具备FCB功能电站汽轮机旁路容量的计算分析

李 辉，赵雅旋

(河北省电力勘测设计研究院 发电事业部，河北 石家庄 050031)

0 引言

近年来，一些发达国家和地区相继出现电网故障并导致大面积停电的严重事故，社会生活和经济等各方面损失巨大。世界各国都在认真吸取大面积停电案例的事故教训，加强了对电力系统可靠性的关注，加紧制定万一发生大停电时的应对措施[1]。因此，发电厂实现FCB功能成为关注的焦点。FCB是指机组快速甩负荷至带厂用电运行，也就是常说的小岛运行[2]。大量的实际经验和研究表明，采用30%～40%BMCR的旁路容量一般仅能满足机组的启动功能，因此汽轮机旁路通流能力的选择对机组能否满足FCB功能非常重要[3]。

外高桥二期2×900 MW超临界机组旁路系统配置了100%容量BMCR高压旁路，该旁路兼作锅炉高压安全阀。低压旁路容量为50%BMCR，另配100%再热二位式安全阀。由于出于降低投资的考虑，没有采用欧洲大机组通常配置的大容量低压旁路，当负荷超过低压旁路容量时，多余蒸汽通过再热安全阀排向大气，导致机组FCB工况下工质循环的不平衡。外高桥三期2×1 000 MW超超临界机组在吸收二期工程经验的基础上，高压旁路仍为100%BMCR配置，带安全阀功能，低压旁路则由二期的50%提高到65%配置，从而能增加在FCB工况下的工质回收率，另配置100%再热可调式安全阀[4]。宁海电厂二期为两台1 000 MW超超临界燃煤机组，为实现FCB功能，配置了100%BMCR容量高压旁路和65%BMCR容量低压旁路[5]。印度 Sagardighi电厂为 2×300 MW亚临界机组，配备60%容量高低压二级串联旁路，通过设定旁路控制策略，实现了安全稳定的小岛运行[6]。从外高桥三期、宁海二期、Sagardighi电厂成功实现FCB的实例来看，配置大容量的高、低压旁路功不可没。

1 概况

摩洛哥Jerada 350 MW超临界机组燃煤电站工程锅炉为超临界锅炉，最低稳燃负荷30%BMCR。BMCR工况下最大出力为1 117 t/h，过热蒸汽压力25.4 MPa，温度571℃，再热蒸汽出口压力4.374 MPa，温度569℃，给水温度286.4℃。锅炉过热器出口设置4台10%BMCR的PCV阀。汽轮机采用超临界空冷汽轮机，TMCR工况主蒸汽流量为1063.2 t/h，VWO工况主蒸汽流量为1 117 t/h。汽轮机额定功率35 0 MW。TMCR工况下主蒸汽压力24.2 MPa，温度566℃，再热蒸汽压力4.687 MPa，温度566℃，高压缸排汽压力5.15 MPa，温度338.4℃，额定背压12 kPa。汽轮机启动方式为中压缸启动，配置高压缸排汽通风阀。系统配置60%BMCR容量的高低压串联旁路。给水系统采用3台50%容量电动调速给水泵，凝结水泵采用3台50%容量电动定速凝结水泵，除氧器为无头卧式除氧器。凝结水补充水系统设置一个150 m3的水箱和2台100%的凝结水补水泵。根据合同要求，本工程机组考虑具备FCB功能，以提高电厂自身的安全性。本文中将结合实际工程，针对中压缸启动汽轮机并同时具备FCB功能电站的要求，本着尽量减少旁路容量的原则，以期减少项目投资的目的，通过对4个典型启动工况和FCB 3个特征工况进行分析，核算对应工况下的折算旁路容量，提出推荐旁路容量选型意见，为同类工程提供借鉴。本工程原则性热力系统图如图1所示。

图1 Jerada 350 MW超临界机组原则性热力系统图

汽轮机旁路均为室内布置，高、低压旁路布置在汽机房中间层。高压旁路为角式布置，水平进管，垂直向下出管。低压旁路由于考虑到再热热段和排汽装置三级减温减压器均布置在中间层，标高相差不多，角式布置较难实现，因此采用水平Z型布置，水平进管，水平出管。

2 旁路容量计算分析

2.1 旁路系统的作用

汽轮机旁路系统是指锅炉产生的蒸汽不通过汽轮机作功，而通过减压减温装置直接排入排汽装置。汽轮机旁路系统最基本的功能是协调锅炉产汽量和汽轮机耗汽量之间的不平衡，提高运行的安全性和适应性[7]。旁路的主要作用为[8]:

(1)机组启停或甩负荷时，保证一定的蒸汽量通过再热器，避免再热器超温;(2)汽轮机冲转前提供蒸汽通道，保证维持主蒸汽和再热蒸汽参数达到冲转要求;(3)保证锅炉最低稳燃负荷的容量，使锅炉能够单独运行;(4)安全阀作用。

根据本工程的实际情况，并结合合同要求，汽轮机旁路系统不考虑取代过热器安全阀和停机不停炉运行功能，但要求考虑甩负荷带厂用电运行。汽机旁路容量的确定则主要应考虑满足机组启动和实现FCB功能的要求。

2.2 旁路计算需要的各工况分析

2.2.1 启动工况

本工程汽机启动方式为中压缸启动。中压缸启动的优点是:高压缸热应力小，启动快。中压缸启动的4个典型工况为:冷态、稳态、热态和极热态，本工程旁路需满足各典型启动工况的要求。启动工况又可以分为汽轮机冲转前和汽轮机冲转至高压缸切缸区终点两个阶段。第一阶段，汽轮机冲转前，高中压主汽门处于关闭状态，蒸汽循环需要通过高、低压旁路阀实现，此时汽轮机冲转时出现旁路最大通流量。第二阶段，汽轮机冲转后，中压主汽门打开，再热蒸汽有一部分进入中压缸，剩余部分进入低压旁路。对于高、低压旁路通流蒸汽量来说，高压旁路阀蒸汽流量高于前者，低压旁路阀蒸汽流量低于前者。从影响旁路容量的参数可知，压力越小、温度越高、流量越大，旁路折算容量越大。两个阶段均有使得旁路容量增大的趋势。因此，有必要将各启动工况分别按两个阶段来进行计算。

2.2.2 FCB工况

根据FCB运行的特点，将FCB过程分解为3个典型的特征工况进行分析，根据每个工况特点设定旁路计算的边界条件。FCB 3个特征工况为:

(1)FCB瞬态工况。机组按100%TMCR工况运行时，FCB投入瞬态，此时汽轮机主汽门瞬间关闭，多余的蒸汽通过PCV阀和高旁阀排放。此工况除氧器和热井工质不平衡。本工程在FCB瞬态工况，锅炉出力相当于汽机TMCR流量，折合95.2%BMCR。瞬态工况厂用电为31.3 MW。汽机为中压缸启动，瞬态高压缸不进汽。锅炉PCV阀为4台10%BMCR排放量。工质平衡可知，95.2%-40%-0%=55.2%BMCR。此时PCV排放量为40%BMCR。

(2)FCB稳态工况。机组带厂用电运行，无工质排放。锅炉按最低稳燃负荷运行。FCB信号发出后，锅炉快速降低到30%BMCR稳定运行。过热器PCV阀开启至FCB稳定运行时关闭。汽机快速降至带厂用电负荷运行。FCB运行过程，高压缸不进汽，仅考虑中压缸进汽带厂用电运行，维持汽轮机额定转速。高低旁投入运行，维持再热蒸汽调节阀前压力由额定参数在FCB稳定运行阶段降至并维持1.2 MPa。高压缸不进汽，高排通风阀打开，高排止回阀关闭。此工况工质平衡。

(3)FCB退出工况。稳态工况结束后，机组升负荷并网阶段。本工程再热器安全阀为不可调，通过调整高、低旁阀开度，保证汽轮机排汽压力不超过上限值。此工况主蒸汽、再热蒸汽压力、温度均超过极热态启动曲线时对应的参数，极热态启动时，中压缸冲转方式切为高中压同时冲转，机组负荷达到11%时，主蒸汽流量与再热蒸汽流量相等，为190 t/h。此工况下主蒸汽流量仍按锅炉稳燃负荷335.1t/h，大于极热态启动时切缸流量，多余蒸汽通过高低旁路阀排放。此工况类似于极热态启动工况。FCB稳态结束后，此时机组负荷为6%，可以考虑切缸。高压缸流量从零开始逐渐增大到冲开高排止回阀，高旁出口参数不变，由于一部分主蒸汽流量进入高压缸，因此高旁蒸汽量减少，对于高旁来说，与稳态工况相比前后参数不变，流量减少，因此高旁容量无问题。高压缸排汽流量冲开止回阀后，高排通风阀关闭。高排出口蒸汽与高旁出口蒸汽汇合，仍为30%BMCR流量。适当增加中压缸进汽量，保证高中压推力平衡。对于低旁来说，由于再热蒸汽流量与稳态相同，一部分蒸汽进入中压缸，因此低旁蒸汽减少，前后参数相同，因此低旁容量无问题。FCB升负荷工况，不必计算旁路折算容量，下文中关于FCB工况，仅考虑瞬态和稳态。

2.3 旁路系统容量的定义

旁路系统容量的定义采用锅炉BMCR工况参数下的通流能力与相应的锅炉蒸发量之比。高旁容量等于锅炉BMCR工况主蒸汽参数下高旁阀全开流量与锅炉BMCR工况主蒸汽流量比值，低旁容量等于锅炉BMCR工况再热蒸汽参数下低旁阀全开流量与锅炉BMCR工况下再热蒸汽流量比值[3]。

2.4 机组启动工况下汽轮机冲转前的旁路容量计算

2.4.1 旁路容量计算参数确定

(1)高压旁路阀参数

汽轮机冲转前蒸汽所能达到的最高值为汽轮机冲转时对应的参数。根据启动曲线在启动工况下取汽轮机冲转时的主汽压力:冷态、稳态为8.73 MPa(a)，热态、极热态为10 MPa(a)，温度分别对应各启动曲线上汽轮机冲转时的主汽温度。高压旁路阀入口蒸汽流量为汽轮机冲转时主蒸汽流量。

高压旁路阀后参数的选择是整个旁路系统的关键，它决定了整个旁路系统的设计。如果该压力选得太高，会导致启动时高压缸排汽管压力过高，这将引起高压缸排汽不通畅，导致高压缸末级叶片呈鼓风状态而过热。而阀后压力选择过低，则低压旁路阀前参数也随之变低，蒸汽比容增大，导致低压旁路通流能力减小，为了维持低旁额定通流量，则必须增加低旁的通流面积，增加投资，也带来布置上的困难[7]。在启动工况下，东汽机型高排出口压力无上限要求。4个启动工况再热蒸汽压力均为1.1 MPa，考虑到再热器和再热管道的压降，高旁出口压力取1.3 MPa(a)即可，温度按对应饱和蒸汽温度最低加上约52℃的过热度，即243℃考虑，温态、热态、极热态按20℃过热度递增考虑。

(2)低压旁路阀参数

低压旁路阀前参数为冲转时再热汽压力、温度值。低旁进口流量等于高旁蒸汽流量加喷水量。启动工况，考虑到三级减温减压器不喷水的可能下，低压旁路阀后压力按0.2 MPa，温度20℃过热度考虑。

2.4.2 旁路容量的计算

根据已确定的旁路功能，旁路容量按满足各种典型启动工况要求，计算参数按汽轮机冲转前最大值考虑。通常说的旁路系统容量一般指额定参数下的容量。但旁路系统须适应各种启动方式，而当蒸汽参数不同时，流经旁路系统的流量也各不相同。故不同启动参数下的容积通流量均应折算至额定参数下，以便核对旁路容量是否满足要求。旁路减压阀前后的压力差较大，蒸汽流至阀座时已达临界流速，蒸汽流量与阀前的压力及比容有关，且正比于变工况下旁路折算容量:

式中:De，Pe，Ve为变工况下旁路阀全开时的流量、压力、比容;Dc，Pc，Vc为额定参数下旁路阀全开时的流量、压力、比容。其中，计算低旁容量时，Dc为额定工况下再热器的出口流量[3]。以极热态启动工况，汽轮机冲转前的参数为例，高旁阀折算容低旁阀折算容量100%=59.81%。其他各工况参考式 (1)计算，旁路容量计算结果汇总见表1和表2。

表1 机组启动工况下汽轮机冲转前的高旁容量计算表

表2 机组启动工况下汽轮机冲转前的低旁容量计算表

由计算结果可知，若按机组启动工况，汽轮机冲转前的参数核算，最大旁路容量出现在极热态工况，此时高旁容量为24.13%BMCR，低旁容量为59.81%BMCR。

2.5 机组启动工况下汽轮机冲转后的旁路容量计算

2.5.1 旁路容量计算参数确定

(1)高压旁路阀参数

汽轮机冲转后蒸汽参数取高压缸切缸区最高点对应的参数。根据启动曲线，在启动工况下高压旁路阀进汽压力与汽轮机冲转时相同。汽轮机冲转至高压缸切换区，主汽流量、温度有一定升高，主汽流量、温度应选择切缸区最高点对应的数值。

(2)低压旁路阀参数

低压旁路阀前压力参数为高压缸切缸区最高点对应的参数，此时压力仍为1.1 MPa。温度参数选用高压缸切缸区最高点再热蒸汽的温度。关于流量的选择，从启动曲线分析，以冷态启动为例，汽轮机冲转时主蒸汽流量等于再热蒸汽流量70 t/h，随着转速不断升高，进入中压缸的流量不断提高，再热蒸汽的流量也不断提高，两者之间的差值为进入低旁的流量。因此，取两者之间的最大差值为140-52=88 t/h，此流量作为低旁进口流量较为合理。此与常规理念中低旁进口流量等于高旁蒸汽流量加喷水量完全不同，其原因是中压缸启动的汽机，高压缸不进汽，高旁容量需满足切高压缸时要求。在汽机冲转至切缸之间，中压缸有进汽量，此时进入低旁蒸汽量应扣除至中压缸的汽量。

2.5.2 旁路容量的计算

根据已确定的旁路功能，旁路容量按满足各种典型启动工况要求，计算参数按汽轮机切缸区最高点考虑。以极热态启动工况，汽轮机冲转后的参数为例，高旁阀折算容量×100%=41.64%;低旁阀折算容量其他各工况参考式 (1)计算，旁路容量计算结果汇总见表3和表4。

表3 机组启动工况下汽轮机冲转后的高旁容量计算表

表4 机组启动工况下汽轮机冲转后的低旁容量计算表

由计算结果可知，若按机组启动工况，汽轮机冲转后的参数核算，最大旁路容量出现在极热态工况，此时高旁容量为41.64%BMCR，低旁容量为53.84%BMCR。

2.6 FCB和选型工况下旁路容量的计算

2.6.1 旁路容量计算参数确定

(1)高压旁路阀前参数

高压旁路阀前参数应选择汽轮机高压缸进汽参数。因此根据热平衡图在标准工况下取VWO工况参数，高压旁路阀进汽压力:24.2 MPa(a);温度:566℃。FCB瞬态工况时，高旁阀前参数同汽机TMCR工况。FCB稳态工况，此时锅炉负荷为30%，主蒸汽参数为13.06 MPa，566℃。FCB稳态结束升负荷工况，高旁阀前参数同稳态工况。高压旁路阀后的参数，在标准工况下取VWO工况下高压缸排汽参数。FCB瞬态工况，高旁出口的参数参考TMCR工况高排参数。FCB稳态工况，根据汽机厂提供的FCB热平衡图，压力为1.333 MPa(a)，温度为325℃。

(2)低压旁路阀前参数

低压旁路阀前的参数，FCB瞬态工况，低旁进口参数参考TMCR工况再热蒸汽参数。FCB稳态工况，根据汽机厂提供的热平衡图，压力为1.2 MPa(a)，温度为566℃。低压旁路后的参数，在标准工况下，压力一般按经验选取为:0.6 MPa;温度:160℃ 。FCB瞬态工况参考瞬态热平衡图流量为422.8 t/h。FCB稳态工况，参考稳态热平衡图，流量为184.62 t/h。FCB工况低旁阀后压力温度参数均按0.6 MPa;温度:160℃考虑。

2.6.2 旁路容量的计算

根据已确定的旁路功能，本工程的旁路必须满足FCB瞬态工况、稳态工况的要求。以FCB稳态工况为例，高旁阀折算容量:低旁阀折算容量他各工况参考式 (1)计算，本工程每台机组配置一套高压旁路，旁路容量计算结果汇总见表5和表6。

表5 FCB和选型工况下高旁容量计算表

表6 FCB和选型工况下低旁容量计算表

由计算结果可知，若按机组FCB瞬态和稳态两个典型工况核算，虽然稳态工况蒸汽流量小，但此时压力低、比容大，使得最大旁路容量出现在FCB稳态工况，此时高旁容量为57.76%BMCR，低旁容量为84.79%BMCR。因此，本工程旁路容量为:高旁容量60%，低旁容量为85%。

3 结论

摩洛哥Jerada超临界燃煤电站工程要求具备FCB功能。汽轮机为东汽厂生产的超临界参数350 MW汽轮机，机组采用中压缸启动方式。锅炉厂配供4台10%BMCR容量的PCV阀。旁路容量计算结果表明:

(1)启动工况方面，最大高旁计算容量出现在极热态工况汽轮机冲转后，高旁容量为41.64%，最大低旁计算容量出现在极热态工况汽轮机冲转前，低旁容量为59.81%;

(2)FCB工况方面，FCB稳态运行工况下旁路入口蒸汽压力低，温度高，比容大，决定了机组旁路容量的选择。此时高旁计算容量为57.76%BMCR，低旁计算容量为84.79%BMCR。本工程选定旁路容量为:高旁容量60%，低旁容量为85%。

通过针对各典型启动工况、FCB瞬态、稳态两个工况的分析，合理地选择了旁路容量，同时结合锅炉过热器出口的PCV阀，为机组能顺利投产并具备FCB功能奠定了基础。

[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):532-536，547.

[2]刘海燕.300 MW汽轮发电机组的小岛运行试验[J].电站系统工程，2011，(3):45-46.

[3]郑赟.印度工程汽轮机旁路容量的选型设计[J].热力透平，2012，41(3):209-214.

[4]冯伟忠.1000 MW超超临界机组FCB试验[J].中国电力，2008，41(10):62-66.

[5]吴永存，朱介南.宁海电厂 1 000 MW 机组 RB与FCB控制策略的设计和应用[J].电力建设，2011，32(1):59-63.

[6]马勇，朱立彤，付昶.印度Sagardighi电厂小岛运行旁路逻辑优化[J].电力建设，2012，33(5):60-63.

[7]林磊.镇江电厂三期工程600 MW超临界机组旁路容量的选择[J].热机技术，2006，(2):11-16.

[8]郑伟.300 MW直流炉机组高低压旁路控制系统优化和改进[J].电力建设，2012，33(6):71-74.