670MW机组汽机旁路系统选型设计

摘要：汽机旁路系统的选型既要考虑机组运行的安全性，又要兼顾设备投资的影响。华能烟台八角电厂2×670MW超超临界机组的汽轮机采用高、中压缸联合启动方式，通过对锅炉启动曲线进行分析和计算，得到不同启动工况下旁路系统的通流量要求，确定高压旁路阀为40%BMCR容量，低压旁路阀也为40%BMCR容量，旁路系统主要用于改善机组的启动特性，不考虑FCB功能。

关键词：旁路系统 ; 高中压缸联合启动; 汽轮机

0 引言

烟台八角电厂2台670MW机组采用上海汽轮机厂引进西门子技术生产的600MW级超超临界参数、一次中间再热、抽汽凝汽式汽轮机，型号C670-28/600/620。锅炉为上海锅炉厂自主研发的超超临界参数、全悬吊结构、π形锅炉。文章分析了高、中压缸联合启动方式下汽机旁路容量的计算过程以及与高压缸或中压缸启动方式下旁路容量计算的异同，为其他机组旁路容量的选型提供参考。

1 旁路系统

旁路系统是指把锅炉产生的蒸汽部分或全部绕过汽轮机，通过减温、减压等设备排入凝汽器的系统。主要用于协调锅炉出口蒸汽流量和汽轮机用汽量之间的不平衡，改进机组的启动特性，从而提高机组运行的安全性和灵活性。综合各种旁路系统，主要作用有：在机组启动阶段协调锅炉和汽轮机配汽，回收工质，降低噪音，适应机组滑参数启动，自动调压、调温，加快启动速度;

调峰运行时，协调锅炉和汽轮机控制系统，调节锅炉主蒸汽压力，当蒸汽超压、超温时起保护作用;

机组快速降负荷时，旁路负荷瞬变过程的过剩蒸汽，保持锅炉不投油稳定燃烧，一旦故障排除可迅速恢复负荷;

发生故障时，维持连续的蒸汽流动，使锅炉受热面包括再热器得到足够的冷却，避免干烧。

综上所述，旁路系统主要有启动、溢流和安全三大功能，此外还有回收工质、暖管、清洗和减少固体颗粒侵蚀等能力[1]。这些功能的设计成为影响旁路系统选型和确定旁路容量大小的关键。

1.1 旁路系统分类

1）一级旁路系统

一级旁路系统是把从过热器出来的蒸汽经减温减压后直接排入凝汽器，旁路容量为35%BMCR左右。系统简单，投资少、操作也方便。可满足机组启停过程中回收工质并加快启动速度的要求，多用于锅炉再热器材质较好，不需要特殊保护的机组。

2） 高、低压两级串联旁路

由高压旁路和低压旁路串联组成，容量一般为30%～45%BMCR。主要功能：在机组启动阶段使蒸汽温度和金属温度快速匹配，缩短启动时间，回收工质;使蒸汽中的固体小颗粒通过旁路进入凝汽器，避免对汽轮机通流部件的侵蚀;保护锅炉再热器，防止再热器干烧。这种旁路系统可满足机组各种运行工况要求，适应性强，在国内使用较多。

3） 三级旁路

由一级大旁路和高、低压两级串联旁路并联组成。一级大旁路主要用于锅炉低负荷时维持机组稳定运行，高、低压两级旁路的作用是调节机组启停阶段进入汽轮机的蒸汽参数和蒸汽流量。系统兼有一级旁路和两级串联旁路的优点，适应性强，运行灵活，能满足各种运行工况的要求。缺点是系统过于复杂，钢材消耗量太大，投资也大，现在基本上已不再采用。

4）三用阀旁路

该系统的特点是高压旁路阀兼有“启动、溢流、安全”三种功能，故称三用阀。能实现自动压力跟随和超压保护，省去了锅炉过热器安全阀，通过调节汽压和流量可适应机组不同工况的滑参数启停和运行。机组甩负荷后，可以带厂用电运行，待故障排除可迅速带负荷，既减少了机组启停的次数，同时还减轻了对汽轮机的热冲击。系统也是一种二级旁路，容量配置较大，一般推荐采用100%BMCR容量的汽机高压旁路及65%～80%BMCR容量的低压旁路[2]。该系统缺点是控制复杂，设备价格较高，维修工作量大。在我国的进口机组中，采用西欧直流炉的机组均采用了三用阀系统，如元宝山电厂二期626.9MW机组、石洞口二廠2×600MW机组等[4]。

5） 无旁路系统

该系统不设汽轮机旁路，仅设容量较小的疏水小旁路，满足机组在各种工况下的启动要求，主要用于承担电网基本负荷的大型再热机组。主机及部分辅机设备的设计和运行须采取一定措施以保证启动过程的安全性。机组启动时借助5%容量的锅炉启动疏水旁路加速升温升压[2]，但不能保护再热器，而且通流能力有限，限制了锅炉升温升压的速率、启动时间较长。它具有系统简单、费用低、运行操作简便等特点，曾一度在美国广为采用，国内300MW等级亚临界机组中有较多应用。

1.2 旁路系统的选型

旁路的选型与机组在电网中所承担负荷的性质有关，与锅炉、汽轮机等主机设备的特点也有关。本工程2台机组主要承担基本负荷，启停次数少，冲转参数低、蒸汽流量小，对旁路容量的要求较低。这种情况下停机不停炉没有太大优势，而且考虑到我国电网容量大，电网安全性较高等特点，不需要考虑停机不停炉和带厂用电运行等功能。

汽轮机厂推荐采用高、中压缸联合启动，锅炉再热器不允许干烧，这些要求决定了不能采用一级大旁路。三级旁路系统由于控制复杂，设备投资高也不适用。从技术和经济性方面综合考虑，推荐采用高低压两级串联旁路。

2 旁路容量的确定

2.1 旁路容量的定义

旁路容量是指在额定参数下旁路系统的通流能力，机组停机时间不同，对旁路系统的通流要求也不一样。冷态或温态启动时蒸汽流量小、温度低、比容小，对旁路系统的通流要求小。热态或极热态启动时蒸汽流量大、温度高、比容大，要求旁路系统有更大通流能力。确定旁路系统容量就是要计算机组在启动过程中旁路系统的最大通流要求。

对于旁路容量的定义，国内外存在稍许差异，但对于高压旁路容量的定义则几乎相同。对高、低压旁路容量的定义通常采用通流质量流量百分数的方法来表示[5]，即：

式中 是高压或整体旁路的容量（%）， 是指额定参数下通过高压或整体旁路系统的最大流量（t/h），D是指锅炉最大连续蒸发量（t/h）。

式中 指低压旁路的容量（%）， 是指额定参数下通低压旁路系统的最大流量（t/h），  指高压旁路中通过D蒸汽量时所需的减温水量（t/h）。

2.2 旁路容量的确定

旁路容量的确定首先依据锅炉的启动曲线，锅炉最低稳燃负荷，其次还要依据电厂对旁路功能的定位和要求。如果要求机组带厂用电运行，旁路容量一般不低于60%BMCR;如果要求旁路系统代替锅炉过热器出口安全阀，对应的的旁路容量一般取100%BMCR[3]。本工程旁路系统仅用于改善机组启动特性，旁路容量只需满足各启动工况的参数要求，这对于简化系统和节省工程造价都有好处。

对于采用中压缸启动方式的机组，在中压缸启动冲转前，高、中压主汽门都处于关闭状态，所有蒸汽须通过高旁阀到锅炉再热系统，然后再通过低压旁路阀进入凝汽器。高压旁路阀出口的蒸汽流量与中压缸进汽量的差值就是经低压旁路阀排入凝汽器的流量。汽轮机冲转后，通过低压旁路系统的蒸汽流量迅速衰减。因此低压旁路系统的最大流量一般出现在汽轮机冲转的那一瞬间。中压缸进汽以后，随着汽机负荷的增加，通过高压旁路的流量也在增加，在高压缸进汽的一瞬间，也就是在 “切缸点”，流过高压旁路系统的蒸汽流量达到最大值，随后高压旁路阀逐渐退出运行。

对于采用高压缸或高、中压缸联合方式启动的机组，旁路系统的分析有所不同。在汽轮机冲转前，高压和中压主汽门都处于关闭状态，从锅炉来的过热蒸汽必须通过旁路系统建立循环。锅炉过热器出口的蒸汽全部通过高压旁路阀进入再热系统，然后由低压旁路进入凝汽器。当汽轮机满足冲转条件开始进汽以后，通过旁路系统的流量会迅速减少，尤其对于高压缸启动的机组，汽轮机开始进汽后，旁路就逐渐退出运行。因此，通过高压旁路阀的最大流量一般出现在汽轮机冲转的时刻，低压旁路阀的流量在同一时间也达到最大，数值等于高压旁路阀入口流量加高旁减温水量。

2.2.1 高压旁路容量的确定

汽轮机主汽门入口额定蒸汽压力P=28MPa，温度T=600℃，中压联合汽阀入口蒸汽温度T=620℃。根据汽轮机厂提供的热平衡图，主汽、再热热段蒸汽在最大连续出力（TMCR）工况下的参数如表1所示。

图1为汽轮机极热态工况的启动曲线，图2是锅炉厂根据汽轮机启动要求拟合的机组启动曲线。由图2可以看出锅炉点火60分钟后汽轮机开始冲转，随后5分钟汽机开始并网带负荷，此时锅炉提供的蒸汽压力P=12MPa，温度T=580℃，流量为15%TMCR（约298.65t/h），需全部通过高压旁路系统，流经锅炉再热器后在通过低旁系统排入汽机凝汽器。汽轮机冲转后，虽然主蒸汽流量不断增加，但汽轮机开始进汽，旁路系统逐渐关闭。因此，旁路系统的最大流量出现在机组冲转的时刻，为298.65t/h。

将极热态工况下通过高压旁路系统的最大流量298.65t/h按式（1）折算到额定参数下的数值，再除以锅炉最大连续蒸发量（见式（2）），就得到本工况下高压旁路系统需要的容量大小。

式中：P、 和Dp1分别表示额定参数下主汽门入口的压力、比容和通过高压旁路系统的蒸汽流量;P1、 1和D1则表示启动工况下高压旁路阀入口的压力、比容及通过高压旁路系统的蒸汽流量。

同理，可计算出冷态、温态和热态工况下高压旁路系统的通流量，计算结果如表2所示。综合表2中各工况的计算结果，将高压旁路容量定为40%BMCR，既能满足各工况的启动要求，还有利于简化系统，降低工程造价。

2.2.2低压旁路容量确定

由图2可见，汽轮机冲转后，流经高压旁路阀的蒸汽流量达到最大，为15%TMCR。因为同时中压缸开始进汽，此时低压旁路阀入口流量也达到最大值，为高旁阀入口流量加上高旁减温水量，约350.05t/h，其中高旁减温水为51.40t/h。再热器出口的蒸汽压力为2.3MPa，温度是560℃。将低压旁路最大流量350.05t/h折算为额定参数下的通流量，见式（3），再除以额定参数下的锅炉蒸发量和旁路容量为100%时高旁减温水量之和就得到极热态工况下低压旁路阀的容量，见式（4）。.

上式中P、 和Dp2分別表示额定参数下中联门入口的蒸汽压力、比容和通过低压旁路系统的流量;P2、 2和D2则表示启动工况下中联门入口的蒸汽压力、比容及高压旁阀出口的蒸汽流量。DTMCR和Djw则分别表示额定参数下的锅炉蒸发量和额定参数下高压旁路容量为100%时的喷水量。其他工况旁路容量的计算结果如下表3所示。

由表3可见，极热态工况下低压旁路系统需要的通流量最大，为753.78t/h，此时低旁阀的计算容量为33.53%。凝汽器需要接收约469t/h的蒸汽（0.8MPa，180℃），在凝汽器可接受的低旁排汽量范围。因此将低压旁路容量定为40%，采用双阀（每个阀门容量20%），满足工程实际需要。

3. 结语

旁路系统按高、低压两级串联旁路设计，其中高压旁路阀容量为40%BMCR，低压旁路阀容量也取40%BMCR。旁路系统仅在机组启动时使用，不考虑FCB功能。自2018年底第一台机组投产以来，两台机组经历多次启停过程，旁路系统运行良好，表明旁路系统的设计是合理的。

参考文献：

[1] 曹泽胜. 汽机旁路系统分析[J]卷宗，2017， （27）

[2] 程磊，乔不业，王大勇. 百万千瓦级核电站汽机旁路阀控制阀的选型设计[C]中国电机工程学会第九届青年学术会议， 2006

[3] 李会飞. 超临界机组并网和切缸过程中汽机、旁路、给水控制策略[C]2016清洁高效燃煤发电技术交流研讨会， 2016

[4] 李续军. 国产化600MW超临界机组旁路系统的配置和容量选择[C]第四届全国火力发电技术学术年会， 2003： 914-918

[5] 宋汉武， 陈德昌， 柏采章. 火力发电设备技术手册[M]北京：机械工业出版社，1998

作者简介：

温振庆，男，主要从事火力发电厂热机专业的生产和设备管理工作

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