超超臨界機組汽輪機旁路系統(tǒng)的選型

1、超超臨界機組汽輪機旁路系統(tǒng)的選型摘要： 介紹了超超臨界機組汽機旁路系統(tǒng)的功能及類型，對華能玉環(huán)電廠41 000 mw超超臨界機組與華電國際鄒縣電廠四期21000 mw超超臨界機組的汽輪機旁路系統(tǒng)的設(shè)置方案進行了比較。前者選用的是高、低壓兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)，后者是高壓一級大旁路系統(tǒng)，他們在旁路系統(tǒng)的設(shè)置上有較大不同，但專家論證認(rèn)為這2種旁路系統(tǒng)均是可行的。文章還對旁路系統(tǒng)選型從機組啟動、運行方式、控制造價2個方面進行了說明。關(guān)鍵詞： 火力發(fā)電廠；超超臨界機組；汽輪機；鍋爐；旁路系統(tǒng)；機組啟動華能玉環(huán)電廠、華電國際鄒縣電廠四期擴建工程，均為1 000 mw等級的超超臨界機組，是我國目前正在建設(shè)的單機

2、容量最大、參數(shù)最高的大型燃煤火力發(fā)電機組，分別由華東電力設(shè)計院和西北電力設(shè)計院承擔(dān)電廠的總體設(shè)計。在旁路系統(tǒng)的選型中進行了廣泛的調(diào)研后，分別選用了高、低壓兩級串聯(lián)旁路和高壓一級大旁路，對我國在超超臨界大容量機組旁路系統(tǒng)的選型具有一定的借鑒意義。1超超臨界機組汽機旁路系統(tǒng)型式 目前國際上超臨界和超超臨界機組的可靠性已達到相當(dāng)高的水平。超超臨界機組已在歐洲和日本得到廣泛應(yīng)用。大容量超超臨界機組旁路系統(tǒng)的應(yīng)用情況從目前的歐洲和日本應(yīng)用來看主要可分為4種類型：三用閥旁路系統(tǒng)、一級大旁路系統(tǒng)、三級旁路系統(tǒng)和兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)。這4種類型的旁路系統(tǒng)，在我國正在運行的亞臨界參數(shù)機組中均有使用業(yè)績，但超超臨界機

3、組設(shè)備主要選用高壓一級大旁路系統(tǒng)和高、低壓兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)。下面對這2種系統(tǒng)分別進行介紹。1.1高壓一級大旁路系統(tǒng) 圖1高壓一級大旁路系統(tǒng)簡圖高壓 一級大旁路系統(tǒng)簡圖如圖1所示。當(dāng)此種旁路系統(tǒng)投運時主蒸汽經(jīng)減壓減溫后快速直接排入凝汽器。鍋爐的再熱器通常用不銹合金鋼制造，耐溫為800左右，可以干燒，不需要介質(zhì)冷卻。旁路的功能只是應(yīng)用于冷、熱態(tài)啟動和回收工質(zhì)。旁路容量為35%bmcr左右(bmcr為鍋爐最大額定出力)，在機組甩負(fù)荷時，由于旁路容量不能滿足安全門動作容量（約為42%bmcr），因而安全閥要動作。高壓一級大旁路系統(tǒng)簡單，一次性投資少，其缺點是：在啟動及甩負(fù)荷時必須嚴(yán)格控制鍋爐的燃燒；再

4、熱管道的暖管升溫十分困難，不利于機組熱態(tài)啟動；由于再熱汽溫和中壓缸壁溫不匹配，因而將損耗中壓缸的壽命。所以此類旁路系統(tǒng)只適用于帶基本負(fù)荷的機組，不適用于經(jīng)常熱態(tài)啟動的機組。 1.2高、低壓兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)高、低壓兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)簡圖如圖2所示。 圖2高、低壓兩級串聯(lián)旁路簡圖部分容量兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)的一般容量為30%40%bmcr。采用兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)的機組可在冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài)啟動條件下啟動，蒸汽溫度和金屬溫度相匹配，啟動時間縮短，能有效地回收工質(zhì)，對布置在煙溫較高區(qū)域的再熱器可起到保護作用，防止再熱器干燒，而且在主機跳機時能迅速打開。2兩座電廠超超臨界機組旁路系統(tǒng)方案比較 2.1鄒縣電

5、廠超超臨界機組主要技術(shù)參數(shù)鍋爐是東方鍋爐廠日本bhk公司生產(chǎn)的(dg3000/26.15ii1型) 超超臨界、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、前后墻對沖燃燒、變壓直流爐。汽輪機為東方汽輪機廠日本日立公司生產(chǎn)的(n1000-25.0/600/600型)超超臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式汽輪機。鍋爐和汽輪機的主要技術(shù)參數(shù)如下：（1） 鍋爐參數(shù)。鍋爐最大連續(xù)出力：3 033 t/h過熱蒸汽壓力：26.25 mpa(a)過熱/再熱蒸汽溫度：605/ 603 再熱蒸汽流量：2 469.7 t/h再熱蒸汽出口壓力：4.89 mpa(a)（2） 汽機參數(shù)。最大功率：1 083.5 mw主汽

6、閥前壓力：25.0 mpa（a）主汽閥前溫度：600 再熱主汽閥進口壓力：4.68 mpa（a）再熱主汽閥進口溫度：600 汽輪機旁路系統(tǒng)為高壓一級大旁路系統(tǒng)，其容量為25%bmcr。旁路系統(tǒng)裝置由高壓旁路閥、噴水調(diào)節(jié)閥、噴水隔離閥等組成，制造商為德國西門子公司。高壓一級大旁路系統(tǒng)旁路閥的主要技術(shù)參數(shù)：設(shè)計入口壓力：27.03 mpa(a)；出口蒸汽壓力：1.6 mpa(a)；設(shè)計入口溫度：610 ；出口蒸汽溫度：250 。2.2玉環(huán)電廠超超臨界機組的主要技術(shù)參數(shù)鍋爐是哈爾濱鍋爐廠根據(jù)三菱技術(shù)支持制造的超超臨界變壓運行直管水冷壁直流鍋爐。汽輪機為上海汽輪機廠根據(jù)西門子技術(shù)支持聯(lián)合設(shè)計制造的汽輪

7、機，型號為n100026.25/600/600，型式為超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機。鍋爐、汽輪機的主要技術(shù)參數(shù)如下：（1） 鍋爐參數(shù)。鍋爐最大連續(xù)出力：2 952.5 t/h過熱蒸汽壓力：27.46 mpa(a)過熱/再熱蒸汽溫度：605/ 603 再熱蒸汽出口壓力5.94 mpa(a)（2） 汽機參數(shù)。最大功率：1 037 mw主汽閥前壓力：26.25 mpa（a）主汽閥前溫度：600 再熱主汽閥進口溫度：600 旁路系統(tǒng)選用了高、低壓兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)，高旁容量為40%bmcr，低旁容量為40%bmcr+高旁噴水量，旁路容量考慮10 %的裕量。旁路閥的主要技

8、術(shù)參數(shù)如下：（1） 入口設(shè)計壓力：高旁閥為26.25 mpa(a)；低旁閥為5.746 mpa(a)。（2） 入口蒸汽溫度：高旁閥為600 ；低旁閥為600 。（3） 出口蒸汽壓力：高旁閥為6.393 mpa(a)；低旁閥為0.86 mpa(a)。（4） 出口蒸汽溫度：高旁閥為377.8 ；低旁閥為180 。2.32種旁路系統(tǒng)方案比較華電國際鄒縣電廠四期工程與華能玉環(huán)電廠一期工程均為1 000 mw等級的超超臨界火力發(fā)電機組，汽輪機主汽門及再熱汽門前的蒸汽額定參數(shù)也均為25.0 mpa（a）/600/600，但由于主設(shè)備選用了不同的制造廠家，所以設(shè)計的旁路系統(tǒng)功能不一樣，故在旁路系統(tǒng)的設(shè)置方案

9、上也不相同。（1） 共同點。2種旁路系統(tǒng)，都是按照帶基本負(fù)荷并參與調(diào)峰的要求設(shè)計，都能滿足改善機組啟動特性和縮短機組啟動時間的要求，都具有回收工質(zhì)、減少噪聲的作用。（2） 不同點。玉環(huán)電廠一期工程的旁路系統(tǒng)為高、低壓兩級串聯(lián)旁路，機組可以進行高中壓缸聯(lián)合啟動，也可以進行中壓缸啟動，鄒縣四期工程的旁路系統(tǒng)為高壓一級大旁路系統(tǒng)；機組只能進行高壓缸啟動； 玉環(huán)電廠一期機組具備帶廠用電運行和停機不停爐的功能，鄒縣電廠四期機組不具備這2種功能；玉環(huán)電廠一期旁路容量大于鄒縣電廠四期旁路容量；玉環(huán)電廠的旁路系統(tǒng)較復(fù)雜，控制難度較大，因而無論在近期旁路系統(tǒng)的投資或遠(yuǎn)期旁路系統(tǒng)的維護上的費用均要大于鄒縣電廠四期

10、。2家電廠在旁路系統(tǒng)的設(shè)置上有較大的區(qū)別，但經(jīng)專家論證，這2種旁路系統(tǒng)均是可行的。3超超臨界機組汽機旁路系統(tǒng)的設(shè)計要求超超臨界機組設(shè)置汽機旁路系統(tǒng)的主要作用是改善機組啟動特性，縮短機組的啟動時間，保護再熱器，回收工質(zhì)等。由于超超臨界機組單機容量較大，蒸汽參數(shù)較高，一般帶基本負(fù)荷，有時也參與調(diào)峰，故在設(shè)置旁路系統(tǒng)時需滿足機組的特殊運行方式。3.1滿足機組快速啟動要求機組的啟動方式按帶旁路和不帶旁路2種類型可分為：帶旁路的高中壓缸聯(lián)合啟動、中壓缸啟動和不帶旁路的高壓缸啟動方式。機組啟動時間的長短取決于鍋爐達到汽輪機沖轉(zhuǎn)要求的過熱蒸汽參數(shù)和再熱蒸汽參數(shù)的時間，而鍋爐升溫、升壓速度取決于鍋爐啟動疏水和

11、排汽系統(tǒng)，通過調(diào)整這些系統(tǒng)中的閥門來協(xié)調(diào)鍋爐蒸汽的溫度、壓力和流量，設(shè)置旁路系統(tǒng)后可以在啟動時提高鍋爐升溫、升壓速度，使鍋爐蒸汽參數(shù)(溫度、壓力和流量)維持在合適的水平，還可以在機組沖轉(zhuǎn)前利用旁路系統(tǒng)對汽缸進行預(yù)熱，以縮短機組的啟動時間。高壓缸啟動的機組，進汽量由高壓調(diào)門控制，中壓主汽門和中調(diào)門處于全開狀態(tài)不參與調(diào)節(jié)，旁路系統(tǒng)必須在汽機沖轉(zhuǎn)前退出運行，旁路系統(tǒng)的作用是提高鍋爐升溫、升壓速度及改善鍋爐燃燒率，無法實現(xiàn)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定主蒸汽及再熱蒸汽參數(shù)。中壓缸啟動的機組，高壓主汽門和高壓調(diào)門全關(guān)，由中壓調(diào)門控制汽機的進汽量和轉(zhuǎn)速，能實現(xiàn)旁路系統(tǒng)所能具有的各種功能，可改善機組的啟動特性，在汽機沖轉(zhuǎn)過程中

12、發(fā)揮調(diào)節(jié)和穩(wěn)定蒸汽參數(shù)的作用。選用哪種啟動方式，如何配置旁路系統(tǒng)，應(yīng)通過經(jīng)濟技術(shù)比較后決定，同時還應(yīng)考慮汽輪機制造廠家的使用業(yè)績。目前，日本日立公司生產(chǎn)的超超臨界1000 mw等級的汽輪機一般設(shè)置高壓一級大旁路，采取高壓缸啟動方式；日本三菱公司生產(chǎn)的超超臨界1 000 mw機組旁路系統(tǒng)采用30%兩級串聯(lián)旁路，可選用中壓缸啟動或高中壓缸聯(lián)合啟動等多種啟動方式；西門子公司生產(chǎn)的超超臨界1000 mw等級的汽輪機設(shè)置高、低壓兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)，采取高中壓聯(lián)合啟動方式，也有選用高中壓缸啟動方式而不設(shè)置旁路系統(tǒng)的成功案例。3.2滿足機組特殊運行方式要求對于經(jīng)常擔(dān)當(dāng)調(diào)峰任務(wù)的機組來說，啟停比較頻繁，如果能停

13、機不停爐則會大大縮短機組的啟動時間。這種情況下，旁路系統(tǒng)的容量應(yīng)以不投油助燃尚能保證鍋爐穩(wěn)定燃燒的最低出力為依據(jù)，以保證機組隨時可以啟動并網(wǎng)。 對于長期擔(dān)當(dāng)基本負(fù)荷的機組來說，熱態(tài)啟動次數(shù)相對較少，這種情況下，旁路系統(tǒng)的停機不停爐功能作用不大。目前的超超臨界1000 mw等級機組一般按基本載荷進行設(shè)計，不需要考慮旁路系統(tǒng)停機不停爐功能。但隨著電網(wǎng)容量的增大及汽輪機制造水平的提高，不排除超超臨界600mw等級機組承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)的可能性。為了保證電網(wǎng)的安全可靠運行及快速故障恢復(fù)，電網(wǎng)有時候選擇少數(shù)機組具備帶廠用電運行的功能。帶廠用電運行工況是一個極惡劣的運行工況，是以犧牲機組壽命為代價的，且發(fā)生概率

14、極少。帶廠用電運行工況不單取決于旁路系統(tǒng)的設(shè)計，還取決于鍋爐及輔機的可控性，控制和保護系統(tǒng)的正確性和可靠性，汽輪機的適應(yīng)性和穩(wěn)定性等因素。對某一電網(wǎng)而言，只要其中有1臺或2臺機組有機組快速甩負(fù)荷(fcb)的功能，就可以在電網(wǎng)解列時，使整個電網(wǎng)快速得到恢復(fù)，而不需要每個電廠都要有這種功能。超超臨界大容量機組要實現(xiàn)帶廠用電運行功能，旁路系統(tǒng)容量設(shè)置較大，控制系統(tǒng)復(fù)雜，投資較大，且利用率很低，所以一般不考慮帶廠用電運行功能。3.3滿足控制工程造價的要求不同的旁路系統(tǒng)，對設(shè)備的要求不同，系統(tǒng)的復(fù)雜程度也不同，在滿足機組旁路系統(tǒng)功能需要的前提下，應(yīng)盡可能地簡化系統(tǒng)管道及附件配置，選用典型的有成功業(yè)績的制

15、造廠家，以降低投資，滿足控制工程造價的要求。4結(jié)束語汽機旁路系統(tǒng)的選型，不但要考慮技術(shù)因素，還要考慮經(jīng)濟因素，選型的合理與否不但影響機組的整體經(jīng)濟性，還影響機組的安全性，故在進行旁路系統(tǒng)選型時要通過全面的經(jīng)濟技術(shù)分析，廣泛的調(diào)研后決定。超超臨界機組作為潔凈煤發(fā)電技術(shù)之一，代表我國電力建設(shè)的發(fā)展方向，研究超超臨界機組的汽機旁路系統(tǒng)選型，可以促進超超臨界機組建設(shè)水平的提高，為安全經(jīng)濟運行超超臨界機組提供技術(shù)支持。由于我國在超超臨界機組的研發(fā)上起步較晚，還沒有成功的業(yè)績，所以還需要進一步探討機組旁路系統(tǒng)作為機組的重要輔助系統(tǒng)，其配置的優(yōu)劣將直接影響機組的安全性和經(jīng)濟性。 旁路系統(tǒng)的作用1、在機組啟動

16、及甩負(fù)荷時保護再熱器，防止再熱器干燒。2、機組啟動時調(diào)節(jié)啟動參數(shù)，縮短啟動時間。對于直流鍋爐，旁路系統(tǒng)選擇的容量超過干濕切換負(fù)荷，可以使鍋爐直接進入純直流狀態(tài)運行。3、回收工質(zhì)，減少對外排汽帶來的工質(zhì)浪費和產(chǎn)生的噪音。旁路系統(tǒng)的四種型式 而旁路系統(tǒng)的形式多種多樣，大致可分為一級大旁路系統(tǒng)、二級串聯(lián)旁路系統(tǒng)、三級旁路系統(tǒng)和三用閥旁路系統(tǒng)四種型式。1、 一級大旁路：系統(tǒng)簡單，（主蒸汽減壓減溫后直接排到凝汽器）投資省，控制系統(tǒng)簡單，便于操作，可滿足機組啟動、停機過程中回收工質(zhì)并加快啟動速度的要求，缺點是機組啟動時再熱系統(tǒng)的暖管升溫受到限制，對機組的啟動不利；蒸汽不流經(jīng)再熱器系統(tǒng)，使鍋爐再熱系統(tǒng)的材質(zhì)

17、、布置及再熱器區(qū)的煙氣溫度受到限制，對再熱器不能起到保護作用。在運行中旁路系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活性不高，負(fù)荷適應(yīng)性較差，不能完全起到旁路系統(tǒng)應(yīng)有的作用。 另外，現(xiàn)有的600mw機組多數(shù)已采用了比較先進的中壓缸啟動方式，采用一級大旁路，再熱系統(tǒng)沒有蒸汽，無法實現(xiàn)中壓缸啟動。 2、 二級串聯(lián)旁路系統(tǒng)：流程是主蒸汽-高旁減溫減壓-再熱器-低旁減溫減壓-凝汽器，它特點是在機組啟動和甩負(fù)荷時能夠保護再熱器，防止其干燒損壞；能夠滿足機組熱態(tài)啟動時蒸汽溫度與汽缸金屬壁溫的匹配要求，縮短機組在各種工況下的啟動時間，滿足機組帶中間負(fù)荷及調(diào)峰的需要，此系統(tǒng)的適應(yīng)性較強，而且能夠采用先進的中壓缸啟動方式，是目前國內(nèi)600mw

18、超臨界火電機組普遍采用的一種旁路形式。沁北、常熟、鎮(zhèn)江、國華太倉都采用了兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)。 3、三級旁路系統(tǒng)：是二級串聯(lián)旁路和一級大旁路的組合，適應(yīng)性強，運行靈活，滿足機組的各種運行工況兼有大旁路系統(tǒng)和兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)的優(yōu)點，但啟動系統(tǒng)復(fù)雜，鋼材消耗量大，現(xiàn)在基本上已不再采用。 4、三用閥旁路系統(tǒng)：特點是高壓旁路閥兼有啟動調(diào)節(jié)閥、減壓閥和安全閥的作用，故稱為三用閥系統(tǒng)，亦是由高、低壓旁路系統(tǒng)組成的兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)，但其容量配置較大，一般推薦采用100（425%）容量的高壓旁路，60-70容量的低壓旁路，并設(shè)置帶有附加控制的再熱器安全閥。三用閥是可控的，能實現(xiàn)快速自動跟蹤超壓保護，省去了鍋爐過熱

19、器安全閥。通過調(diào)節(jié)控制汽壓以適應(yīng)機組不同工況的滑參數(shù)啟停和運行，機組甩負(fù)荷后鍋爐不立即熄火，能帶廠用電運行，事故排除后即可重新投人，既減少鍋爐啟停次數(shù)，又減輕了對汽輪機的熱沖擊，縮短恢復(fù)時間。三用閥的結(jié)構(gòu)尺寸小，便于布置和檢修。由于三用閥具有多種功能，對熱控和調(diào)節(jié)系統(tǒng)等方面的要求高，液壓控制難度大，功耗較高，全容量旁路系統(tǒng)的管道尺寸增加，其投資昂貴 而且這種設(shè)計違反國家勞動部頒發(fā)的蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程（勞動部發(fā)1996276號），第131條可分式省煤器出口處、蒸汽過熱器出口處、再熱器入口處和出口處以及直流鍋爐的啟動分離器，都必須裝設(shè)安全閥。第133條 鍋筒（鍋殼）上的安全閥和過熱器上的安全閥的總排放量，必須大于鍋爐額定蒸發(fā)量，并且在鍋筒（鍋殼）和過熱器上所有安全閥開啟后，鍋筒（鍋殼）內(nèi)蒸汽壓力不得超過設(shè)計時計算壓力的1.1倍。（華能石洞口二廠采用的是100%容量的高旁和65%容量的低旁）。旁路系統(tǒng)的選型：選型的依據(jù)：選擇旁路系統(tǒng)型式時應(yīng)考慮機組在電網(wǎng)中