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1、1000MW级火电机组旁路系统的配置讨论1000MW级火电机组旁路系统的配置讨论 冯伟忠（上海外高桥第三发电有限责任公司，上海 200137）【摘要】介绍了当前世界上美、日、欧等不同技术体系的大机组旁路系统的配置特点，对旁路系统的诸多作用及应用时须注意的问题作了阐述。提出了1000MW级超超临界机组旁路配置的建议。大容量旁路系统，不仅能缩短启动时间，有利于热态启动机炉蒸汽参数的配合，且能取代过热器安全门，进行滑压运行跟踪溢流，实现停电不停机、停机不停炉及FCB等功能。能确保汽轮机启动的蒸汽品质，大大减轻汽轮机固体颗粒侵蚀，甚至替代冲管等。【关键词】超临界 旁路 启动 FCB SPE1、 旁路系
2、统的不同配置近年来，随着经济技术的发展，电网容量的扩大，以外高桥二期工程2900MW超临界机组的建成投产及玉环电厂41000MW超超临界机组的开工建设为标志，我国的火电机组建设已跨上了百万级的台阶。对于这样的机组，其锅炉及汽轮机的技术与以往600MW及以下的机组有着显著的不同。特别是正确认识和充分发挥旁路系统的作用，合理的配置旁路系统的容量。这对改善百万级机组的调试，确保机组的长期安全运行等至关重要。对于百万级机组，在当前世界上，无论欧、美、日、俄（苏）等不同的技术流派，基本上都采用超（超）临界技术。自然的，锅炉只有直流炉一种选择，但炉型有塔式及型之别。而汽轮机则有带调节级和不带调节级两种。启
3、动方式有高压缸启动及中压缸启动之分，甚至有高、中压缸联合启动的。相应的，其运行特点也有所不同。而旁路系统的配置及控制方式，则和机、炉的技术特点和运行方式等有着很大的关联。另外，由于地域及技术体系的不同，对于旁路系统的配置及运行方式也有着很大的差别。如，在美国，一般都采用20%BMCR的小旁路，仅用于机组启动阶段，锅炉过热器出口配置安全阀。有的大机组甚至不配旁路。而日本的三大厂在二战后引进的是美国三大厂的技术，再在此基础上做了进一步开发，但其技术特点基本上传承了美国体系。而欧洲在锅炉及汽轮机的技术上与美国（日本）有着很大的不同，尤其是在旁路系统的应用上，其理念与美（日）体系截然不同。在大机组上，
4、高压旁路普遍配置100%BMCR。取消锅炉过热器出口安全阀。低压旁路容量一般在60100%范围，特别是德国近年来建设的百万级机组，均采用了100%的低旁配置。但均配有再热器安全阀。在旁路的应用及发展方面积累了很丰富的经验。2、 旁路系统的作用2.1 配合机组的启动2.1.1 冷态启动在锅炉点火后直至汽轮机启动前，旁路系统将代替汽轮机为锅炉蒸汽提供通道并回收工质。在此过程中，锅炉通常为定压运行方式，此时，锅炉的出口压力将取决于旁路系统，即旁路处于压力控制模式运行。此时，旁路容量的大小会影响机组的启动时间。若旁路容量偏小，汽温提高的速度较慢，启动过程耗时较长。而若采用较大的旁路容量（40%BMCR
5、），由于汽温提高速度快，启动时间短，除能多发电外，启动过程的总能量损失反而小。当然，其初投资较大。不过，对于百万级的机组，在通常情况下，其年启动次数应较少，故对于冷态启动而言，旁路容量较小导致的启动时间长的负面影响并不显著。对于采用高压缸启动方式的机组，若再热器具有一定的抗干烧能力，则较小容量的一级旁路即可满足冷态启动的要求。美国早期的大机组不少采用这种配置。若采用中压缸启动或高中压缸联合启动则必须同时配置高、中压旁路系统。2.1.1 热态启动当机组在运行或调试过程中突然跳闸，除非是机组刚冷态启动，否则高、中压缸均处于较高的温度，且降温速度极慢。此时机组若重新启动，则锅炉的蒸汽温度必须与汽轮机
6、的汽缸及调节阀温度相匹配。对于不同厂商的汽轮机，其匹配要求差别较大。如美（日）机组，包括国产引进型（300MW，600MW）机组，一般容许蒸汽温度与汽缸的温差50。而欧洲机组，尤其是允许冷态启动速度特别快的SIEMENS超超临界机组，此温差仅允许20。因此，旁路的配置是不同的。对于允许温差大的汽轮机，旁路容量可小一些。反之则旁路容量的配置必须较大。若旁路系统的容量偏小，低于锅炉最低直流负荷，则锅炉在启动过程中尚处于湿态，其运行特点类似于汽包炉。锅炉的蒸发面及过热面被汽水分离器严格界定。因热负荷受限，故过热器的温升亦被限定。若此时汽水分离器维持启动压力，则过热器出口汽温即为分离器饱和温度加过热器
7、温升。这将比正常运行时的汽温低得多。若不采取非常规措施，此汽温不可能满足汽轮机要求。对于SIEMENS的汽轮机，其DEH系统采用全自动的程控方式启动，无人工干预启动模式。若温度条件不满足，汽轮机无法冲转。若采用较大容量的旁路，温度的匹配就变得非常容易。对于直流锅炉而言，只要进入纯直流状态运行，通过改变煤水比，其主汽温度是任意的，与负荷无关。同时，主汽温度的提高相应提高了高压缸排汽温度，从而使再热汽温也得到提高。通常设计为可作调峰运行的机组，其干、湿态切换负荷约为3033%。采用40%BMCR容量便可确保锅炉进入纯直流状态。2.2 取代安全门在欧洲，较普遍的应用100%高压旁路，且为快速开启型。
8、通常在3s内可完全打开。这种高压旁路采用了高可靠性设计，故可取代过热器安全门。采用这种配置方式，可完全消除因高压安全阀动作后产生的高强度噪音，且能最大限度的回收工质。必须注意的是，即使配置100%的快速开启型低压旁路，仍必须配置100%再热安全门。这是因为在遇到汽轮机低真空等故障时，不允许大量蒸汽再进入凝汽器，低压旁路将被闭锁。此时，高旁来的蒸汽只能通过再热安全门泄放。2.3 滑压跟踪溢流对于超临界机组，滑压运行能提高低负荷工况下的机组效率。因此，无论配置调节级与否，采用滑压运行已是超临界机组设计的基本方式。对于有调节级汽轮机，一般采用复合滑压（定滑定）方式，而无调节级的汽轮机则采用带部分节流
9、的滑压或纯滑压方式运行。但是，在滑压运行方式下，当出现快速减负荷时，调门会快速关闭，造成调节级或调节阀（无调节级）的压降急剧变大，这会导致其承受过大的应力。而若旁路系统采用滑压跟踪溢流方式，当调节阀或调节级压降超过设定值，旁路自动开启进行溢流，以限制压降的进一步增加。当然，需配置大容量的旁路系统。如石洞口二厂600MW超临界机组（带调节级）及外高桥二期的900MW超临界机组，都配有100%BMCR高压旁路，取消锅炉过热器安全阀，均采用滑压跟踪溢流运行方式。一般而言，机组参数越高，功率越大，采用溢流运行的优点越明显。2.4 停机不停炉及实现FCB等2.4.1 全容量高、低旁近年来在德国投产的多台
10、8001000MW机组，无一例外的采用100%BMCR高、低旁的配置。从理论上来说，只要汽轮机凝结水及循环水等系统运行正常，在任何电负荷下都能保证停电不停机，停机不停炉以及轻易的实现FCB。并且在汽轮机、发电机或主变压器高负荷跳闸的情况下，锅炉不受快速甩负荷甚至MFT的冲击。在停机或FCB后，锅炉可平缓的降负荷。若汽轮发电机或电网的故障很快被消除，则立即可再次启动汽轮发电机及在并网后迅速加负荷。在正常工况下，由于回热抽汽的存在，一般只有约70%的蒸汽排入凝汽器。若采用100%低压旁路，当汽轮机跳闸后，所有蒸汽通过旁路进入冷凝器。再加上减温喷水，凝结水量远大于正常工况。这就需要增大凝汽器冷却面积
11、和增加凝结水泵容量。因此，会显著提高设备的初投资及增加运行成本。2.4.2 全容量高旁，大容量低旁为避免增加凝汽器及凝结水泵等的投资，鉴于必配100%再热安全门的前提，低旁容量可降为5070%。但当满负荷时，汽轮机、发电机跳闸或FCB，大量蒸汽将通过再热安全门排入大气，若是持续时间较长则必然导致系统工质链的中断而造成MFT。因此，若要实现2.4.1的功能，则对控制系统等将提出较高要求。尤其是必须实现RUNBACK。即使这样，由于锅炉的热惯性太大，蒸发量的下降要几分钟的时间，相当的工质损失不可避免。且低旁容量相对越小，矛盾越突出。因此，对于凝汽器及除氧器水位控制也要采取一定的措施。另外，较快的低
12、旁开启速度，能减少过渡过程中的工质损失。2.5确保汽轮机启动的蒸汽品质按照中、美、日等国的技术规范，在新机组的调试阶段，允许蒸汽品质低于正常的运行标准。通过不同负荷阶段的“洗硅”等调试步骤，不断改善汽水品质以逐步达到生产标准。在此过程中，不可避免的造成大量的低标准的蒸汽侵袭入汽轮机。但在德国等欧洲国家，即使在调试阶段，也必须执行正常运行的蒸汽品质标准。这时，大容量旁路是唯一选择。机组整组启动前，先经过一个“带旁路启动”过程，锅炉的蒸汽借道旁路系统构成循环，其热负荷通常要达到45%BMCR甚至更高。在此过程中，采取加大炉水的置换力度及投入凝结水精处理系统等措施以逐步提高汽水品质。经过数天甚至数周
13、的时间，直至蒸汽品质达到标准后才允许冲转汽轮机。这一方法不仅仅是应用于基建阶段，事实上，机组的每次冷态启动都必须先带旁路运行，待汽水品质合格后方能冲转汽轮机。用这种方法，可以彻底杜绝低标准蒸汽对汽轮机通流部分所造成的伤害，这对高参数，大容量的汽轮机尤为重要。2.6 替代冲管在新机组的调试阶段，锅炉要通过酸洗及冲管等措施，对锅炉的受热面和主、再热汽管道进行清洗，彻底清除系统内的垢物和杂质，确保汽轮机的通流部分不受其伤害。但是在锅炉冲管期间，由于大量蒸汽持续的排向大气，产生很高分贝的噪声，对环境产生很不利的影响。在国内，曾有项目的冲管时间长达50多天。近年来，德国等一些欧洲国家的环保立法，禁止一些
14、地区电厂的锅炉冲管。因此，电厂的设计采取了两个措施：一是利用塔式炉的优势，其对流受热面均为水平布置，管内积水可完全排尽。故可对整个锅炉，包括过热器、再热器进行酸洗及大流量水冲洗，尽可能的在酸洗阶段清除管内积垢及杂质。二是采用100%BMCR的高低压旁路，在带旁路启动阶段，锅炉进行适当时间的高负荷运行。从而可起到相当于冲管的效果。2.7 大大减轻汽轮机固体颗粒侵蚀这是大容量旁路系统应用者无心插柳的成果。固体颗粒侵蚀（SPE）也称硬质颗粒侵蚀（HPE），是超（超）临界机组面临的主要问题之一。较多地发生在锅炉启动阶段，因其受热面受热冲击引起管子汽侧氧化铁剥离并形成固体颗粒，使汽轮机调节级，高、中压缸
15、第一级叶片产生侵蚀。美国和日本等国在这方面都有很多经验教训。许多超临界大机组在投产若干年后，由于严重的SPE而不得不更换调节级和中压缸第一级动、静叶。然而在欧洲，很少出现SPE的问题，这实际上得益于普遍的采用大容量旁路系统。锅炉通过带旁路启动，减缓了启动过程中过热器等蒸汽管道的温度变化，减少了固体颗粒的剥离，同时把启动过程中产生的固体颗粒直接排入凝汽器。近年美国新建的带较大容量旁路系统的超临界机组，SPE已大为减轻。3、 旁路的合理配置及须注意的问题3.1 高压旁路目前在国内，新建1000MW机组都采用了超超临界参数，主蒸汽温度都为600，因此，过热器安全门价格昂贵。而采用旁路取代安全门在技术
16、上已无争议。综合考虑采用100%BMCR高压旁路可得到附加的许多效能。从机组，特别是汽轮机方面长远的经济、技术和安全利益出发，吸取美（日）欧在这方面的经验教训。无论选用何种技术体系的主设备，采用100%高压旁路，取消过热器安全门应是一种较为合理的配置方式。3.2 低压旁路在中国，锅炉的调试冲管尚不被禁止，故可不考虑100% 容量的低压旁路。以不增加凝汽器冷却面积为原则，低旁容量在5070%均可。容量适当取大一些对实现停电不停机、停机不停炉及实现FCB有利。另外，从欧洲旁路的应用经验来看，高、低旁可分别由不同厂商供货。3.3 应注意的问题3.3.1 主汽流量测量和控制方式的配合大机组的锅炉主蒸汽流量，是机组协调控制系统主要的参数之一。以锅炉流量与汽轮机相同为前提，较多地用汽轮机调节级或第一级（无调节级）压力换算而得。当采用大容量旁路后，锅炉的主蒸汽流量应是汽轮机流量与
