燃气-蒸汽联合循环汽轮机组旁路系统配置及控制逻辑研究

王 珍

(东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000)

1 功能介绍

旁路系统在汽轮机组启动时回收锅炉全部蒸汽，减少启动时间和汽轮机的热应力；在汽轮机组跳闸以及余热锅炉出口压力接近安全阀设定值时快速打开，使旁路运行减少安全阀的起跳次数，协助DCS稳定蒸汽运行压力值。经统计，目前运行的常规火电机组旁路系统多数采用二级或三级30%～60%锅炉容量设计，联合循环机组旁路系统按100%余热锅炉最大出力容量设计，可以满足机组在满负荷运行时完成甩负荷且锅炉过热器出口安全阀不动作的特殊工况要求。

燃气-蒸汽联合循环机组旁路系统分为高、中、低压三级旁路，其中高/中压旁路采用“AND”的逻辑关系，实现功能：高压蒸汽通过高压旁路后，与高排蒸汽汇合后流入冷再热管道，经过再热器加热后形成中压蒸汽，再经过中压旁路，使蒸汽进入凝汽器(或热网)；低压旁路是将低压过热器加热后的蒸汽降压后直接排入凝汽器中，见图1。

2 旁路系统配置

高压主蒸汽和再热主蒸汽流通路径分别为高、中低压旁路阀，并实现减压降温，高/中压旁路系统流程图见图2。低压主蒸气流通路径为低压旁路阀，并实现减压后进入到凝汽器喉部再进行降温，低压旁路系统流程图见图3。燃气-蒸汽联合循环机组高压、中压、低压旁路阀门选型计算设置容量参数为100%。系统设计过程中重点关注旁路阀选型、喷水降温注意要点、设置预热装置、设置疏水装置。

图1 三级串联旁路系统图Figure 1 Level 3 series bypass system

图2 高/中压旁路系统流程图
Figure 2 Flow chart of high/medium pressure bypass system

图3 低压旁路系统流程图
Figure 3 Flow chart of low pressure bypass system

2.1 旁路阀选型

根据热平衡图数据，按能量守恒公式计算出各工况(包括启动、运行、甩负荷)下阀门的流量，旁路阀的选型必须满足流量要求。在气动控制下必须具备快速开启和快速关闭的功能。

能量守恒公式：

E=E1+E2=GH=G1H1+G2H2

式中，E为旁路阀总热负荷；E1为旁路阀蒸汽进口热负荷；E2为旁路阀降温水进口热负荷；G为旁路阀总流量；G1为旁路阀蒸汽进口流量；G1为旁路阀降温水进口流量；H为旁路阀出口蒸汽焓；H1为旁路阀进口蒸汽焓；H2为旁路阀降温水焓。

根据机组启停曲线准确得出阀门开启时间及最小开度，以防阀门振动和憋压，保障旁路阀安全稳定的开启。

旁路降温喷水控制阀的关键指标设定至少包含：a)喷水均匀；b)雾化良好；c)禁止蒸汽控制阀后超温和带水现象发生；d)喷水量准确、同步。

2.2 喷水降温注意要点

根据系统的功能实现要求及运行中的经验反馈数据提炼，注意要点如下：

(1)高、中压旁路阀后设置至少5 m直管管道作为混温段，避免降温后的高、中压蒸汽进入喷水降温过程距离不足，同时也有效防止水滴落在管壁上造成腐蚀甚至水击。

(2)高压旁路阀配备一个喷水降温器，将蒸汽温度降低到冷再热温度条件。

(3)设置有带电动隔离阀的喷水控制阀，以通过调节喷水量控制汽轮机旁路阀出口温度。

(4)中压旁路阀配置喷水降温器，保护凝汽器不超出设计温度极限。

(5)燃气-蒸汽联合循环机组低压旁路的喷水降温装置一般设在凝汽器内部。

2.3 设置预热装置

机组正常运行过程中，为实现旁路系统功能，旁路阀会遇到频繁关闭、开启操作，很小的连续冷凝操作都会导致旁路阀出现事故，为防止冷凝物的形成并减少热应力的风险，高、中压旁路系统须设置预热装置，见图2。预热管从高、中压旁路阀阀前引入蒸汽至旁路阀，阀芯上设连续排放孔，旁路蒸汽通过排放孔进入下游管道，并到下游管道加温预热。

2.4 设置疏水装置

旁路系统在运行过程中产生冷凝水或未蒸发的降温水，会造成阀门和管道腐蚀，引起阀门振动和水击，如落到温度传感器上，将导致控制系统故障。疏水装置为特殊布置的管道，疏水点设置在旁路系统最低点，距离旁路阀最近的位置，以便实现将疏水全部排出。

3 控制逻辑

高压旁路蒸汽由高压缸旁路阀调节压力并引入冷再热蒸汽系统，在启动期间和汽轮机跳闸之后控制高压蒸汽母管内的压力，使高压蒸汽压力降低到冷再热蒸气管道的压力设定值。

中压旁路蒸汽由中压旁路阀调节压力并被引入凝汽器。该旁路系统还在启动期间和汽轮机跳闸后动作以便控制再热蒸汽母管内的压力。

低压旁路蒸汽由低压旁路阀调节压力降低并引入凝汽器。该旁路系统还在启动期间和汽轮机跳闸后动作以便控制低压蒸汽母管内的压力。

3.1 旁路系统压力调节阀控制逻辑

燃机启动时，高压旁路阀设置有暖管旁路，由暖管旁路暖管，调节阀由全关进入自动开启状态；开度至20%后，按滑压控制方式升高，直至满足冲转要求，为维持冲转压力，调节阀又逐渐关闭；待汽机并网、高排逆止阀开启，调节阀完全关闭并进入跟随模式。高/中压旁路自动关闭的过程中，如果出现一个旁路卡住，另一个旁路也同时保持当前开度，调节阀动作见表1。

表1 旁路调节阀动作表Table 1 Motion of bypass adjusting valve

燃机退汽时，调节阀逐渐开启，若凝汽器真空度太低或真空度下降过快暂停打开，待真空恢复到设定值后继续开启。

3.2 降温水调节阀控制逻辑

阀后温度及阀前压力对它有一定反馈作用，调节阀动作时降温水调节阀同时迅速动作，阀门动作见表2。当调节阀开度大于2%或快开时，降温水阀自动投入。

表2 降温水调节阀动作表Table 2 Motion of attempeartion water adjusting valve

4 结语

燃气-蒸汽联合循环旁路系统设计，在满足合同要求的框架下，根据工程经验积累，不断完善系统配置及控制逻辑，有以下优点：

(1)起机过程中，系统会把超出设计要求的汽流引入冷凝器，让汽机冲转温度和锅炉出口温差缩小，达到最快效率起机；

(2)在非极端情况下，系统具备自我调节与自我保护功能，很好地稳定主蒸汽压力和温度；

(3)能够实现对温度和压力变化速率的控制，减少管道及转子在启停阶段的热应力。