國(guó)產(chǎn)機(jī)組旁路系統(tǒng)存在的問題及優(yōu)化改造

李路江，楊海生，唐廣通

（河北省電力研究院，石家莊市，050021）

1 旁路系統(tǒng)概述

旁路系統(tǒng)是現(xiàn)代大型機(jī)組的重要附屬設(shè)備，其主要功能如下：機(jī)組冷態(tài)或熱態(tài)啟動(dòng)初期，當(dāng)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)尚未達(dá)到汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)條件時(shí)，由旁路系統(tǒng)通流至凝汽器或排汽裝置，以回收工質(zhì)和熱能；適應(yīng)系統(tǒng)暖管和儲(chǔ)能的要求，特別是在熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，鍋爐可在較大的燃燒率、較高的蒸發(fā)量下運(yùn)行，加速提高汽溫，使之與汽輪機(jī)的金屬溫度匹配；鍋爐啟動(dòng)或汽輪機(jī)甩負(fù)荷工況下，鍋爐新蒸汽經(jīng)旁路系統(tǒng)進(jìn)入再熱器，以確保再熱器不超溫，汽輪機(jī)短時(shí)故障，可實(shí)現(xiàn)停機(jī)不停爐運(yùn)行；停機(jī)時(shí)，鍋爐產(chǎn)生的新蒸汽經(jīng)旁路系統(tǒng)減溫、減壓后進(jìn)入凝汽器，回收了工質(zhì)；電網(wǎng)故障時(shí)，通過旁路系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)移，機(jī)組可帶廠用電負(fù)荷運(yùn)行；當(dāng)主蒸汽壓力或再熱蒸汽壓力超過規(guī)定值時(shí)，旁路閥迅速開啟進(jìn)行減壓泄流，從而對(duì)機(jī)組實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)。

隨著電網(wǎng)峰谷差日益顯著，大機(jī)組要有較強(qiáng)的調(diào)峰能力，旁路系統(tǒng)的作用更為突出。提高旁路系統(tǒng)適應(yīng)甩負(fù)荷的能力，不但可以縮短甩負(fù)荷后的并網(wǎng)時(shí)間，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性，而且對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)大機(jī)組廣泛采用兩級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)，如圖1所示。

2 國(guó)產(chǎn)機(jī)組旁路系統(tǒng)存在的問題

國(guó)產(chǎn)旁路系統(tǒng)在控制系統(tǒng)功能上與國(guó)外機(jī)組基本相同，包括高、低壓旁路控制閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)在內(nèi)，基本上是引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品，但熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是全部獨(dú)立完成的。大部分國(guó)產(chǎn)大型機(jī)組旁路系統(tǒng)存在較多的設(shè)計(jì)問題，不能適應(yīng)機(jī)組突甩負(fù)荷的要求。旁路系統(tǒng)只能滿足機(jī)組一般的啟停要求，不能起到對(duì)機(jī)組的保護(hù)作用。在進(jìn)行機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)前（帶負(fù)荷調(diào)試階段），必須做好充分的準(zhǔn)備工作，并在甩負(fù)荷過程中及時(shí)準(zhǔn)確操作，才能保障甩負(fù)荷試驗(yàn)的順利完成。

國(guó)產(chǎn)機(jī)組配置的旁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問題如下。

2.1 旁路蒸汽調(diào)整閥布置不合理

高壓旁路蒸汽調(diào)整閥距離再熱器冷段管路較長(zhǎng)，低壓旁路蒸汽調(diào)整閥距離凝汽器管路較長(zhǎng)，有些機(jī)組低壓旁路蒸汽調(diào)整閥距離凝汽器管路長(zhǎng)度達(dá)到30 m以上，造成旁路系統(tǒng)暖管困難。如果暖管不充分，高、低壓旁路蒸汽調(diào)整閥突然開啟，會(huì)造成旁路系統(tǒng)管路強(qiáng)烈振動(dòng)。一些機(jī)組甚至發(fā)生旁路管道振動(dòng)導(dǎo)致管道斷裂，引發(fā)油系統(tǒng)著火，造成機(jī)組嚴(yán)重?fù)p壞的事故。

2.2 旁路系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)熱備用

多數(shù)機(jī)組旁路系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)熱備用管路，有些機(jī)組雖然設(shè)計(jì)了熱備用管路，但由于熱備用管路布置不合理，造成大量高品質(zhì)蒸汽浪費(fèi)；正常運(yùn)行過程中，熱備用管路閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。由于高、低壓旁路暖管需要一定的時(shí)間，鍋爐點(diǎn)火至汽溫達(dá)到汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)條件時(shí)間較長(zhǎng)，故從甩負(fù)荷到機(jī)組重新帶負(fù)荷時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重降低了機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力。這種設(shè)計(jì)使得高、低壓旁路系統(tǒng)只能用于機(jī)組啟動(dòng)時(shí)提升汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)，雖然有些機(jī)組高、低壓旁路系統(tǒng)閥門設(shè)計(jì)了快開功能，但其功能未能發(fā)揮。

機(jī)組正常運(yùn)行過程中，高、低壓旁路管路的溫度很低，特別是低壓旁路蒸汽控制閥后管道太長(zhǎng)，投運(yùn)前后壓力、溫度變化較大。機(jī)組剛投入運(yùn)行時(shí)，低壓旁路蒸汽管道溫度較低，再熱蒸汽進(jìn)入后會(huì)急劇凝結(jié)，形成氣液兩相流，使管道劇烈振動(dòng)。一般機(jī)組基建期內(nèi)甩負(fù)荷試驗(yàn)前需手動(dòng)將高、低壓旁路蒸汽控制閥保持一定開度進(jìn)行暖管，暖管結(jié)束方可進(jìn)行試驗(yàn)。在機(jī)組正常運(yùn)行過程中突然甩負(fù)荷，由于機(jī)組無熱備用功能，高、低壓旁路均不能開啟，鍋爐泄壓只能靠安全門及電磁泄放閥動(dòng)作，運(yùn)行中正式邏輯為甩負(fù)荷后停機(jī)停爐。

機(jī)組運(yùn)行過程中，只要實(shí)現(xiàn)高、低壓旁路系統(tǒng)管路熱備用，高、低壓旁路蒸汽調(diào)整閥可隨時(shí)開啟，機(jī)組甩負(fù)荷后通過高、低壓旁路系統(tǒng)及鍋爐燃油、給粉系統(tǒng)自動(dòng)或保護(hù)控制，就完全可以將主蒸汽壓力、再熱蒸汽壓力及其他主要參數(shù)控制在正常范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)不停機(jī)、不停爐，大大縮短甩負(fù)荷后機(jī)組的并網(wǎng)時(shí)間。

2.3 旁路系統(tǒng)邏輯功能不完善

旁路系統(tǒng)邏輯功能不完善，不能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過程及機(jī)組甩負(fù)荷后的邏輯控制，旁路系統(tǒng)閥門僅作為一般調(diào)整門使用。

基建期機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)前需臨時(shí)解除發(fā)電機(jī)跳閘聯(lián)跳汽輪機(jī)的保護(hù)，甩負(fù)荷后一般控制過程為：機(jī)組甩負(fù)荷口令發(fā)出后，快速將低壓旁路蒸汽控制閥打開，同時(shí)將高壓旁路蒸汽控制閥開至40%左右，然后根據(jù)主汽壓力變化情況進(jìn)行控制，高、低壓旁路減溫水調(diào)整閥處于自動(dòng)狀態(tài)。另外，由于機(jī)組甩負(fù)荷后，高、低壓旁路蒸汽調(diào)整閥突然開啟，造成凝汽器壓力升高；低壓缸排汽驟然減少，凝結(jié)水量減少，這些均會(huì)造成凝汽器熱井水位降低，故機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)前需手動(dòng)將凝汽器補(bǔ)水至較高水位。

2.4 噴水減溫系統(tǒng)存在的問題

有些機(jī)組旁路系統(tǒng)噴水減溫閥門及管路設(shè)計(jì)通流量不足，蒸汽調(diào)整閥開度較大時(shí)，減溫能力不足，造成高旁后蒸汽溫度易超出設(shè)計(jì)溫度，對(duì)凝汽器熱沖擊較大。

減溫水噴嘴直接對(duì)著調(diào)閥外殼壁，主蒸汽溫度達(dá)537℃，而減溫水溫度僅為165℃左右，未能充分霧化的水與蒸汽混合換熱效果差，引起混合后蒸汽溫度交替變化；另外，減溫水直接噴到外殼壁上易引起交變應(yīng)力，易使噴嘴處焊縫金屬疲勞而產(chǎn)生裂紋，減溫水管安裝在環(huán)形噴管下端，環(huán)形噴管承受減溫水管的重力，且減溫水管支吊架設(shè)置不合理，管道在減溫水截止閥開啟時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致焊口開裂。

2.5 旁路系統(tǒng)閥門可靠性較差

有些機(jī)組選用旁路系統(tǒng)閥門可靠性較差，不少機(jī)組旁路系統(tǒng)由于閥門密封面的泄漏而使機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)過熱蒸汽或再熱蒸汽泄漏到閥后，閥后管道的長(zhǎng)時(shí)間超溫運(yùn)行會(huì)使管道材質(zhì)發(fā)生蠕變，危及機(jī)組的安全運(yùn)行。同時(shí)新蒸汽及再熱蒸汽等高品質(zhì)蒸汽的泄漏直接影響機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，而且低壓旁路減溫減壓閥的泄漏還會(huì)使排汽缸溫度升高，凝汽器的真空度降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接影響汽輪機(jī)組的正常運(yùn)行。

2.6 高壓排汽泄放閥泄放能力不足

機(jī)組甩負(fù)荷后高壓缸溫度較高，轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鼓風(fēng)產(chǎn)生的熱量較多，如果高壓排汽泄放閥所在管路管徑較細(xì)，不足以將鼓風(fēng)產(chǎn)生的大量熱量帶走，汽輪機(jī)空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，高壓缸排汽溫度會(huì)逐漸升高，如果不及時(shí)并網(wǎng)，汽輪機(jī)很可能會(huì)由于高壓排汽溫度高（高于420℃）而保護(hù)動(dòng)作。為防止因高壓排汽溫度高而保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組甩負(fù)荷及汽輪機(jī)定速后，主蒸汽及再熱蒸汽在正常范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)組應(yīng)盡快并網(wǎng)。并網(wǎng)前逐漸關(guān)閉高壓旁路蒸汽調(diào)整閥，低壓旁路蒸汽調(diào)整閥處于全開狀態(tài)；并網(wǎng)后快速關(guān)閉高壓旁路蒸汽調(diào)整閥，并增加機(jī)組升負(fù)荷速率，高壓排汽逆止門打開一定開度，高壓排汽溫度降低后，逐漸關(guān)閉低壓旁路，這樣可有效防止高壓排汽溫度高而保護(hù)動(dòng)作。

3 旁路系統(tǒng)優(yōu)化方案

針對(duì)國(guó)產(chǎn)旁路系統(tǒng)存在的問題，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的旁路系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)有如下特點(diǎn)。

3.1 改變旁路蒸汽調(diào)整閥的布置位置

高壓旁路蒸汽調(diào)整閥布置在盡量靠近冷段管路，低壓旁路蒸汽調(diào)整閥布置在靠近凝汽器的位置，減溫水閥門均布置在靠近相應(yīng)的蒸汽調(diào)整閥的位置。高、低壓旁路蒸汽調(diào)整閥后管路很短，旁路系統(tǒng)投入前可以不用暖調(diào)整閥后管路，只要暖管至蒸汽調(diào)整閥前即可，這樣可以大大簡(jiǎn)化高、低壓旁路的暖管系統(tǒng)。

3.2 增加高、低壓旁路熱備用管路

在高、低壓旁路蒸汽調(diào)整閥前增加了管徑較細(xì)的暖管管路，其中高壓旁路暖管管路引至高壓自動(dòng)主汽門前，低壓旁路暖管管路引至中壓自動(dòng)主汽門前，并在相應(yīng)管路上加裝手動(dòng)門。機(jī)組正常運(yùn)行過程中，暖管管路手動(dòng)門處于全開狀態(tài)。這樣既保證了機(jī)組運(yùn)行時(shí)高、低壓旁路蒸汽調(diào)整閥前管道始終保持在較好的熱備用狀態(tài)，避免了蒸汽通過時(shí)對(duì)旁路系統(tǒng)管路的熱沖擊，同時(shí)高壓旁路暖管用主蒸汽在高壓缸做功，低壓旁路暖管用再熱蒸汽在中壓缸做功，高品質(zhì)蒸汽沒有任何浪費(fèi)，高、低壓旁路的暖管對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性沒有任何影響。如果高、低壓旁路減溫水管路較長(zhǎng)，可在減溫水管路最高點(diǎn)增加自動(dòng)排空氣系統(tǒng)。

3.3 增強(qiáng)旁路系統(tǒng)閥門的可靠性

要想使閥門的泄漏降到最低，應(yīng)盡量提高爐側(cè)安裝及檢修工藝標(biāo)準(zhǔn)，以減少爐側(cè)金屬雜質(zhì)顆粒的產(chǎn)生與留存，并嚴(yán)格控制旁路系統(tǒng)的吹管工藝。實(shí)踐證明，在減溫減壓閥內(nèi)加裝濾網(wǎng)，能將從鍋爐沖過來的雜質(zhì)顆粒進(jìn)行過濾。目前，已有多臺(tái)機(jī)組的旁路蒸汽減溫減壓閥進(jìn)行了加裝濾網(wǎng)的改進(jìn)，未出現(xiàn)雜物損傷密封面而導(dǎo)致閥門泄漏的現(xiàn)象。

3.4 改進(jìn)噴水減溫裝置

對(duì)于實(shí)際運(yùn)行中證明減溫能力不足的旁路裝置，應(yīng)通過改造旁路系統(tǒng)噴水減溫閥門及管路，適當(dāng)增加旁路的減溫水通流量。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，減溫水由下腔底部噴入，不與閥體直接接觸，噴在多孔的籠罩內(nèi)，保護(hù)閥體并減少交變應(yīng)力，使汽水混合充分；擴(kuò)大高壓旁路閥出口管徑，使蒸汽擴(kuò)容后與減溫水充分混合。

3.5 根據(jù)機(jī)組具體控制要求，實(shí)現(xiàn)旁路閥門的快開、快關(guān)功能

如機(jī)組設(shè)計(jì)或改造中需要實(shí)現(xiàn)停機(jī)不停爐或快速切負(fù)荷后帶廠用電運(yùn)行的功能，則實(shí)現(xiàn)旁路閥門的快開及快關(guān)功能是必要的。

在旁路閥門的快開及快關(guān)功能實(shí)現(xiàn)上，建議采用液動(dòng)或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以縮短旁路的響應(yīng)動(dòng)作時(shí)間。

3.6 增加啟動(dòng)及運(yùn)行過程中自動(dòng)控制功能

只要高、低壓旁路管路熱備用良好，機(jī)組運(yùn)行時(shí)高、低壓旁路可處于自動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)主蒸汽或再熱蒸汽壓力異常升高時(shí)，高、低壓旁路可及時(shí)投入運(yùn)行，有效避免鍋爐安全門的動(dòng)作。

一種比較成熟的旁路自動(dòng)控制邏輯如下：鍋爐點(diǎn)火前，高壓旁路調(diào)整閥可預(yù)置1個(gè)較低開度，主汽壓力設(shè)定值為Pmin。當(dāng)主汽壓力低于Pmin時(shí)，高旁調(diào)整閥開度保持不變（最小開度模式）。主汽壓力高于Pmin時(shí)，高旁調(diào)整閥開度隨之增大，維持主汽壓力不變，此時(shí)為最小壓力控制模式。一旦高壓旁路調(diào)整閥達(dá)到預(yù)置的開度時(shí)，則進(jìn)入設(shè)定閥位狀態(tài)，此時(shí)閥位將維持在預(yù)置閥位開度或以上，從而控制主蒸汽壓力上升（壓力爬坡模式）。當(dāng)主蒸汽壓力達(dá)到?jīng)_轉(zhuǎn)壓力開始沖轉(zhuǎn)后，高壓旁路維持主汽壓力不變，直至高壓旁路關(guān)閉。高壓旁路關(guān)閉后，旁路改為滑壓運(yùn)行，根據(jù)啟動(dòng)曲線決定高壓旁路控制壓力，當(dāng)主蒸汽壓力達(dá)到額定壓力時(shí)，高壓旁路改為定壓運(yùn)行，控制壓力為額定主汽壓力P0和一預(yù)設(shè)偏置值ΔP之和。低壓旁路在機(jī)組啟動(dòng)中也可以采用類似控制。

需要指出的是，國(guó)產(chǎn)機(jī)組旁路系統(tǒng)實(shí)際上還存在有些機(jī)組的控制邏輯、數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與上述旁路自動(dòng)控制功能不相匹配的情況。由于這些機(jī)組的中聯(lián)門不能參與調(diào)節(jié)，汽輪機(jī)旁路切除作為允許汽輪機(jī)掛閘的條件之一，此時(shí)裝設(shè)旁路只能起到汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前提升汽溫、汽壓和提高鍋爐燃燒率的作用。對(duì)這類情況，如果要實(shí)現(xiàn)前述啟動(dòng)及運(yùn)行中的自動(dòng)控制功能，必須對(duì)主機(jī)控制邏輯、數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的改造才能使旁路起到應(yīng)有的作用。

3.7 優(yōu)化機(jī)組甩負(fù)荷有關(guān)旁路系統(tǒng)邏輯

機(jī)組甩負(fù)荷后，低壓旁路噴水調(diào)整閥及蒸汽調(diào)整閥應(yīng)保護(hù)打開，根據(jù)機(jī)組甩負(fù)荷后高壓旁路開度與主汽壓力變化情況，高壓旁路可快開至50%左右，噴水閥快開至100%，然后根據(jù)高壓旁路后面溫度的變化情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。為防止減溫水閥動(dòng)作異常，高、低壓旁路蒸汽調(diào)整閥均應(yīng)增加閥后溫度高保護(hù)。

3.8 旁路優(yōu)化方案應(yīng)用實(shí)例

河北南網(wǎng)邯峰電廠660MW機(jī)組旁路系統(tǒng)采用以上方案。該機(jī)組的調(diào)試和運(yùn)行，以及甩負(fù)荷試驗(yàn)（旁路保護(hù)投入）證明，這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以避免旁路系統(tǒng)管道振動(dòng)，使旁路系統(tǒng)運(yùn)行良好，各種控制功能均能投入使用。

4 結(jié)論

汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)存在的設(shè)計(jì)問題直接影響了旁路系統(tǒng)正常功能的發(fā)揮，使運(yùn)行機(jī)組不能適應(yīng)突甩負(fù)荷的需要。對(duì)旁路系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化改造后，可使旁路系統(tǒng)得到更好的應(yīng)用，縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間及甩負(fù)荷后并網(wǎng)時(shí)間，從而最大程度提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

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