压系统、管道疏水组成。本机组旁路系统中，旁路调节阀则是最重要的部件之一，其型号为VLB－72BTC，由CCI公司生产提供，主要技术参数见表1。

图2 阚山电厂汽轮机旁路的系统流程图

表1 汽轮机旁路阀的技术参数

2.2 现有旁路系统存在的问题

江苏阚山发电有限公司现有的2台机组旁路系统于2007年10月和2008年1月正式投入使用，经过长期的运行后出现了内漏等情况，使得未做功的新蒸汽直接流入凝汽器中，从而造成了机组的经济性下降。

2.3 问题分析

根据参考文献［6－7］所述，由于旁路系统中的旁路阀长期工作在高温高压条件下，极易出现蠕变和热疲劳等问题，对阀门和旁路系统的正常工作产生不利影响，所以林鹏等［6］采用有限元分析方法对某330MW汽轮机的旁路阀门进行模拟分析，研究了阀门阀体的温度场和应力场，并得出不同工况下温度场及其对应的应力场的变化规律；陈宇等［7］也对旁路系统中的阀门选用及后期检测进行了详细说明。因此，本作者认为，我厂现有旁路系统存在的问题的原因可能是旁路阀泄漏故障。

设备检修时，经过对旁路阀门解体发现，旁路阀在运行后密封面损伤严重，出现较大面积的冲刷凹坑，证明判断是正确的。受损的阀芯和阀座分别如图3～4所示。

图3 受冲刷后的旁路阀阀芯

图4 受冲刷后的旁路阀阀座

旁路阀受损如此严重，主要原因是长期在高温高压环境下工作，随时可能会发生蠕变、热疲劳、过热氧化、渗碳、腐蚀等现象，导致材料性能缩减较快。旁路阀在工作中除承受工质的高压作用外，同时由于工况的变化和喷水降温的作用，较短时间内因温度剧烈变化所引起的热冲击和热载荷影响也较大。作为汽轮机旁路的一级大旁路，主蒸汽经旁路阀直接减温减压后排入凝汽器，阀门前后压差非常大。在机组正常运行中，旁路阀前蒸汽参数即为主蒸汽参数，达到25MPa／600℃，因此旁路阀在调节过程中极易被吹损。而且，一旦阀门的阀座出现少量泄漏，阀门密封受损面在高温高压蒸汽的吹扫下也会迅速扩大，导致阀门泄漏量的逐步增加，对机组的安全性和经济性均产生了较大影响。

由于旁路阀后的管道为碳钢管道，且直接与凝汽器连接，为避免阀后温度过高，运行中的阀后减温水会间断自动投入。因旁路阀受损，减温水调节阀的开度保持在2%～5%之间，大量的高品质蒸汽未完成预定的做功流程，使得机组的出力和经济性大幅下降。通过一定的参数测量，并借助式（1）和式（2），计算得出旁路系统的高温蒸汽泄漏量达到了7t／h。

式中：Dl、Dw、DR分别为旁路漏汽量、减温水流量和减温减压后的工质流量，t／h；h1、hw、hR分别为泄漏蒸汽焓、减温水焓和减温减压后的工质焓，kJ／kg。

3 解决方案

3.1 常规方案

旁路阀在运行中多次出现上述受损情况，一般仅采用简单修复或者整体更换的应对措施。

对于阀门密封面损伤较轻的情况，常用的解决方案主要是联系阀门制造厂对阀门密封面的研磨处理。但经过多次修复后，阀门密封面中的硬质合金将减少甚至全部磨损，造成阀门无法使用，正常运行中阀门仍会存在泄漏等故障。

对于阀门密封面损伤严重的情况，无法利用研磨进行妥善处理，也无修复的价值，需要对阀芯和阀座进行整体更换。但由于阀门空间内十分狭小，阀座是焊接在阀体上，需使用专用车床来完成阀座切割工作，更换后阀座后还需要焊接、研磨等工作，工作量较大，耗费的时间也较长。同时，旁路系统的管道材质为F92，不允许进行多次焊接和热处理，这也在很大程度上限制了阀芯阀座的整体更换次数。在多次对旁路阀进行解体检修和更换阀芯后，发现检修效果维持的时间仍不长，机组投运一个星期后均会发生泄漏。

本电厂也提出了对旁路阀内部构件进行改造的解决方法，但生产厂家未能提供合适的改造方案，同时也不能够保证在改造后阀门不发生泄露，因此该方案未加以实施。

总体而言，现有的常规处理方法不能够及时且有效地处置旁路阀受损等情况，严重影响了机组的正常生产过程。因未能够彻底地解决阀门长期且极易受损的既定事实，不仅增加了机组的设备检修和运行维护成本，同时也影响到了机组的安全可靠性。

3.2 解决方案的提出及效果

3.2.1 解决方案的提出

针对旁路阀所存在的问题和现有处理方法的不足，应该将解决思路转向旁路系统流程的改进等方面。

阚山发电厂旁路系统设计是35%BMCR的启动旁路，旁路阀具备快开快关功能，但是机组正常运行时仅使用了阀门的快关功能，在锅炉超压时，旁路阀不参与主蒸汽的调压作用。不难看出，旁路阀的作用仅体现在机组的启停机阶段，因此可以通过在阀前增设缓冲装置来阻止高温高压蒸汽与旁路阀的直接接触，以改善旁路阀的工作环境，从而降低旁路阀的故障率。

基于以上改进思路，在旁路阀前设置一套隔离阀门（隔离阀），在机组正常运行时，关闭隔离阀，以保证旁路系统有效隔绝，从而改善旁路阀的工作环境。在机组的启动和停机阶段，当指令要求开启旁路阀时，隔离阀先于旁路阀开启；当指令关闭旁路阀时，隔离阀在旁路阀之后关闭，这样可以保证旁路阀的功能正常实现。通过合理的阀门控制系统调整，可以保证旁路阀的正常功能不受影响。

3.2.2 解决方案的实施及效果

通过对旁路系统现场管道的布置形式和增加阀门后支吊架受力情况进行细致分析，最后确定在汽轮机旁路阀前的母管上增加一只隔离阀。增加隔离阀后的旁路系统如图5所示。

阚山发电厂已有的2台机组旁路系统均按照上述方案进行了改造，目前两台机组旁路系统在未投入减温水情况下，旁路阀后温度维持在38℃左右。在机组满负荷运行时，也对旁路隔离阀和旁路阀进行了开关试验，阀门开关灵活，能够保证旁路系统的安全运行。这提高了机组的运行安全可靠性程度。

因很好地避免旁路阀密封面受损，主蒸汽漏量减少了约7t／h，由此可增加的机组发电出力ΔP可按式（3）进行计算，由此机组的热耗率Δq和发电煤耗率Δb等经济性指标降低量可由式（4）和式（5）得出。

式中：h0为排汽焓；h′0为饱和凝结水焓，kJ／kg；B为机组的燃煤消耗量，kg／s。

经计算，减少7t／h主蒸汽的泄露量，机组的热耗率可降低29.3kJ／kW·h，减少煤耗0.36%，约1g／kW·h，若机组的年运行小时按照5 500h进行计算，每台机组的年节煤量将达到3 128.4t左右。仅降低煤耗这一项，即可带来非常可观的经济效益，同时也将降低各类污染物的排放量。

4 结语

旁路阀作为流体调节控制设备，是汽轮机旁路系统的重要组分部分。根据阚山发电厂的运行经验，旁路阀在投产不久均发生密封面磨损和蒸汽泄漏等故障，严重影响了机组的运行经济性，也威胁到机组的安全稳定运行。

常用对密封面进行研磨或整体更换阀芯阀座等处理方式并不能对该问题进行彻底解决。对此，提出了一种在旁路阀前增设隔离阀的流程改进措施，改善了旁路阀的工作环境，避免了高温高压蒸汽对旁路产生直接冲击，降低了旁路阀的故障率。根据改进后的设备检测，旁路阀能保持良好的运行状态，能改善机组启停特性。同时通过降低因旁路阀受损所造成的蒸汽泄漏，可提高机组的热效率，机组的发电煤耗能降低约1g／kW·h，带来可观的经济效益和环境效益。

［1］冯伟忠.大机组实现快速甩负荷的现实性和技术分析［J］.动力工程，2008，28（4）：532－536.

［2］殷俊.600MW机组汽轮机旁路系统设置的研究［J］.汽轮机技术，2001，43（5）：287－289.

［3］杨冬，陈听宽，侯书海，等.汽轮机旁路系统的设计与运行［J］.中国电力，1998，31（7）：14－17.

［4］彭领新.汽轮机旁路系统设计［J］.电力建设，2000（7）：21－25.

［5］罗海华，黄文，吴金星，等.国内超超临界百万千瓦等级机组汽轮机旁路系统选型［J］.热力发电，2009，38（9）：11－16.

［6］林鹏，张瑞峰，虞亚辉，等.汽轮机旁路阀门阀体温度场和应力场分析［J］.热能动力工程，2011，26（2）：147－151.

［7］陈宇.汽轮机旁路系统与阀门选用［J］.阀门，2009，（3）：36－39.