1 000 MW 超超临界二次再热燃煤机组汽机旁路选型优化

王桂峰

（浙江省能源集团有限公司，浙江 杭州 310007）

燃煤发电在中国能源结构中一直占有重要地位。随着近年来国家提出“碳达峰，碳中和”的战略目标，可再生能源得到蓬勃发展，燃煤发电的市场份额逐渐降低。燃煤发电在中国能源保供中的地位尚未变化，但提高发电效率，降低发电煤耗是燃煤发电未来发展的必然趋势。当前，国内的燃煤机组已经发展到超超临界二次再热发电系统。旁路系统对燃煤电厂来说有着重要意义。在机组启动阶段，旁路系统可以将超出汽机启动需求的蒸汽量直接引导至过热器和再热器，既平衡了蒸汽量，也实现用过量蒸汽对锅炉受热面的预热，提高启动响应度。超超临界锅炉在启停工况下，容易形成四氧化三铁（Fe3O4）硬粒。若这些硬粒进入汽轮机做功，将对喷嘴及叶片级造成侵蚀，严重影响汽机的使用寿命。旁路系统在机组甩负荷工况时，瞬间切除大量蒸汽至旁路，有效防止汽机超速，对整个机组的安全性尤为重要。

1 000 MW 超超临界二次再热机组因为本身单机容量高，发电效率也高，是未来参与电网调峰的重要手段。在此条件下，机组运行的灵活性、可靠性是项目成功的关键之一。为满足上述要求，尽量克服四氧化三铁的硬粒侵蚀，必须配置合适的旁路系统。

1 二次再热超超临界机组旁路设置情况

部分国内已投运或建设中的二次再热超超临界机组旁路配置情况汇总如表1 所示。

表1 部分二次再热超超临界机组旁路配置情况

2 本工程旁路系统选型

设计选择旁路系统时应综合考虑在电网中承担的任务、汽机的冲转启动方式及如何防固体颗粒物侵蚀等因素[1]。

2.1 电网运行需求

本项目地处华东负荷中心，地区负荷变动大。受此影响，项目的运行灵活性高，机组要能实现频繁启停和快速升降负荷的功能。

启动响应要求高。在汽机启动时，要控制主蒸汽、一次再热蒸汽和二次再热蒸汽的压力、温度维持到设定的水平，以满足汽轮机各工况启动的要求，缩短启动时间，提高响应度。

旁路系统的设置能使锅炉具有独立运行的能力，从而减少锅炉侧设备维修以后的调试时间。同时，在不停炉工况下，为汽机侧的设备紧急检修创造条件。

2.2 本工程汽轮机厂提出的启动方式

本期工程的主机为东方锅炉厂和上海汽轮机厂的主机组合。上海汽轮机厂对二次再热汽轮机推荐采用超高压缸、高压缸、中压缸联合启动的方式。这种启动方式决定了汽轮机旁路须设高、中、低压三级串联旁路。

2.3 防固体颗粒物侵蚀

锅炉的启停炉和变负荷过程中，炉膛燃烧工况变化幅度较大，叠加母材和氧化膜的热膨胀系数差异，会导致内壁氧化膜脱落，且氧化膜的厚度越厚，脱落所需应力越小。过快的启动速率，是其产生氧化物较多的一个重要原因[2]。因此在620 ℃再热的机组中，需合理设计启动时间，避免过快启动，引起氧化膜脱落。

保证必要的锅炉启动时间，减少热应力冲击引起的氧化物。启动前旁路必须运转，锅炉出口蒸汽参数满足汽轮机进汽参数要求时，汽轮机才开始冲转，本工程锅炉在汽轮机冲转参数下的最小流量为10%额定流量（极热态为12%额定流量），旁路对减少颗粒有非常重要的作用。

尽量加大启动旁路容量也是防止固体颗粒物侵蚀的一种措施，可以增加启动过程中锅炉受热面的蒸汽通流量，使得氧化物更容易被带走[3]。但当旁路容量增大到65%以上时，低压旁路阀后蒸汽量将超过凝汽器设计容量。

综合以上设计功能，并结合上海汽轮机厂、东方汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂提供的汽轮机启动方式，本工程设计高、中、低压三级串联旁路。

2.4 高、中、低压三级串联旁路

系统的基本配置如下：①高压旁路。锅炉过热器出口蒸汽通过高压旁路进入一次再热冷段管道后进入锅炉一次再热器入口。②中压旁路。蒸汽由一次再热器出口经过中压旁路后通过二次再热冷段管道进入锅炉二次再热器。③低压旁路。蒸汽由锅炉二次再热器出口通过低压旁路排至凝汽器。

三级串联旁路的系统图如图1 所示。

图1 旁路系统方案原则图

3 旁路容量的选择计算

3.1 旁路容量的定义

国内旁路系统容量一般是指蒸汽为额定参数时，旁路系统的通流量与锅炉额定蒸发量之比。因此，其高低旁路容量的定义如下：

根据以上定义，得出：

由旁路系统容量的定义中可以看出，旁路容量是指在BMCR 工况下旁路系统的通流能力。所以，在不同参数下旁路系统的容量是不相同的。

3.2 旁路容量的计算公式

一般情况下，旁路工况均为临界工况。旁路阀出口蒸汽压力与入口蒸汽压力的比值远低于临界压比（对过热蒸汽来说，临界压比为0.546）。此时，特定的旁路阀的通流量只与旁路阀入口的蒸汽参数有关，具体公式如下：

式中：G为旁路通流量的数值，单位t/h；α为通流系数，与阀的开度有关；A为通流面积的数值，单位cm2；K为绝热指数；P1为阀前压力的数值，单位MPa；V1为阀前比容的数值，单位m3/kg。

可见，旁路容量和阀前蒸汽压力与比容比值的平方根成正比，即：

4 旁路计算结果

上海汽轮机厂提供的启动参数如表2 所示。

表2 上海汽轮机厂的启动运行方式及冲转参数

上海汽轮机厂推荐在锅炉最小直流负荷下，为了满足蒸汽温度的最小锅炉流量准则，同时，为了避免因高压排汽鼓风发热造成停机，取尽可能大的旁路容量。

根据前述本工程旁路的功能要求，结合汽机在不同工况下启动的蒸汽参数要求，对旁路系统的容量进行计算。高、中、低压旁路计算结果分别如表3—表5 所示。

表3 高压旁路计算结果

表4 中压旁路计算结果

表5 低压旁路计算结果

根据上表计算结果，在锅炉最小直流负荷下，既要满足蒸汽温度的最小锅炉流量准则，还要避免因高压排汽鼓风发热造成停机，可以选取的最大的旁路容量为45%BMCR。

根据三级旁路系统设计，中压旁路容量是高旁入口蒸汽流量和高旁减温水流量之和，低压旁路容量是中压旁路入口蒸汽流量和中旁减温水流量之和。

5 汽机旁路选型结果

选用合适的旁路系统可以有效改善机组的启动性能，缩短启动时间。同时还能减少机组的寿命消耗和加强变负荷适应能力。对于本工程，根据汽轮机厂提供的二次再热汽轮机启动方式，采用高、中、低压三级串联旁路。

根据机炉匹配启动曲线和旁路容量计算结果，本项目汽轮机旁路选型如下：①高压旁路系统容量为45%BMCR；②中压旁路系统容量按启动工况最大主蒸汽流量加减温水量选型；③低压旁路系统容量按中压旁路流量加减温水量选型。