1 000 MW 超超臨界二次再熱燃煤機(jī)組汽機(jī)旁路選型優(yōu)化

王桂峰

（浙江省能源集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310007）

燃煤發(fā)電在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中一直占有重要地位。隨著近年來(lái)國(guó)家提出“碳達(dá)峰，碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，可再生能源得到蓬勃發(fā)展，燃煤發(fā)電的市場(chǎng)份額逐漸降低。燃煤發(fā)電在中國(guó)能源保供中的地位尚未變化，但提高發(fā)電效率，降低發(fā)電煤耗是燃煤發(fā)電未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的燃煤機(jī)組已經(jīng)發(fā)展到超超臨界二次再熱發(fā)電系統(tǒng)。旁路系統(tǒng)對(duì)燃煤電廠來(lái)說(shuō)有著重要意義。在機(jī)組啟動(dòng)階段，旁路系統(tǒng)可以將超出汽機(jī)啟動(dòng)需求的蒸汽量直接引導(dǎo)至過(guò)熱器和再熱器，既平衡了蒸汽量，也實(shí)現(xiàn)用過(guò)量蒸汽對(duì)鍋爐受熱面的預(yù)熱，提高啟動(dòng)響應(yīng)度。超超臨界鍋爐在啟停工況下，容易形成四氧化三鐵（Fe3O4）硬粒。若這些硬粒進(jìn)入汽輪機(jī)做功，將對(duì)噴嘴及葉片級(jí)造成侵蝕，嚴(yán)重影響汽機(jī)的使用壽命。旁路系統(tǒng)在機(jī)組甩負(fù)荷工況時(shí)，瞬間切除大量蒸汽至旁路，有效防止汽機(jī)超速，對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全性尤為重要。

1 000 MW 超超臨界二次再熱機(jī)組因?yàn)楸旧韱螜C(jī)容量高，發(fā)電效率也高，是未來(lái)參與電網(wǎng)調(diào)峰的重要手段。在此條件下，機(jī)組運(yùn)行的靈活性、可靠性是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵之一。為滿足上述要求，盡量克服四氧化三鐵的硬粒侵蝕，必須配置合適的旁路系統(tǒng)。

1 二次再熱超超臨界機(jī)組旁路設(shè)置情況

部分國(guó)內(nèi)已投運(yùn)或建設(shè)中的二次再熱超超臨界機(jī)組旁路配置情況匯總?cè)绫? 所示。

表1 部分二次再熱超超臨界機(jī)組旁路配置情況

2 本工程旁路系統(tǒng)選型

設(shè)計(jì)選擇旁路系統(tǒng)時(shí)應(yīng)綜合考慮在電網(wǎng)中承擔(dān)的任務(wù)、汽機(jī)的沖轉(zhuǎn)啟動(dòng)方式及如何防固體顆粒物侵蝕等因素[1]。

2.1 電網(wǎng)運(yùn)行需求

本項(xiàng)目地處華東負(fù)荷中心，地區(qū)負(fù)荷變動(dòng)大。受此影響，項(xiàng)目的運(yùn)行靈活性高，機(jī)組要能實(shí)現(xiàn)頻繁啟停和快速升降負(fù)荷的功能。

啟動(dòng)響應(yīng)要求高。在汽機(jī)啟動(dòng)時(shí)，要控制主蒸汽、一次再熱蒸汽和二次再熱蒸汽的壓力、溫度維持到設(shè)定的水平，以滿足汽輪機(jī)各工況啟動(dòng)的要求，縮短啟動(dòng)時(shí)間，提高響應(yīng)度。

旁路系統(tǒng)的設(shè)置能使鍋爐具有獨(dú)立運(yùn)行的能力，從而減少鍋爐側(cè)設(shè)備維修以后的調(diào)試時(shí)間。同時(shí)，在不停爐工況下，為汽機(jī)側(cè)的設(shè)備緊急檢修創(chuàng)造條件。

2.2 本工程汽輪機(jī)廠提出的啟動(dòng)方式

本期工程的主機(jī)為東方鍋爐廠和上海汽輪機(jī)廠的主機(jī)組合。上海汽輪機(jī)廠對(duì)二次再熱汽輪機(jī)推薦采用超高壓缸、高壓缸、中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)的方式。這種啟動(dòng)方式?jīng)Q定了汽輪機(jī)旁路須設(shè)高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)旁路。

2.3 防固體顆粒物侵蝕

鍋爐的啟停爐和變負(fù)荷過(guò)程中，爐膛燃燒工況變化幅度較大，疊加母材和氧化膜的熱膨脹系數(shù)差異，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)壁氧化膜脫落，且氧化膜的厚度越厚，脫落所需應(yīng)力越小。過(guò)快的啟動(dòng)速率，是其產(chǎn)生氧化物較多的一個(gè)重要原因[2]。因此在620 ℃再熱的機(jī)組中，需合理設(shè)計(jì)啟動(dòng)時(shí)間，避免過(guò)快啟動(dòng)，引起氧化膜脫落。

保證必要的鍋爐啟動(dòng)時(shí)間，減少熱應(yīng)力沖擊引起的氧化物。啟動(dòng)前旁路必須運(yùn)轉(zhuǎn)，鍋爐出口蒸汽參數(shù)滿足汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)要求時(shí)，汽輪機(jī)才開(kāi)始沖轉(zhuǎn)，本工程鍋爐在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)下的最小流量為10%額定流量（極熱態(tài)為12%額定流量），旁路對(duì)減少顆粒有非常重要的作用。

盡量加大啟動(dòng)旁路容量也是防止固體顆粒物侵蝕的一種措施，可以增加啟動(dòng)過(guò)程中鍋爐受熱面的蒸汽通流量，使得氧化物更容易被帶走[3]。但當(dāng)旁路容量增大到65%以上時(shí)，低壓旁路閥后蒸汽量將超過(guò)凝汽器設(shè)計(jì)容量。

綜合以上設(shè)計(jì)功能，并結(jié)合上海汽輪機(jī)廠、東方汽輪機(jī)廠、哈爾濱汽輪機(jī)廠提供的汽輪機(jī)啟動(dòng)方式，本工程設(shè)計(jì)高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)旁路。

2.4 高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)旁路

系統(tǒng)的基本配置如下：①高壓旁路。鍋爐過(guò)熱器出口蒸汽通過(guò)高壓旁路進(jìn)入一次再熱冷段管道后進(jìn)入鍋爐一次再熱器入口。②中壓旁路。蒸汽由一次再熱器出口經(jīng)過(guò)中壓旁路后通過(guò)二次再熱冷段管道進(jìn)入鍋爐二次再熱器。③低壓旁路。蒸汽由鍋爐二次再熱器出口通過(guò)低壓旁路排至凝汽器。

三級(jí)串聯(lián)旁路的系統(tǒng)圖如圖1 所示。

圖1 旁路系統(tǒng)方案原則圖

3 旁路容量的選擇計(jì)算

3.1 旁路容量的定義

國(guó)內(nèi)旁路系統(tǒng)容量一般是指蒸汽為額定參數(shù)時(shí)，旁路系統(tǒng)的通流量與鍋爐額定蒸發(fā)量之比。因此，其高低旁路容量的定義如下：

根據(jù)以上定義，得出：

由旁路系統(tǒng)容量的定義中可以看出，旁路容量是指在BMCR 工況下旁路系統(tǒng)的通流能力。所以，在不同參數(shù)下旁路系統(tǒng)的容量是不相同的。

3.2 旁路容量的計(jì)算公式

一般情況下，旁路工況均為臨界工況。旁路閥出口蒸汽壓力與入口蒸汽壓力的比值遠(yuǎn)低于臨界壓比（對(duì)過(guò)熱蒸汽來(lái)說(shuō)，臨界壓比為0.546）。此時(shí)，特定的旁路閥的通流量只與旁路閥入口的蒸汽參數(shù)有關(guān)，具體公式如下：

式中：G為旁路通流量的數(shù)值，單位t/h；α為通流系數(shù)，與閥的開(kāi)度有關(guān)；A為通流面積的數(shù)值，單位cm2；K為絕熱指數(shù)；P1為閥前壓力的數(shù)值，單位MPa；V1為閥前比容的數(shù)值，單位m3/kg。

可見(jiàn)，旁路容量和閥前蒸汽壓力與比容比值的平方根成正比，即：

4 旁路計(jì)算結(jié)果

上海汽輪機(jī)廠提供的啟動(dòng)參數(shù)如表2 所示。

表2 上海汽輪機(jī)廠的啟動(dòng)運(yùn)行方式及沖轉(zhuǎn)參數(shù)

上海汽輪機(jī)廠推薦在鍋爐最小直流負(fù)荷下，為了滿足蒸汽溫度的最小鍋爐流量準(zhǔn)則，同時(shí)，為了避免因高壓排汽鼓風(fēng)發(fā)熱造成停機(jī)，取盡可能大的旁路容量。

根據(jù)前述本工程旁路的功能要求，結(jié)合汽機(jī)在不同工況下啟動(dòng)的蒸汽參數(shù)要求，對(duì)旁路系統(tǒng)的容量進(jìn)行計(jì)算。高、中、低壓旁路計(jì)算結(jié)果分別如表3—表5 所示。

表3 高壓旁路計(jì)算結(jié)果

表4 中壓旁路計(jì)算結(jié)果

表5 低壓旁路計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上表計(jì)算結(jié)果，在鍋爐最小直流負(fù)荷下，既要滿足蒸汽溫度的最小鍋爐流量準(zhǔn)則，還要避免因高壓排汽鼓風(fēng)發(fā)熱造成停機(jī)，可以選取的最大的旁路容量為45%BMCR。

根據(jù)三級(jí)旁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，中壓旁路容量是高旁入口蒸汽流量和高旁減溫水流量之和，低壓旁路容量是中壓旁路入口蒸汽流量和中旁減溫水流量之和。

5 汽機(jī)旁路選型結(jié)果

選用合適的旁路系統(tǒng)可以有效改善機(jī)組的啟動(dòng)性能，縮短啟動(dòng)時(shí)間。同時(shí)還能減少機(jī)組的壽命消耗和加強(qiáng)變負(fù)荷適應(yīng)能力。對(duì)于本工程，根據(jù)汽輪機(jī)廠提供的二次再熱汽輪機(jī)啟動(dòng)方式，采用高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)旁路。

根據(jù)機(jī)爐匹配啟動(dòng)曲線和旁路容量計(jì)算結(jié)果，本項(xiàng)目汽輪機(jī)旁路選型如下：①高壓旁路系統(tǒng)容量為45%BMCR；②中壓旁路系統(tǒng)容量按啟動(dòng)工況最大主蒸汽流量加減溫水量選型；③低壓旁路系統(tǒng)容量按中壓旁路流量加減溫水量選型。