实例探讨电厂汽轮机旁路系统方案对比分析

吴吓华

摘要：本文主要结合实例，对电厂汽轮机系统中选择何种旁路系统能满足既经济、又实用的要求。通过对三种启动方式的对比分析，选择出经济可行的方案。

关键词：电厂概况;汽轮机;旁路系统;分析

一、工程概况

本工程规划建设规模为：电厂规划装机2×660MW+2×1000MW等级超超临界燃煤发电机组。本期工程建设规模为：电厂安装2×660MW等级超超临界燃煤发电机组，同步安装建设烟气脱硫脱硝装置。

该工程选用超超临界、单轴、三缸四排汽或四缸四排汽或其它满足主要参数要求的凝汽式汽轮机。凝汽器为双壳体，双背压，材质采用不锈钢。锅炉为超超临界压力、变压运行燃煤直流锅炉，采用单炉膛、兀型或塔式露天布置，平衡通风，前、后墙对冲或四角切向燃烧方式，固态排渣，全钢架悬吊结构，采用正压冷一次风机中速磨直吹式制粉系统。

二、旁路系统简介

所谓旁路系统，是指让从锅炉来的过热蒸汽全部或部分绕过汽轮机，通过减温减压后接至汽机汽缸出口，將汽机旁通的蒸汽系统。汽机旁路系统主要功能有：

（1）对大容量超超临界压力机组，影响运行灵活性的一项重要因素是汽温变化时锅炉、汽轮机和管道等厚壁部件中的热应力问题，尤以锅炉在启动及低负荷工况下适应变化的灵活性较差。采用旁路系统可以平衡锅炉产汽量和汽机用汽量之间的差值。在机组甩负荷时，将剩余蒸汽通过旁路系统旁通，使锅炉瞬变过渡工况运行稳定，从而改善启动和带负荷特性，减少机组寿命消耗，提高运行安全性和经济性。

（2）超超临界锅炉启停，特别是遇到干烧情况时，很容易形成大量四氧化三铁硬粒，对汽轮机的喷嘴和叶片等处产生硬粒侵蚀，简称SPE。采用汽机旁路系统可以使汽轮机与锅炉的汽压汽温在启动和负荷变化过程中达到各自的最佳值，提高超临界机组运行的灵活性，同时减少固体颗粒对汽轮机内部件的冲蚀，增加运行安全性，降低更换高压喷嘴及叶片的维修费用。

三、本工程旁路系统选型

本投标工程为超超临界660MW机组，锅炉为直流炉，为克服SPE现象，必须配置旁路系统。

（一）旁路型式

本工程旁路可在以下三种方案中选择，最终经过综合经济比较确定：

方案一高低压两级串联旁路系统

方案二一级高压大旁路系统

方案三三用阀系统

（二）旁路容量分析

经过了解，各锅炉厂660MW超超临界锅炉的最低直流负荷均可做到30%BMCR，综合考虑后按30%BMCR进行后续计算。

本工程锅炉启动系统带有再循环泵，采用等离子点火，最低稳燃负荷35%BMCR。以下按三种方案分别进行容量选择计算。为防止旁路阀体积过大，低旁均按每台机组两只配置，对一级大旁路，高压旁路阀按每台机组两只配置。本工程主汽参数按招标书要求为26.25MPa/600℃。

1.方案一高低压两级串联旁路

机组采用高中压缸联合启动，设置高低压两级串联旁路。旁路可与机组并列运行。

本工程最小直流负荷为30%BMCR，最低稳燃负荷为35%BMCR。根据前面机组特性的分析，欲实现热态、极热态启动，则高旁通流能力至少应满足在冲转参数下30%BMCR的质量流量。

2.方案二高压一级大旁路

机组采用高压缸启动，配置高压一级大旁路。此时，对西门子机，无法实现热态、极热态启动，需待汽机冷却至一定温度后再启动。除防止SPE外，大旁路主要是在冷态、温态启动时起加速暖炉、暖管的作用。从性价比考虑，旁路容量应取下述两个流量的大值，一是冲转参数对应的最小蒸汽流量，一是加快暖炉、暖管速度的最佳流量。经初步了解，约为200t/h。最终数值待与主机厂家配合确定。

3.方案三三用阀旁路系统

三用阀系统使机组可具备停机不停炉、FCB等功能，此时低旁的设计容量非常关键。低旁的设计容量越大，对机组实现FCB功能越为有利，但对凝汽器、凝泵及低旁出口管、低旁的减温消能装置等的容量要求越高，结合国内外采用三用阀系统的电厂的配置情况看，低旁的设计容量至少50%BMCR。另一方面，低旁减温水用量大，凝泵供除氧器的水量大幅减少，在甩负荷后的过渡过程中，有出现除氧器水箱低水位的危险。增加低旁的设计容量，可减少上述工质不平衡量，但低旁喷水量更大，需更大的凝汽器、凝泵及补水泵等。为减少投资，本方案低旁设计容量仍取55%BMCR，即2×27.5%BMCR。

四、综合对比分析

（一）从机组运行可靠性、灵活性看，方案三最佳

方案三的特点是启动速度快，且为机组具备停机不停炉能力提供可能，但各方面代价大，针对本工程情况不推荐采用：对超超临界机组，SPE是不可忽视的问题，只要停炉就不可能完全避免氧化皮脱落现象，旁路可提高蒸汽品质，但不可能完全避免冲转蒸汽挟带杂质。防止SPE的最佳办法是尽量避免锅炉停炉，不出现冷热交变，停机不停炉的功能对超超临界机组尤为重要。停机不停炉、FCB带厂用电等功能使机组具有快速响应性，但FCB是机组最恶劣的一种运行工况，寿命损耗大，在突甩负荷后带厂用电汽机转子的第一级温度瞬时下降幅度很大.造成瞬时应力峰值，容易造成转子出现初始裂纹。突然甩负荷后，汽机转子转速将飞升，虽然控制系统会迅速关闭调门，不至于导致危急遮断器动作，但此时全厂辅机的电负荷及频率也将在一定时段内不断震荡，对主机及全厂辅机的安全运行带来严峻考验，甚至会导致MFT动作，失去了带厂用电运行的意义。

本工程2×660MW超超临界参数机组电厂将来在电力系统中主要承担基本负荷并具有调峰功能，机组启停次数越少越好。因此，停机不停炉或带厂用电运行的功能主要是在事故工况发挥作用，出现概率低，而欲实现停机不停炉或带厂用电运行，旁路投资很大。从简单实用的角度考虑，不推荐机组FCB带厂用电功能。

（二）从投资经济性看，方案=最佳

本工程两台机组，方案二比方案一共节省旁路投资约410万元，比方案三节省投资约1140万元。但方案二限制了机组的启动速度。对东方的机组或哈尔滨的机组，能实现热态、极热态工况高压缸启动，与高中压缸联合启动比，启动时间的增加没有上汽的西门子机显著，在用电形势不紧张的前提下可考虑选择方案二。

方案一的投资介于方案二、三之间，其启动时间比方案二短，具有较好的性价比。对上汽西门子汽机，推荐采用方案一的旁路系统。

五、结论

1.对国产超超临界660MW机组，可实现高压缸启动，高中压缸联合启动和中压缸启动。对高压缸启动可配置简化的电动高压一级大旁路，对高中压缸联合启动或中压缸启动可配置液动高低压两级串联旁路，也可采用三用阀系统。无论何种旁路配置均能满足机组安全起停及运行的要求。

2.旁路的型式及容量不同直接影响机组的启动时间，机组启动时间缩短增加发电的经济效益非常可观。采用高低压两级串联旁路时，欲获得理想的启动时间，旁路的容量需足够大，投资较大。采用一级大旁路时，直流锅炉的负荷特性使得机组的启动时间较长，对上汽西门子汽机，配置一级高压大旁路，受限于无法实现热态、极热态工况启动，需待汽缸冷却至一定温度后启动，对机组运行的灵活性有较大的影响。