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1、旁路系统的功能及应用国华定电 张宝川摘要：文中阐述了中间再热机组旁路系统的功能、安全保护作用及在整个电力 生产过程中的作用，以及 600MW 机组旁路系统的选择及旁路系统在不同的运行要求 以及不同的启动方式下的应用等。关键词：汽轮机 旁路系统 功能 选择 应用一、概述 随着电力工业的发展，新技术、新材料在火电厂的应用使得机组的容量越 来越大，运行方式也都采用了一机一炉的单元制。在单元制运行中，机炉一一对 应，锅炉产生的蒸汽无法储存，在机组运行的过程中，必须始终保持机炉之间的 出力平衡，这一点在机组正常运行或部分辅机出故障时，通常由机炉协调控制系 统完成：即依据外界负荷要求，使机炉的出力协调一致
2、，既满足负荷要求，又可 维持机组安全运行。但是由于汽机和锅炉的动态特性相差太大，在某些情况下不 匹配，要保持二者出力平衡，仅依靠协调控制系统完成是很困难的，或者说是无 法实现的。例如机组在低负荷工况时，对锅炉而言其最小允许负荷般为额定蒸发量的 30%50%，负荷再低将导致锅炉燃烧不稳定，水循环被破坏，导致灭火等问题； 汽机空载运行时，进汽量仅须额定值的5%8%，当汽机由于需要进行低负荷或空 载运行时，为使锅炉不灭火，以待再启动，就必须设法处理锅炉的过剩蒸汽；启 动工况时，锅炉（刚点火不久）提供蒸汽的温度、过热度都很低，不允许蒸汽进 入汽轮机。需要回收锅炉的多余蒸汽，避免对空排汽造成工质损失；另
3、外再热器 要求有一定流量的蒸汽冷却，所以机组启动、空载和低负荷运行时，要解决再热 器的超温保护问题。为了解决上述问题，在单元再热机组设置了旁路系统。旁路系统的设置使 机组采用中压缸启动较为方便，有利于改善汽轮机的暖机效果，缩短启动时间。 当汽轮机系统出现小故障需要短时检修时，锅炉可维持在最低稳燃负荷下进行， 故障排除后，即可很快重新冲转并网带负荷运行。通过旁路系统的运行给单元机 组带来了灵活性，进一步提高了机组安全经济运行的可靠性，提高了大机组在火电厂中的地位。二、旁路系统的功能1改善单元机组的启动性能，配合单元机组的快速启动，提高机组的效率。大型机组通常采用滑参数启动。机组采用滑参数启动时，
4、先以低参数蒸汽 冲转汽轮机，然后在启动过程中随着汽轮机的暖机和带负荷的要求，不断提高锅 炉的汽压，气温和蒸汽流量，使锅炉产生的蒸汽参数与汽机金属温度相适应。汽 机的启动过程中，冲转、暖机、升速和并网带负荷，每一步对蒸汽的压力、温度、 流量都有不同的要求。在汽轮机启动时，汽缸内壁直接与高温蒸汽接触，蒸汽温度上升较快，由 于汽缸壁较厚，传热到外壁需经较长时间，汽缸内、外壁容易出现较大的温差。 当汽机冷态启动时，汽缸壁温较低，而锅炉来的过热蒸汽温度很高，导致锅炉蒸 汽温度与汽机汽缸金属温度不协调，容易引起汽轮机汽缸及其他部件热应力过 大，减少机组使用寿命。故在机组启动期间，除监视汽缸内、外壁温差外，
5、还必 须控制好金属温度的升降速度，才能保证汽缸的安全。一般来讲，机组在启动过程中，升负荷率由汽轮机进汽调节阀控制，而锅 炉蒸汽温度与汽机汽缸金属温度不协调则由锅炉的特性决定，机组启动时间的长 短取决于锅炉达到汽轮机冲转要求的过热蒸汽参数和再热蒸汽参数的时间，而锅 炉升温、升压速度取决于锅炉启动疏水和疏汽系统，通过调整这些系统中的阀门 来协调锅炉蒸汽的温度、压力和流量。汽机旁路系统正是为达到此目的而设计的， 它可提高锅炉升温、升压速度，使锅炉蒸汽参数（温度、压力和流量）维持在合适 的水平，以满足汽轮机冷、热态启动所需的条件，匹配协调锅炉蒸汽温度与汽轮 机金属温度，缩短机组启动时间，防止汽轮机主要
6、部件产生过应力。从热应力现象看，汽机旁路系统在机组热态启动时使用是最有效的，冷态 启动时收效比较小，汽机旁路系统对热态启动有很大收益，但旁路系统需有停机 不停炉的功能。2旁路应能适应机组定压运行和滑压运行两种方式 当汽机负荷低于锅炉最低稳燃负荷时（不投油稳燃负荷），通过旁路装置的 调节，可以使机组允许稳定在低负荷状态下运行。机组甩负荷或电网事故时，可以不停炉，让锅炉处于热备用状态，为机组 再次启动创造条件。在大型机组的设计中，由于机组故障引起机组甩负荷，甩负 荷后，希望机组能在空载或带厂用电运行或停机不停炉。通过旁路系统，把锅炉 产生的余汽送到凝汽器，使锅炉在最低负荷下运行但不灭火，同时在故障
7、消除后， 机组可快速启动并重新并网恢复发电，减少停机时间，有利于系统稳定。使锅炉具备独立运行条件是：当发电机负荷减小或解列只担负厂用电负荷， 或当汽机主汽门关闭汽机停运时，旁路系统能在几秒钟内完全打开，使锅炉逐渐 地调整负荷，并保持在最低燃煤负荷下稳定运行而不必停炉。另外在机组负荷发生较大的变化时，旁路系统具有帮助机炉协调控制系统 调节蒸汽流量的作用，并满足汽轮机滑压运行的要求。3机组启动和低负荷时，可保护布置在烟温较高区的再热器的正常工作， 以防烧坏。再热器的设置是为了提高机组的热效率。在机组正常运行工况下再热 器运行时，汽轮机接纳锅炉产生的蒸汽，高压缸的排汽通过再热器升压升温加热 至额定温
8、度后去中压缸做功，同时使再热器得到冷却。但在低负荷运行时，由于 汽机进汽量少，故高压缸排汽量不能保证再热器的正常工作，容易造成再热器超 温或多或少干烧损坏，在汽轮机跳闸时，汽轮机不接纳锅炉产生的蒸汽，高压缸 也没有蒸汽排出，在机组甩负荷时亦时如此，设置了旁路系统后就可以使蒸汽构 成新的通流回路，使再热器得到足够的冷却。从而可以避免这一事故的发生，确 保再热器的正常工作。4旁路装置具有超压安全保护的功能。主汽、再热器超压保护体现在运行 过程中，如果出现主蒸汽和再热器超压而危及主设备安全时，旁路系统会快速动 作，起超压泄流作用。减少 PCV 阀和安全阀起跳，并按照机组主蒸汽压力、再 热蒸汽压力进行
9、自动调节，直到恢复正常值。使用汽机旁路系统完全取代锅炉安全阀作用需配置 100MCR 容量，这样 的旁路系统投资太大，目前我国均不要求旁路系统具有该功能。5同时旁路系统可以回收工质和热量，减少噪音。回收锅炉产生的多余蒸 汽也避免了余汽排入大气，减少了工质损失和安全门动作的噪音。旁路系统虽然在设计上考虑了多种功能，但在实际中能够使用的仅为改善 机组启动特性功能，及加快暖管速度和保护再热器，从而缩短机组启动时间。， 回收工质，降低噪音。二、旁路系统的选择目前，旁路系统主要存在如下几种型式：欧洲多设置 100旁路，当机组 故障时代替锅炉安全门排汽，而将多余的蒸汽排入凝汽器，保护环境，减少噪音； 美国
10、多设置 5旁路，因其电网很大，当机组故障时就停炉，5的旁路仅仅是 用在炉点火时疏水用；我国则通常设置 30旁路，用于甩负荷时带厂用电。90 以上电厂的旁路系统因阀门（特别是减温水调节门）泄漏、自控水平低等原因根 本未发挥其作用。启动功能对容量的要求，机组启动时，汽机冲转要求的主蒸汽参数（温度、 压力）比较低，蒸汽流量一般约为 5的锅炉额定流量，带初始负荷定速暖机需 蒸汽流量为 710的锅炉额定蒸汽流量，对汽机旁路系统的容量要求不高， 一般为额定参数下30% 40%MCR已经足够，无论冷态启动还是热态启动，都 有一定的通流裕量。若要旁路满足汽轮机热态启动要求，则要考虑旁路本身通流能力及锅炉负 荷
11、与汽温特性的关系，而旁路的通流能力又与汽机冲转参数及调节方式有关。如 果汽机冲转采用主汽阀旁路门节流，全周进汽方式，则汽压可以高，旁路通流量 随之增大，相应的汽温也高；如果冲转采用部分进汽方式，则要求汽压低，旁路 通流量小，相应的汽温也低。停机不停炉功能对容量的要求，对要求锅炉实现脱开汽轮机单独运行的汽 机旁路系统，其容量大小取决于锅炉的燃烧特性（即锅炉不投油最低稳燃负荷）， 最小容量应为额定参数下锅炉不投油最低稳燃负荷百分数。由于实际燃煤发热量 时常有变，锅炉不投油最低稳燃负荷可能提高，故应再考虑一定的裕量。在额定参数下汽机跳闸，锅炉维持额定参数下最低稳燃负荷运行，旁路系 统容量满足要求。在
12、变压运行工况，由于主蒸汽压力降低，蒸汽容积流量增大， 高旁阀通流能力减小，造成按额定参数选定的旁路阀的通流能力不够。为不致使 旁路容量过大，在过热器出口主蒸汽管道上增设电磁泄压阀（PCV）,在机组50% 负荷以上变压运行时，旁路系统与PCV同时动作，维持锅炉最低稳燃负荷，实 现停机不停炉。汽机旁路系统带厂用电功能，只要旁路系统的容量和系统配置能满足即可 实现。其高旁阀的容量按停机不停炉功能选择足以满足要求，而低旁阀的容量取 决于汽轮机制造厂要求的机组在带厂用电运行时再热汽压力大小，由于再热汽压 力很低，低旁阀的容量为 100MCR 才能满足要求。低旁阀容量太大会造成管 道设计困难和凝汽器承受能
13、力问题，所以低旁阀容量选用40%60%MCR,配 套使用中压安全阀，当电网故障，旁路系统和中压安全阀同时动作，锅炉紧急减 至稳定负荷，汽机迅速减负荷至带厂用电运行。这种功能需以庞大的旁路容量、 完善的控制系统及昂贵的投资为代价。三、旁路系统的应用性分析 随着机组的运行，旁路系统不断暴露出问题。特别是发生了几次因旁路系 统故障造成的机组重大事故之后，许多优点被迫停止使用，虽然引进时投资巨大， 但不能充分发挥其经济效益，旁路系统变成了仅仅用来在机组启动时提高汽温的 2 根管道。也有一些电厂甚至取消了汽轮机旁路系统，只要求锅炉保留5%BMCR容量 启动疏水旁路。为满足再热器干烧，加快启动速度，缩短启
14、动时间，加设5%容 量的主汽、再热蒸汽串联疏水系统。旁路系统在实际应用中存在以下几个方面的问题：1）利用率低。一般电厂运行过程中，旁路系统仅能起到启动参数建立的作 用；2）设计、安装、运行、维护、检修工作量大；3）许多功能受运行条件的制约而不能发挥；4）汽轮机控制系统与旁路协同调节时，对机组的运行安全性差。 下面针对旁路系统存在的问题进行如下分析：1旁路调压功能的实现旁路系统在设计上具有汽机冲转过程中调节和稳定蒸汽参数的作用，但要 根据具体的机组启动方式来具体对待。1）高压缸启动方式高压缸启动的机组，一般汽机冲转进汽由高压调节汽门控制，中压主汽门 和中压调节汽门处于全开状态，不参与转速的调节。
15、这种启动方式的机组不允许 带旁路系统进行汽机冲转，即旁路系统必须在汽机冲转前退出运行，否则可能会 有大量高参数蒸汽进入中压缸，造成汽机转速无法控制，甚至造成超速飞车，其 主要原因是汽机冲转时，中压调节汽门不参与调节，无法控制进入中压缸的汽量。 此类情况国内已有教训。这种启动方式的机组，旁路系统只能实现提高锅炉升温、 升压速度及改善锅炉燃烧率，无法实现调节和稳定主蒸汽和再热蒸汽参数功能， 换句话说，旁路系统不能与汽轮机并联运行。2）高中压缸启动方式 对高、中压缸联合启动，中压调节汽门参与调节不存在上述的情况，旁路 系统可实现改善机组启动特性及汽机冲转过程中调节和稳定蒸汽参数功能。3）中压缸启动方
16、式中压缸启动方式是配置汽机旁路系统较理想的启动方式，理论上它能实现 旁路系统所能具有的各种功能，可实现改善机组启动特性及汽机冲转过程中调节 和稳定蒸汽参数功能。在机组启动过程中，高压主汽门和调节汽门全关，由中压 调节汽门控制汽机进汽量和转速。汽机旁路系统可与汽机并联运行，调节和稳定 汽机进汽参数。2DEH控制系统与旁路控制系统之间的矛盾我公司的机组数字式电液控制系统是新华电站控制有限公司生产的，一般 来说DEH中的旁路控制状态有2种，即“BYPASS OFF”和“BYPASS ON”，表明 机组启动和运行中DEH是否允许中压调节汽门IV参与机组的调节控制，而与高 低压旁路系统实际状态无关。前者适用于高压缸启动和高压调节汽门 GV 控制方 式；后者仅适用于中压缸启动方式。但由于DEH系统与旁路系统控制方面接口设 计不够成熟，在实际运行过程中会出现很多的问题，
