1000MW級火電機組旁路系統(tǒng)的作用及配置討論-編輯3

1、1000MW級火電機組旁路系統(tǒng)的作用及配置 中國電力2005.81000MW級火電機組旁路系統(tǒng)作用及配置收稿日期：2005-01-17；修回日期：2005-05-26作者簡介：馮偉忠（1954-），男，上海人，高級工程師，上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司副總經(jīng)理。從事電廠基建工程及生產(chǎn)技術(shù)管理。E-mail:003 馮偉忠（上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司，上海 200137）摘要：介紹當(dāng)前世界上美、日、歐等不同技術(shù)體系的大機組旁路系統(tǒng)的配置特點，對旁路系統(tǒng)的諸多作用及應(yīng)用時須注意的問題作了闡述。大容量旁路系統(tǒng)，不僅能縮短啟動時間，且能使鍋爐直接進入純直流狀態(tài)運行，有利于熱態(tài)啟動機爐蒸汽參數(shù)的配合

2、。鍋爐帶大容量旁路啟動，能確保汽輪機啟動的蒸汽品質(zhì)，大大減輕汽輪機固體顆粒侵蝕，甚至替代沖管等。全容量高壓旁路，能取代過熱器安全門，并能進行滑壓運行跟蹤溢流，提高汽輪機的安全性，再配置全容量或大容量低壓旁路，輔之以控制系統(tǒng)的配合，能實現(xiàn)停電不停機、停機不停爐及FCB等。據(jù)此，1000MW級超超臨界機組旁路配置以100%高旁+（5070%）低旁最為合理，最低不宜小于40%。關(guān)鍵詞：超超臨界機組； 旁路配置； 啟動； 滑壓運行； FCB中圖分類號： 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9649（2005）08-0000-000 引言近年來，隨著經(jīng)濟、技術(shù)的發(fā)展和電網(wǎng)容量的擴大，以外高橋二期工程29

3、00MW超臨界機組的建成投產(chǎn)及玉環(huán)電廠41000MW超超臨界機組的開工建設(shè)為標(biāo)志，我國的火電機組建設(shè)已跨上了百萬級的臺階。對于這樣的機組，其鍋爐和汽輪機的技術(shù)與以往600MW及以下容量的機組有顯著不同。特別是正確認(rèn)識和充分發(fā)揮旁路系統(tǒng)的作用，合理地配置旁路系統(tǒng)的容量，對改善百萬級機組的調(diào)試、確保機組的長期安全運行至關(guān)重要。對于百萬級機組，當(dāng)前世界上歐、美、日、俄（蘇）等不同的技術(shù)流派基本都采用超（超）臨界技術(shù)。但由于地域及技術(shù)體系的不同，對于旁路系統(tǒng)的配置及運行方式也有很大差別。如在美國，一般都采用小于20%BMCR的小旁路，僅用于機組啟動階段，鍋爐過熱器出口配置安全閥，有的大機組甚至不配旁路

4、。日本的三大廠基本上傳承了美國的技術(shù)體系。歐洲在鍋爐和汽輪機技術(shù)上與美國（日本）有著很大差別，尤其是在旁路系統(tǒng)的應(yīng)用上，其理念與美（日）體系截然不同。特別是德國近年來建設(shè)的百萬級機組均采用了100%的高、低壓旁路配置，極大地拓展了旁路系統(tǒng)的作用，在旁路的應(yīng)用及發(fā)展方面積累了豐富的經(jīng)驗。外高橋二期工程為2900MW超臨界機組，在項目的各個階段，也由于對旁路系統(tǒng)在百萬級機組中的作用及特點認(rèn)識不足，曾走過一些彎路。通過機組的設(shè)計、安裝和調(diào)試等過程，對旁路系統(tǒng)的作用才有了深入的認(rèn)識，并取得了很多經(jīng)驗。尤其是借助于配置大容量旁路的有利條件，通過對控制系統(tǒng)的改進，成功實現(xiàn)了停機不停爐及機組快速甩負(fù)荷（FC

5、B）等。在近1a多的外高橋三期21000MW超超臨界機組工程的籌建中，通過對國際上百萬級超超臨界技術(shù)的調(diào)研，更進一步了解了旁路系統(tǒng)在百萬級機組中的不同配置及其特點。1 旁路系統(tǒng)的作用1.1 配合機組的啟動1.1 .1冷態(tài)啟動旁路容量的大小影響機組的啟動時間，若容量偏小，汽溫提高速度較慢，啟動過程較長。但對于百萬級機組，通常情況下年啟動次數(shù)較少，故冷態(tài)啟動中因旁路容量較小導(dǎo)致的啟動時間長的負(fù)面影響并不顯著。1.1 .2熱態(tài)啟動當(dāng)機組在運行或調(diào)試過程中突然跳閘，除非是機組剛冷態(tài)啟動，否則高、中壓缸均處于較高的溫度，且降溫速度極慢。此時若重新啟動，則鍋爐的蒸汽溫度必須與汽輪機的汽缸及調(diào)節(jié)閥溫度相匹配

6、。對于引進日本技術(shù)的百萬級機組，一般容許蒸汽溫度與汽缸的溫差小于50。而引進德國SIEMENS的超超臨界機組，此溫差僅允許小于20。因此，旁路的配置是不同的。對于日本技術(shù)的機組，旁路容量可小一些。而SIEMENS技術(shù)的機組，其旁路容量的配置必須較大。若旁路容量低于鍋爐最低直流負(fù)荷，則鍋爐在啟動過程中只能處于濕態(tài)，其運行特點類似于汽包爐。因熱負(fù)荷受限，汽溫將比正常運行時低得多。若不采取非常規(guī)措施，此汽溫不可能滿足汽輪機的要求。而SIEMENS汽輪機的數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）采用全自動程控方式啟動，若溫度條件不滿足，汽輪機無法沖轉(zhuǎn)。而若采用較大容量的旁路，只要鍋爐進入純直流狀態(tài)運行，通過改變煤水

7、比，其主汽溫度是任意的，與負(fù)荷無關(guān)。同時，主汽溫度的提高相應(yīng)提高了高壓缸排汽溫度，使再熱汽溫也得到提高，從而使熱態(tài)啟動蒸汽參數(shù)的配合不再成為問題。目前引進的百萬級機組，其干、濕態(tài)切換負(fù)荷約為30%33%。采用大于40%BMCR旁路容量就可確保鍋爐進入純直流狀態(tài)。1.2 取代安全門歐洲大機組普遍應(yīng)用的100%高壓旁路多為快速開啟型，通常在1s內(nèi)可完全打開。這種高壓旁路采用了高可靠性設(shè)計，可取代過熱器安全門。采用這種配置方式，可完全消除因高壓安全閥動作后產(chǎn)生的高強度噪音，且能最大限度的回收工質(zhì)。但須注意，即使配置100%的快速開啟型低壓旁路，仍必須配置100%再熱安全門。這是因為在出現(xiàn)汽輪機低真空

8、等故障時，不允許大量蒸汽再進入凝汽器，低壓旁路將被閉鎖。此時，高壓旁路來的蒸汽只能通過再熱安全門泄放。1.3 滑壓跟蹤溢流對于超（超）臨界機組，滑壓運行能提高低負(fù)荷工況下的機組效率。因此，無論配置調(diào)節(jié)級與否，采用滑壓運行已是百萬級機組設(shè)計的基本方式。有調(diào)節(jié)級的汽輪機一般采用復(fù)合滑壓（定滑定）方式運行，無調(diào)節(jié)級的SIEMENS汽輪機1則采用帶部分節(jié)流的滑壓或純滑壓方式運行。但在滑壓運行方式下，當(dāng)出現(xiàn)快速減負(fù)荷時，調(diào)門會快速關(guān)閉，造成調(diào)節(jié)級或調(diào)節(jié)閥（無調(diào)節(jié)級）的壓降急劇變大，導(dǎo)致其承受過大的應(yīng)力。而若旁路系統(tǒng)采用滑壓跟蹤溢流方式，當(dāng)調(diào)節(jié)閥或調(diào)節(jié)級壓降超過設(shè)定值，旁路將自動開啟進行溢流，以限制壓降的

9、進一步增大，提高汽輪機的安全性。當(dāng)然，這需配置大容量的旁路系統(tǒng)。如外高橋二期的SIEMENS 900MW超臨界機組配有100%BMCR高壓旁路及50%容量低壓旁路，取消了鍋爐過熱器安全閥，采用滑壓跟蹤溢流運行方式。1.4 停機不停爐及實現(xiàn)FCB 1.4.1 全容量高、低壓旁路鑒于百萬級機組在電網(wǎng)中舉足輕重，近年來在德國投產(chǎn)的多臺8001000MW機組無一例外地采用100%BMCR高、低壓旁路的配置。從理論上，只要汽輪機凝結(jié)水及循環(huán)水等系統(tǒng)運行正常，在任何電負(fù)荷下都能保證停電不停機、停機不停爐及容易地實現(xiàn)FCB。并且在汽輪機、發(fā)電機或主變壓器高負(fù)荷跳閘的情況下，鍋爐不受快速甩負(fù)荷甚至總?cè)剂咸l（

10、MFT）的沖擊。在停機或FCB后，鍋爐可平緩地降負(fù)荷。若汽輪發(fā)電機或電網(wǎng)故障很快被消除，則立即可再次啟動汽輪發(fā)電機并在并網(wǎng)后迅速加負(fù)荷。在正常工況下，由于回?zé)岢槠拇嬖?，一般只有約70%的蒸汽排入凝汽器。若采用100%低壓旁路，當(dāng)汽輪機跳閘后，所有蒸汽通過旁路進入凝汽器，再加上減溫噴水，凝結(jié)水量遠(yuǎn)大于正常工況。這就需要增大凝汽器冷卻面積和增加凝結(jié)水泵容量，因此，會顯著提高設(shè)備的初投資及增加運行成本。1.4.2 全容量高壓旁路，大容量低壓旁路鑒于必須配置100%再熱安全門，為避免增加凝汽器及凝結(jié)水泵等的投資，低壓旁路容量可降為50%70%。但當(dāng)滿負(fù)荷時，汽輪機、發(fā)電機跳閘或發(fā)生FCB，大量蒸汽將

11、通過再熱安全門排入大氣，若持續(xù)時間較長則導(dǎo)致系統(tǒng)工質(zhì)鏈的中斷而造成MFT。因此，若要實現(xiàn)停電不停機、停機不停爐及FCB，則對控制系統(tǒng)等將提出較高要求，尤其是必須實現(xiàn)RUNBACK。即使這樣，由于鍋爐熱慣性很大，蒸發(fā)量下降需要幾分鐘的時間，相當(dāng)?shù)墓べ|(zhì)損失不可避免。且低壓旁路容量相對越小，矛盾越突出，因此，對于凝汽器及除氧器水位控制也要采取一定措施。不過，較快的低壓旁路開啟速度，能減少過渡過程中的工質(zhì)損失。2004年8月16日，外高橋二期第2臺900MW機組發(fā)生了滿負(fù)荷下汽輪發(fā)電機跳閘故障，而這之前恰好剛完成了停機不停爐的改進，因此鍋爐沒有跳閘，在處理故障后重新啟動，只55 min便再次并網(wǎng)。在此

12、過程中，大容量旁路起了關(guān)鍵作用。而后，通過對分散控制系統(tǒng)（DCS）、DEH及旁路系統(tǒng)控制方式的進一步改進，在9月14日成功完成了滿負(fù)荷FCB試驗2，并在7min后再次并網(wǎng)。1.5 確保汽輪機啟動的蒸汽品質(zhì)按中、美、日等國的技術(shù)規(guī)范，新機組調(diào)試階段允許蒸汽品質(zhì)低于正常運行標(biāo)準(zhǔn)，通過不同負(fù)荷階段的“洗硅”等調(diào)試步驟，不斷改善汽水品質(zhì)以逐步達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。在此過程中，不可避免地造成大量、低標(biāo)準(zhǔn)的蒸汽進入汽輪機。但德國的超（超）臨界機組，即使在調(diào)試階段，也必須執(zhí)行正常運行的蒸汽品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這種情況下，大容量旁路是唯一選擇。新機組整組啟動前，先經(jīng)過一個“帶旁路啟動”過程，鍋爐蒸汽借道旁路系統(tǒng)構(gòu)成循環(huán)，其熱負(fù)

13、荷通常要達(dá)到45%BMCR甚至更高。在此過程中，采取加大爐水的置換力度及投入凝結(jié)水精處理系統(tǒng)等措施以逐步提高汽水品質(zhì)，經(jīng)過數(shù)天甚至數(shù)星期的時間，直至蒸汽品質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后才允許沖轉(zhuǎn)汽輪機。這一程序不僅應(yīng)用于基建階段，即使在投產(chǎn)后，機組的每次冷態(tài)啟動都必須先帶旁路運行，待汽水品質(zhì)合格后方能沖轉(zhuǎn)汽輪機。用這種方法可徹底杜絕低標(biāo)準(zhǔn)蒸汽對汽輪機通流部分造成的侵害，這對百萬級超超臨界汽輪機尤為重要。1.6 替代沖管在新機組調(diào)試階段，鍋爐要通過酸洗及沖管等措施對鍋爐受熱面和主蒸汽、再熱蒸汽管道進行清洗，徹底清除系統(tǒng)內(nèi)的垢物和雜質(zhì)，確保汽輪機通流部分不受其侵害。但在鍋爐沖管期間，由于大量蒸汽持續(xù)地排向大氣，產(chǎn)生

14、很高分貝的噪聲，對環(huán)境產(chǎn)生很不利的影響。近年來，德國等一些歐洲國家環(huán)保立法，禁止一些地區(qū)電廠的鍋爐沖管。因此，電廠的設(shè)計采取了2個措施，一是利用塔式爐的優(yōu)勢，其對流受熱面均為水平布置，管內(nèi)積水可完全排盡，故可對整個鍋爐包括過熱器、再熱器進行酸洗及大流量水沖洗，盡可能地在酸洗階段清除管內(nèi)積垢及雜質(zhì)；二是采用100%BMCR的高、低壓旁路，在帶旁路啟動階段，鍋爐進行適當(dāng)時間的高負(fù)荷運行，可起到相當(dāng)于沖管的效果。1.7 大大減輕汽輪機固體顆粒侵蝕3固體顆粒侵蝕（SPE）也稱硬質(zhì)顆粒侵蝕（HPE）是超（超）臨界機組面臨的主要問題，該問題較多發(fā)生在鍋爐啟動階段，因鍋爐受熱面受熱沖擊引起管子汽側(cè)氧化鐵剝離

15、并形成固體顆粒，使汽輪機調(diào)節(jié)級和高、中壓缸第1級葉片產(chǎn)生侵蝕。美、日等國在這方面都有很多經(jīng)驗教訓(xùn)，許多超臨界大機組在投產(chǎn)若干年后，由于嚴(yán)重的SPE而不得不更換調(diào)節(jié)級和中壓缸第1級動、靜葉。然而在歐洲很少出現(xiàn)SPE問題，這主要得益于普遍采用大容量旁路系統(tǒng)。鍋爐通過帶旁路啟動，減緩了啟動過程中過熱器等蒸汽管道的溫度變化，減少了固體顆粒的剝離，同時把啟動過程中產(chǎn)生的固體顆粒直接排入凝汽器。近年美國新建的帶較大容量旁路系統(tǒng)的超臨界機組，SPE已大為減輕。2 旁路的合理配置及需注意的問題2.1 高壓旁路百萬級超超臨界鍋爐的過熱器安全門價格昂貴，而采用旁路取代安全門在技術(shù)上已無爭議，特別是近年來較充分的競

16、爭，旁路系統(tǒng)價格已大為下降，綜合考慮采用100%BMCR高壓旁路可得到附加的許多效能。從機組，特別是汽輪機方面長遠(yuǎn)的經(jīng)濟、技術(shù)和安全利益出發(fā)，吸取美、日、歐在這方面的經(jīng)驗教訓(xùn)，結(jié)論是無論選用何種技術(shù)體系的主設(shè)備，采用100%高壓旁路、取消過熱器安全門應(yīng)是一種較為合理的配置方式。2.2 低壓旁路在中國，鍋爐的調(diào)試沖管尚不被禁止，故可暫不考慮100% 容量的低壓旁路。以不增加凝汽器冷卻面積為原則，低壓旁路容量為50%70%均可。容量適當(dāng)取大一些對實現(xiàn)停電不停機、停機不停爐及實現(xiàn)FCB有利。當(dāng)選用容量相對較大時，可不選快速開啟型，這對降低價格有利。另外，從歐洲旁路的應(yīng)用經(jīng)驗來看，高、低壓旁路亦可分別

17、由不同廠商供貨。2.3 應(yīng)注意的問題2.3.1 主汽流量測量和控制方式的配合大機組的鍋爐主蒸汽流量是機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的主要參數(shù)之一。以鍋爐流量與汽輪機流量相同為前提，較多用汽輪機調(diào)節(jié)級或第1級（無調(diào)節(jié)級）壓力換算而得。采用大容量旁路后，鍋爐的主蒸汽流量應(yīng)是汽輪機流量與高壓旁路蒸汽流量的總和，這在機組的測量與控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)予以注意。在機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計中，需注意在旁路處于溢流方式時與DEH間的壓力參數(shù)配合，應(yīng)避免DEH進入維持壓力模式運行，否則萬一當(dāng)旁路開啟溢流時壓力下降，DEH為維持壓力關(guān)閉調(diào)門，壓力升高，導(dǎo)致旁路繼續(xù)增大開度，如此循環(huán)，最終造成調(diào)門完全關(guān)閉而停機。2.3.2 低壓旁路噴水

18、控制精度低壓旁路的出口接至凝汽器，故低壓旁路的噴水應(yīng)將低壓旁路的排汽濕度控制到與汽輪機的排汽濕度相當(dāng)。濕度過小，甚至出現(xiàn)過熱態(tài)，將使凝汽器受到熱沖擊；濕度過大，則凝汽器冷卻管會被沖損。因此，選用低壓旁路時應(yīng)注意其控制精度與凝汽器廠商的濕度允許值的配合。外高橋二期工程，業(yè)主指定CCI公司為鍋爐島的旁路分包商，但CCI的低壓旁路控制精度為汽、水側(cè)分別為5.5%，而SIEMENS凝汽器對旁路的控制精度要求為綜合誤差小于5%，此接口矛盾僵持了近2a，后來才知道SIEMENS設(shè)計的低壓旁路巧妙利用了熱力學(xué)原理，其控制精度遠(yuǎn)高于常規(guī)旁路。由于已采購了CCI旁路，由業(yè)主方提出增加孔板式減溫水流量測量信號進行

19、低壓旁路水側(cè)流量校正，才勉強解決了這一問題。2.3.3 連鎖保護信號和控制系統(tǒng)配置旁路系統(tǒng)可配專用操作面板，也可由DCS或DEH以通信方式直接對旁路控制系統(tǒng)進行各種操作，但切記將保護用壓力變送器等重要信號直接送至旁路控制系統(tǒng)。另外，DEH及DCS與旁路系統(tǒng)的連鎖信號必須采用硬接線連接，確保連鎖和保護動作萬無一失。在歐洲，旁路廠商通常不供控制系統(tǒng)，僅將其作為執(zhí)行機構(gòu)，交由DCS系統(tǒng)直接操控。安全門功能仍由高壓旁路系統(tǒng)自帶。這種方式簡單、經(jīng)濟又安全，國內(nèi)今后應(yīng)推廣這種配置方式。3 結(jié)語百萬級汽輪發(fā)電機組在電網(wǎng)內(nèi)占有舉足輕重的地位，而旁路系統(tǒng)是鍋爐與汽輪機間的重要樞紐。合理配置旁路系統(tǒng)，應(yīng)綜合考慮機

20、組的安全性、經(jīng)濟性、可靠性和啟停及運行的靈活性等，對于超超臨界參數(shù)更應(yīng)關(guān)注SPE等問題。對旁路系統(tǒng)在1000MW超超臨界機組中的角色，切不可僅視作啟動之用。100%BMCR高壓旁路+（50%70%）低壓旁路系統(tǒng)應(yīng)是機組設(shè)計中優(yōu)先考慮的配置方案?？紤]到熱態(tài)啟動等因素，旁路系統(tǒng)的最小配置不宜低于40%，這樣的旁路配置思路，也可作600MW級超臨界機組設(shè)計時參考。近階段，國內(nèi)許多電廠都在做“黑啟動”方案，以期萬一遇到電網(wǎng)崩潰、電廠全停的情況可不靠電網(wǎng)倒送電進行啟動，但這需要采取諸如增加投資安裝小型發(fā)電設(shè)備等措施。與其如此，不如花錢配置機組的大容量旁路系統(tǒng)，實現(xiàn)FCB。參考文獻1 馮偉忠.外高橋電廠二

21、期900MW汽輪機的技術(shù)特點J.熱力發(fā)電，2003(6)：P25，P10.2 馮偉忠. 900 MW超臨界機組FCB試驗J.中國電力，2005，38（2）：P7477.3 史進淵,楊宇,鄧志成等.超超臨界汽輪機固體顆粒侵蝕的研究J.動力工程，2003（4）：P24872489，P2597. （責(zé)任編輯 呂玲）Reference1 FENG Wei-zhong.TECHNICAL FEATURES OF 900MW STEAM TURBINES IN THE SECOND-PHASE OF WAIGAOQIAO POWER PLANT. THERMAL POWER GENERATION, 200

22、3(6): P25，P10.2 FENG Wei-zhong. FCB test for 900 MW supercritical units. ELECTRICAL POWER, 2005,38(2): P7477.3 SHI Jin-Yuan, YANG Yu, DENG Zhi-cheng, et al. Research on Solid Particale Erosion of Ultra-Supercritical Steam Turbines, POWER ENGINEERING, 2003(4): P.24872489，P2597Functions and configurat

23、ions of the bypass system for 1000MW coal-fired power generation unitsFENG Wei-zhong（Shanghai Waigaoqiao No. 3 Power Generation Co., Ltd., Shanghai 200137，China）Abstract：This study presents the modern configurations characteristic of the bypass system for the large coal-fired power generation units

24、in the world with the different technical style from USA, Japan and Europe. And it mentions the functions of the bypass system and the notices during the applications of this facility. With large capacity bypass system, the start-up time of the unit can be shortened, the boiler can directly reach th

25、e one through operation, and the match of the parameters for the boiler and turbine becomes easy during hot start-up. Boiler start-up with large bypass system can ensure the steam quality for turbine start-up, greatly relieves the erosion to the turbine from the solid particles, it can even substitute for the steam blowing-out. The full capacity bypass can replace th