USC機組40%旁路實現(xiàn)100%旁路功能研究

方世清

（中國神華神皖能源有限責(zé)任公司，安徽省合肥市，230011）

隨著帶有蒸汽再熱系統(tǒng)的鍋爐在火力發(fā)電廠的運用，國內(nèi)配套汽輪機旁路系統(tǒng)的單元汽輪發(fā)電機組，從已淘汰的125 MW 機組發(fā)展到如今流行的1000 MW 機組，旁路的功能也從當(dāng)初改善機組啟停性能、保護(hù)再熱器，發(fā)展到如今的協(xié)調(diào)機組啟停、保障設(shè)備安全、減少排汽噪音、增加工質(zhì)回收、減少固體顆粒侵蝕 （SPE）、減少停爐頻次、實現(xiàn)機組FCB等功能。

美國的火電機組一般都采用小于20% BMCR的小旁路系統(tǒng)，以滿足機組的啟動要求；日本基本上傳承了美國的技術(shù)體系；歐洲百萬千瓦級機組大部分采用了100%的高、低壓旁路系統(tǒng)。我國于20世紀(jì)80年代引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的機組大多采用30%～40%BMCR 的高低壓兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)。近年來，隨著國家對節(jié)能減排要求的加大，新建機組大都是高效率、低排放的600～1000 MW 超 （超）臨界機組，但旁路系統(tǒng)容量的配置不像歐美國家，是百花齊放、百家爭鳴。以鄒縣、玉環(huán)、泰州電廠百萬千瓦USC 機組為代表的∏型爐，其旁路容量是25%～40% BMCR；以外三、寧海、銅陵電廠百萬千瓦USC機組為代表的塔式爐，其旁路系統(tǒng)是100%BMCR 高壓旁路+65% BMCR 低壓串聯(lián)旁路；而新密電廠1000 MW 塔式爐和700 MW 亞臨界汽包爐配套的卻是40%BMCR 高低壓串聯(lián)旁路系統(tǒng)。國內(nèi)外超 （超）臨界機組旁路配置情況見表1。

表1 國內(nèi)外百萬超超臨界機組旁路配置情況

1 SPE的危害及防治

1.1 SPE的危害

隨著機組參數(shù)的日益提高，固體顆粒侵蝕成為影響超 （超）臨界機組熱耗的主要問題之一，而且越來越受到關(guān)注。SPE 較多發(fā)生在鍋爐啟動階段。鍋爐停運后，受熱面汽側(cè)氧化鐵與母材開始松動或剝離，鍋爐再次啟動時，受熱沖擊引起管子剝離的氧化物，根據(jù)其質(zhì)量、形狀的不同及該處蒸汽動量的大小，或在管內(nèi)沉積，或隨蒸汽運動并形成固體顆粒，使汽輪機調(diào)節(jié)級和高、中壓缸第1級葉片產(chǎn)生侵蝕。SPE會使汽輪機級效率迅速下降，甚至危及葉片的安全運行。另外，沉積的氧化皮會危及爐管的安全運行，嚴(yán)重的甚至將導(dǎo)致過熱器、再熱器管爆破。分析2012年中電聯(lián)統(tǒng)計的全國300～1000 MW 火力發(fā)電機組各類等效非停原因數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：1000 MW 等級機組，鍋爐非停次數(shù)占總非停次數(shù)的67.14%，其中四管泄漏引起的非停次數(shù)占比為80.5%；600 MW 等級機組，鍋爐非停次數(shù)占總非停次數(shù)的66.56%，其中四管泄漏引起的非停次數(shù)占比為86.9%；300 MW 等級機組，鍋爐非停次數(shù)占總非停次數(shù)的42.6%，其中四管泄漏引起的非停次數(shù)占比為73.7%。300 ～1000 MW的3 個等級算術(shù)平均鍋爐非停次數(shù)占比為58.7%，其中四管泄漏引起的非停次數(shù)占比為80.4%。也就是說47.2%的機組非停是由鍋爐四管泄漏引起的，而鍋爐四管泄漏非停原因之一就是鍋爐氧化皮脫落，管道堵塞，局部蒸汽流量減少，爐管短期超溫引起的爆管。

1.2 SPE防治思路

1.2.1 控制氧化皮生成速度

（1）鍋爐點火前，利用臨機的蒸汽加熱鍋爐水系統(tǒng)和臨爐的熱風(fēng)加熱鍋爐的風(fēng)煙系統(tǒng)，確保鍋爐點火后鍋爐受熱面 （含向火側(cè)和背火側(cè)）受熱均勻、溫度變化緩慢，避免氧化皮與母材膨脹差過大導(dǎo)致氧化皮拉裂或脫落。在機組啟停過程中，要嚴(yán)格控制升／降溫速率，避免因氧化皮與母材膨脹差過大而導(dǎo)致氧化皮脫落。

（2）優(yōu)化燃燒，提高汽溫調(diào)節(jié)品質(zhì)。避免減溫水頻繁投停，保證減溫器噴咀的霧化效果，減少因受熱面溫度驟變而引起的氧化皮脫落。

（3）嚴(yán)格控制鍋爐各受熱面超溫，減緩氧化皮的生成速度。國內(nèi)某電廠2臺百萬千瓦機組投產(chǎn)4年以來，因運行人員嚴(yán)格執(zhí)行防超溫和控制啟停爐溫度變化速率等技術(shù)措施，停爐檢修割管檢查，受熱面內(nèi)壁保護(hù)得非常好，氧化皮很薄、光滑致密，未發(fā)生氧化皮脫落現(xiàn)象。

1.2.2 減少停爐頻次和機組非停次數(shù)

目前，USC 機組普遍采用單元制、單獨回路接入電網(wǎng)，配套合理容量的旁路系統(tǒng)后，可實現(xiàn)停網(wǎng)不停電、停電不停機、停機不停爐的功能。該機組具有的停機不停爐功能，使得停爐頻次減少，則出現(xiàn)鍋爐啟動超溫的概率降低，進(jìn)而減少鍋爐氧化皮的產(chǎn)生機率；停爐頻次減少，則熱負(fù)荷劇變引起的氧化皮脫落概率減少，進(jìn)而減少因氧化皮脫落造成爆管所引起的機組非停次數(shù)。

1.2.3 利用旁路吹凈脫落的氧化皮

旁路系統(tǒng)可以在汽輪機沖轉(zhuǎn)前建立起鍋爐的循環(huán)系統(tǒng)，將蒸汽和氧化皮排入凝汽器，待蒸汽品質(zhì)合格后再進(jìn)入汽輪機，減少啟動時蒸汽中的固體小顆粒進(jìn)入汽輪機，避免汽輪機發(fā)生固體顆粒侵蝕。

1.2.4 在新建機組鍋爐受熱面施工階段加強清潔度施工管理，減少施工過程中產(chǎn)生的固體顆粒

國內(nèi)某電廠在2臺百萬千瓦機組投產(chǎn)1年后對汽輪機葉片進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，不同的施工單位、相同的首次吹管方法和檢驗標(biāo)準(zhǔn)，葉片的光潔度差別很大。

2 SPE防治對旁路功能的要求

目前，國內(nèi)針對新建百萬千瓦機組的旁路容量暫時沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，各專家學(xué)者和投資方是仁者見仁，智者見智。目前，很多發(fā)電公司開始流行學(xué)習(xí)外三電廠的經(jīng)驗。2012～2013 年，外三電廠機組年平均負(fù)荷率為 76%， 供電煤耗為276g／kW·h，達(dá)到國際最好水平。其主要經(jīng)驗之一就是外三電廠應(yīng)用了100%旁路后，SPE 控制得非常好，汽輪機葉片非常干凈，汽輪機保持高效率運行。

旁路系統(tǒng)在SPE防治過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。一是在機組啟動階段開展高動量沖洗，將鍋爐受熱面及管道內(nèi)脫落的氧化皮送入凝汽器；二是實現(xiàn)機組停機不停爐及FCB 功能，減少鍋爐啟停次數(shù)。依據(jù)外三電廠的經(jīng)驗，高壓旁路容量需配置100%，低壓旁路容量為50%～100%，100%旁路是否是實現(xiàn)停機不停爐的必要條件；配置40%旁路的機組，如何實現(xiàn)100%旁路的功能，達(dá)到相同的SPE防治效果，成為當(dāng)下已經(jīng)采用40%旁路系統(tǒng)的發(fā)電公司需要研究和思考的問題。

3 國內(nèi)百萬千瓦機組旁路兩種典型方案的比較

針對40%旁路和100%旁路，從鍋爐安全閥數(shù)量、投資、功能等3個方面進(jìn)行對比分析。

3.1 安全閥數(shù)量及再熱器材料比較

旁路配置的安全閥比較見表2。

表2 旁路配置的安全閥比較

3.2 兩種旁路方案初投資比較

經(jīng)與鍋爐和旁路廠家咨詢，兩種旁路容量的價格以及因旁路容量不同引起的鍋爐材料、管道的價格變化見表3。

表3 旁路投資比較

經(jīng)上述投資比較，1套100%旁路采用帶安全閥功能的投資比40%旁路的投資增加2270萬元。

3.3 功能比較

旁路功能細(xì)化比較見表4。

表4 旁路功能細(xì)化比較表

從保障機組的安全性和經(jīng)濟性角度而言，無論是∏型鍋爐還是塔式爐，最重要的環(huán)節(jié)是解決鍋爐的非停問題，從上述2012年全國300～1000 MW機組可靠性分析數(shù)據(jù)及表4中兩種旁路功能比較分析可以看出，表4的第3～6項功能差異可以忽視；對已有40%旁路的鍋爐稍作改造就能達(dá)到100%旁路系統(tǒng)表4中的第7～11項功能。

4 USC機組40%旁路實現(xiàn)100%旁路功能解決方案

4.1 40%旁路解決SPE問題的改造方案

塔式爐的氧化皮主要存積在聯(lián)箱；∏型爐氧化皮主要存積在蛇形管排U 型彎的底部，少部分存積在聯(lián)箱。根據(jù)外三電廠塔式爐的運行經(jīng)驗，每次大、小檢修后，機組啟動期間，汽輪機沖轉(zhuǎn)前蒸汽流量達(dá)到80%的額定負(fù)荷流量時，可以將積存的固體顆粒吹掃干凈。根據(jù)某電力設(shè)計院的理論計算，80%額定負(fù)荷對應(yīng)的蒸汽流量也可以將∏型爐存積在過熱器和再熱器蛇形管排U 型彎的底部氧化皮吹掃干凈。某廠百萬千瓦USC 機組鍋爐安全門的配置情況見表5。

從表5可以看出，2只PCV 閥+2只過熱器出口安全閥的排放容量占鍋爐BRL 工況蒸發(fā)量（2910t／h）的39.26%，再加上40%的高壓旁路，排放總量為79.26%，接近80%。因此，無論該廠是塔式爐還是∏型爐，只要將該廠的2只過熱器出口安全閥改為PCV 閥或額外增加2只PCV 閥，通過PCV 閥和40%旁路配合，在機組啟動階段實現(xiàn)大流量沖洗，就能將積存在鍋爐管道和聯(lián)箱內(nèi)的氧化皮吹掃干凈，實現(xiàn)100%旁路的氧化皮清掃功能，只是過程中比100%旁路增大了排汽噪音，增加了工質(zhì)損失，但這種屬于小概率事件，正常情況下平均約為1次／a。

4.2 40%旁路實現(xiàn)停機不停爐及FCB的改造方案

如果機組能夠長期穩(wěn)定運行，氧化皮脫落的概率將大為降低。因此應(yīng)最大限度地減少鍋爐啟停次數(shù)，實現(xiàn)停線路不停電 （FCB）、停機不停爐，從根源上減少鍋爐啟停產(chǎn)生的氧化皮脫落。40%旁路在鍋爐PCV 閥配合下，利用PCV 閥開啟，緩解主汽壓力的飛升，完全能夠?qū)崿F(xiàn)停機不停爐及FCB功能，100%旁路并不是實現(xiàn)停機不停爐的必要條件。

4.3 FCB功能成功案例

2008年3月份，外三電廠成功進(jìn)行了100%負(fù)荷FCB 試驗，根據(jù)外三電廠提供的試驗記錄，F(xiàn)CB 動作后汽輪機旁路自動快開，13s后再熱安全門起座全開對空排汽，28s后開始逐漸關(guān)小，48s后重新回座關(guān)閉。2008年5月份，機組運行中曾經(jīng)歷過1次甩掉滿負(fù)荷，F(xiàn)CB動作，11min 36s后，機組重新并網(wǎng)。

表5 某廠百萬千瓦USC機組鍋爐安全門配置

4.3.1 40%旁路FCB功能成功應(yīng)用經(jīng)典案例

珠海電廠700 MW 機組，亞臨界強制循環(huán)汽包爐，過熱器、再熱器冷段均裝有100% BMCR機械安全門，過熱器額外裝有總?cè)萘繛?1.5%BMCR （4.5%×7）的PCV 閥，汽輪機配有40%BMCR 的高旁閥和45%BMCR 的低旁閥。1999年投運FCB功能，2002～2008年，先后6次在機組高負(fù)荷下成功動作，正確動作率為100%。在FCB邏輯控制下，PCV 閥接到指令即刻7 只全部打開（機組負(fù)荷低于75%ECR，PCV 閥無需參與控制），3s后汽輪機高、低旁閥全開。第一個自動關(guān)閉的PCV 閥是在開啟后的35s，之后每隔5s順序關(guān)閉1個，第60s全部關(guān)斷。甩負(fù)荷過程中，PCV 閥專門用作緩解機組高負(fù)荷 （＞75%ECR）解列時的壓力飛升，鍋爐過熱器、再熱器安全門均未超壓動作，為隨即快開汽機旁路、降低燃燒強度、維持汽包水位等一系列復(fù)雜控制贏得了寶貴的緩沖時間。按照 “維持煤燃燒器火焰中心”的原則，機爐協(xié)調(diào)主控器在第1～3s內(nèi)停止第一套 （直吹式）制粉系統(tǒng)，10s內(nèi)將制粉系統(tǒng)從5套切至2套運行，以0.4 MPa／min 的速率將主汽壓力平滑地降低到11.2 MPa。

4.3.2 40%旁路機組改造后FCB成功案例

蘭溪電廠是國產(chǎn)600 MW 超臨界燃煤機組，鍋爐采用北京巴威公司制造的超臨界、中間再熱螺旋爐膛直流鍋爐，最低穩(wěn)燃負(fù)荷為30%，過熱器出口安裝有電磁泄壓閥 （PCV 閥），總排放量為316.4t／h，15%BMCR。汽輪機高壓、低壓兩級串聯(lián)布置，容量均為額定壓力和溫度下的40%BMCR 流量。2008年4月份，該電廠首次在國產(chǎn)600 MW 超臨界機組上實現(xiàn)了FCB 試驗，并且取得成功。該機組在設(shè)計階段并未考慮FCB 功能，機組移交生產(chǎn)后，通過控制系統(tǒng)FCB 組態(tài)、設(shè)備局部改造，F(xiàn)CB 具備了實用水平。2008年，該機組大修后進(jìn)行了FCB 功能試驗，F(xiàn)CB 動作后，第一時間打開PCV 閥，并保持 開啟30s，開啟汽輪機旁路，當(dāng)高旁全開信號消失5s后且回座壓力滿足時，關(guān)閉PCV 閥，從上至下順序自動延時切除鍋爐燃燒器，首次切除2 套、間隔55s后再切除1 套，鍋爐目標(biāo)負(fù)荷為35% BMCR，鍋爐降負(fù)荷率自動改變?yōu)?00%／min，最后保留A、B 兩層煤燃燒器運行。整個試驗過程中，該機組主要參數(shù)沒有超出正常運行技術(shù)規(guī)范。

5 結(jié)論

無論是40%旁路還是100%旁路，其功能都是一樣的，只是有細(xì)微的差別，但這種差別在百萬千瓦級的USC機組上較為明顯，主要表現(xiàn)在SPE 降低的程度不一樣。設(shè)計有40%旁路的機組，特別是∏型爐，其積存在U 型彎底部的氧化皮確實在機組啟動階段無法吹掃干凈，致使機組帶負(fù)荷后造成對汽輪機葉片的損傷，但通過在過熱器出口增加（或改造）相應(yīng)容量的PCV 閥后就能解決該問題。在控制策略方面稍加改進(jìn) （以下簡稱 “改進(jìn)型40%旁路”），40%旁路完全可實現(xiàn)100%旁路的所有功能，并且具有投資小的優(yōu)勢。真正理解和應(yīng)用好旁路系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)停機不停爐還有意外的收獲，就是可以減少機組的非停次數(shù)，這一點對USC機組意義更大。

改進(jìn)型40%旁路系統(tǒng)不但具有100%旁路的功能，還具有投資小 （2270 萬元／每臺機組）、設(shè)備少、系統(tǒng)簡單、旁路內(nèi)漏風(fēng)險點少等優(yōu)點。但缺點是機組每次啟動時需要對外排放一定量的蒸汽，形成噪音和工質(zhì)損失等。

［1］ 戎朝陽.1000MW 機組40%容量的旁路系統(tǒng)特點和應(yīng)用 ［J］.發(fā)電設(shè)備，2009 （4）

［2］ 馮偉忠.900 MW 超臨界機組FCB 試驗 ［J］.中同電力，2005 （2）

［3］ 馮偉忠.1000 MW 級火電機組旁路系統(tǒng)作用及配置［J］.中國電力，2005 （8）

［4］ 王立地.FCB 工況下100%汽輪機旁路合理性探討［J］.電力技術(shù)，2010 （19）