旁路容量选择对机组FCB功能的影响

朱军辉

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 510600）

1 机组对FCB的需求

某电厂位于越南南部地区，装机容量为2×600MW超临界机组，燃料为越南无烟煤，锅炉采用超临界W火焰锅炉，汽轮机为超临界一次中间再热、三缸四排汽、单轴、双背压、凝汽式。制粉系统是直吹式系统，设置6台双进双出钢球磨。

根据项目的要求，从设计阶段起就考虑机组要实现FCB功能，以实现停机不停炉、带厂用电运行（小岛运行）。FCB后，带厂用电运行（小岛运行）工况，汽轮机进汽量要维持6%额定负荷左右，此工况能满足电网短时故障而要快速恢复供电的需求；而停机不停炉时，汽轮机不再进汽，所有蒸汽要通过旁路系统，可实现减少锅炉启停次数，回收介质，节约燃料的效果。

2 旁路容量的方案

机组要实现FCB功能，主要由相关的机炉协调控制、燃烧器管理、给水流量管理、汽轮机超速控制、主蒸汽和再热热段蒸汽压力控制等来综合实现，而高、低压旁路系统在其中扮演了极其重要的角色，有必要对旁路系统容量的选择进行研究，以确定不同容量其对机组FCB功能实现的影响程度，为项目决策提供依据。

锅炉的最低稳燃负荷为40%额定负荷，考虑到FCB后可能出现停机不停炉的工况，则所有蒸汽均通过旁路系统。此时旁路系统容量不得小于40%额定负荷，而锅炉也不需要投油助燃，仅投用煤粉燃烧器即可，起到了节省运行费用、减小锅炉启停次数、回收汽水工质的效果。

由于低压旁路系统容量受制于凝汽器能接受低压旁路流量的大小和低压旁路后管道对凝汽器接口瞬态力的大小控制，低压旁路无法做到100%额定流量。

故本项目的旁路系统的容量主要考虑2个方案。方案1：配置45%额定工况的高、低压旁路系统；方案2：配置60%额定工况的高、低压旁路系统。2个方案中，高压旁路阀数量为1个，低压旁路阀数量为2个。

3 旁路容量和FCB功能的实现对比分析

方案的边界条件如下：

（1）锅炉燃用设计煤种，锅炉额定负荷下蒸发量为1 860t／h；磨煤机配置为6台，按5用1备考虑，每台磨煤机可对应20%额定负荷。FCB后第1、5、10s可分别退出一台磨煤机。

（2）锅炉煤粉燃烧器数量为24个，每台磨煤机对应4个煤粉燃烧器。

（3）每台机组配置2台50%容量汽动给水泵，1台50%容量的电动给水泵作为启动／备用给水泵。

（4）汽轮机主汽门和再热汽门的关闭速度为小于0.15s，延迟时间小于0.05s，即在0.2s即可以实现从全开到全关。

（5）锅炉上设置PCV阀和安全阀，其中PCV阀容量可根据不同旁路容量来进行选取，其开启时间小于0.1s。

（6）高、低压旁路阀采用气动阀，快开状态下从全关到全开的时间小于3s。

（7）在FCB后，机组的厂用电率约6%额定负荷。

根据上述边界条件，考虑到旁路容量已在锅炉最低稳燃负荷之上，后述分析考虑FCB后小岛运行的工况。

锅炉主蒸汽流量由于磨煤机在FCB后第1、5、10s分别退出1台，其主蒸汽流量相应变化为80%、60%、40%额定流量。

汽轮机进汽流量受主汽门在FCB后小于0.3s内关闭的条件，在0.3s即减少到6%额定流量。

旁路系统流量在FCB后3s达全开，分别达到45%额定流量（方案一）和60%额定流量（方案二）。

多余的蒸汽流量如表1所示。

表1 多余的蒸汽流量

从表1可以看出，方案一在FCB后第10s，旁路系统达到全开后，随着磨煤机退出至2用4备状态，锅炉负荷降至40%额定负荷，此时，锅炉产生的蒸汽可由蒸汽轮机和旁路系统来接纳，FCB后第10s前的多余蒸汽，由锅炉的PCV组合安全阀向空排放。

方案二在FCB后第5s，旁路系统达到全开后，随着磨煤机退出至3用3备状态，锅炉负荷降至60%额定负荷，此时，锅炉产生的蒸汽可由蒸汽轮机和旁路系统来接纳，FCB后第5s前的多余蒸汽，由锅炉的PCV组合安全阀向空排放。

方案一预计通过PCV组合安全阀向空排放蒸汽量为81t，相当于2.6min的锅炉蒸发量；方案二预计通过PCV组合安全阀向空排放蒸汽量为57t，相当于锅炉1.8min的锅炉额定蒸发量。方案一比方案二多排放蒸汽24t，相当于锅炉0.8min（48s）的锅炉额定蒸发量。

4 不同旁路容量的配套对比分析

不同的旁路容量，除排放蒸汽量有所不同外，还带来旁路阀、旁路阀后管道尺寸和重量、PCV阀等不同。

按PCV组合旁路系统总容量为75%额定流量时，安全阀可以不动作考虑。方案一的PCV为30%额定流量，一般配置6个5%额定流量的PCV。方案二的PCV为15%额定流量，考虑过热器出口管道的对称性，一般配置4个5%额定流量的PCV。

旁路阀和配套管道如表2所示。

表2 旁路阀和配套管道

另外，需要考虑低压旁路后管道的安全性问题，在多个国内火电厂项目中均有所反馈，低压旁路出口管道至凝汽器喉部三级减温减压器的接口处发生拉裂现象，其主要原因是低压旁路阀开启后，管道瞬时位移较大，会对管道支吊架系统和凝汽器接口产生较大的推力，在工程实践中，针对管道位置较大，采取了多设置刚性支架或吊架的应对措施；针对接口拉裂，要求凝汽器厂家进行局部加强的应对措施。而旁路容量越大，其瞬态工况越不利，容量相对较小的旁路容量其管道安全性相对高一些。

5 问题及建议

45%额定流量和60%额定流量的旁路系统，均需要通过PCV组合安全阀来排出多余的蒸汽，大容量的旁路系统在工质回收上可以多回收约24t蒸汽，由于除氧器水箱容量为5min，两者均可满足向锅炉供水的要求，并无实质区别。

大容量的旁路系统，其旁路系统初投资高，但PCV初投资低，但由于旁路系统比PCV初投资要高，初投资约增加150万元（每台机组）。

小容量的旁路系统，其旁路后管道中流量相对小，管道运行产生的位移和推力相对小，管道安全性相对高。

对于机组的FCB，无论是FCB后带厂用电运行（小岛运行）工况，或停机不停炉工况，45%额定流量旁路系统组合30%的PCV或60%额定流量旁路系统组合15%的PCV均可实现稳定主蒸汽压力、排出多余蒸汽和回收工质的功能，综合考虑初投资、管道运行安全、回收工质能力等因素，45%额定流量旁路系统组合30%的PCV是一个不错的选择。

由于国外没有将安全阀起跳算作运行事故的规定，按ASME标准，PCV按10%（2台5%）额定流量设置即可，在此条件下，45%额定流量的旁路系统组合10%PCV 的经济性更佳。