江蘇闞山電廠的旁路系統(tǒng)改造及應(yīng)用

楊栩?yàn)?，?琴

（1.江蘇闞山發(fā)電有限公司生產(chǎn)技術(shù)部；2.江蘇闞山發(fā)電有限公司設(shè)備維修部，江蘇 徐州221134）

0 前言

電廠汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)是單元制大型火力發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)的重要輔助系統(tǒng)，它可將鍋爐產(chǎn)生的蒸汽部分或全部不經(jīng)過汽輪機(jī)而引到低一些的壓力和溫度的蒸汽管道或凝汽器中。旁路系統(tǒng)主要用于解決鍋爐和汽機(jī)用汽量之間的不匹配等問題，以保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并改善機(jī)組啟停和接帶負(fù)荷的特性［1－2］。鑒于此，眾多研究人員針對旁路系統(tǒng)開展了大量研究，其中楊冬等［3－5］針對不同類型汽輪機(jī)組的旁路設(shè)計和容量參數(shù)的選擇進(jìn)行了詳細(xì)論述，對不同的旁路運(yùn)行方式進(jìn)行了說明。

1 旁路系統(tǒng)的組成及作用

1.1 旁路系統(tǒng)的組成

電廠汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的型式、容量和控制水平與汽機(jī)及鍋爐的型式、結(jié)構(gòu)、性能及電網(wǎng)對機(jī)組運(yùn)行方式都密切相關(guān)。為保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，每臺汽輪機(jī)都設(shè)有旁路系統(tǒng)，就目前大容量機(jī)組而言，通常由高壓旁路和低壓旁路組成，如圖1所示。每個旁路分別由旁路閥、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和旁路蒸汽管道構(gòu)成。

圖1 電廠汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)示意圖

1.2 旁路系統(tǒng)的主要作用

旁路系統(tǒng)的主要作用體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）在機(jī)組啟動時，可通過高低壓旁路系統(tǒng)將不符合參數(shù)要求的蒸汽排入凝汽器，并對過熱器和再熱器系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，保護(hù)再熱器不干燒和超溫；同時可調(diào)整主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)，協(xié)調(diào)蒸汽壓力、溫度與汽機(jī)金屬溫度的匹配，保證汽輪機(jī)各種工況下的啟動要求，以縮短機(jī)組啟動時間和減少工質(zhì)損失。

（2）在機(jī)組運(yùn)行時，可協(xié)調(diào)機(jī)爐間不平衡蒸汽量。利用旁路系統(tǒng)在變負(fù)荷瞬時排掉過剩的蒸汽，使機(jī)組能適應(yīng)頻繁起停和快速升降負(fù)荷，并將機(jī)組承壓部件的熱應(yīng)力控制在合適的范圍內(nèi)，同時鍋爐可維持在最低負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)停機(jī)不停爐的運(yùn)行方式。

（3）在機(jī)組突然甩負(fù)荷（全部或部分負(fù)荷）時，可實(shí)現(xiàn)旁路系統(tǒng)快開，回收工質(zhì)至凝汽器，保證鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少甚至避免安全門動作。

（4）旁路系統(tǒng)還具有暖管、清洗、減少汽閥和葉片侵蝕等作用。

2 江蘇闞山發(fā)電廠旁路系統(tǒng)存在的問題分析

2.1 闞山發(fā)電廠旁路系統(tǒng)簡介

江蘇闞山發(fā)電廠一期工程共裝備了2臺容量為600MW的超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，其中汽輪機(jī)為引進(jìn)技術(shù)制造的一次中間再熱、單軸、2缸2排汽凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)主汽門前額定參數(shù)為25MPa／600℃，再熱蒸汽門前額定參數(shù)為：4.3MPa／600℃，汽輪機(jī)排汽壓為5.1kPa。由于本電廠機(jī)組主要承擔(dān)電網(wǎng)的基荷發(fā)電任務(wù)，發(fā)電機(jī)組能保證較高的運(yùn)行負(fù)荷率，故汽輪機(jī)配置了僅用于機(jī)組啟動的一級大旁路（氣動），旁路容量為35%BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）。根據(jù)設(shè)計要求，此旁路系統(tǒng)不具備機(jī)組甩負(fù)荷的保護(hù)功能，旁路系統(tǒng)的流程如圖2所示。

在圖2中，旁路系統(tǒng)是由旁路調(diào)節(jié)門、旁路管道、減溫減壓系統(tǒng)、管道疏水組成。本機(jī)組旁路系統(tǒng)中，旁路調(diào)節(jié)閥則是最重要的部件之一，其型號為VLB－72BTC，由CCI公司生產(chǎn)提供，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 闞山電廠汽輪機(jī)旁路的系統(tǒng)流程圖

表1 汽輪機(jī)旁路閥的技術(shù)參數(shù)

2.2 現(xiàn)有旁路系統(tǒng)存在的問題

江蘇闞山發(fā)電有限公司現(xiàn)有的2臺機(jī)組旁路系統(tǒng)于2007年10月和2008年1月正式投入使用，經(jīng)過長期的運(yùn)行后出現(xiàn)了內(nèi)漏等情況，使得未做功的新蒸汽直接流入凝汽器中，從而造成了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性下降。

2.3 問題分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)［6－7］所述，由于旁路系統(tǒng)中的旁路閥長期工作在高溫高壓條件下，極易出現(xiàn)蠕變和熱疲勞等問題，對閥門和旁路系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不利影響，所以林鵬等［6］采用有限元分析方法對某330MW汽輪機(jī)的旁路閥門進(jìn)行模擬分析，研究了閥門閥體的溫度場和應(yīng)力場，并得出不同工況下溫度場及其對應(yīng)的應(yīng)力場的變化規(guī)律；陳宇等［7］也對旁路系統(tǒng)中的閥門選用及后期檢測進(jìn)行了詳細(xì)說明。因此，本作者認(rèn)為，我廠現(xiàn)有旁路系統(tǒng)存在的問題的原因可能是旁路閥泄漏故障。

設(shè)備檢修時，經(jīng)過對旁路閥門解體發(fā)現(xiàn)，旁路閥在運(yùn)行后密封面損傷嚴(yán)重，出現(xiàn)較大面積的沖刷凹坑，證明判斷是正確的。受損的閥芯和閥座分別如圖3～4所示。

圖3 受沖刷后的旁路閥閥芯

圖4 受沖刷后的旁路閥閥座

旁路閥受損如此嚴(yán)重，主要原因是長期在高溫高壓環(huán)境下工作，隨時可能會發(fā)生蠕變、熱疲勞、過熱氧化、滲碳、腐蝕等現(xiàn)象，導(dǎo)致材料性能縮減較快。旁路閥在工作中除承受工質(zhì)的高壓作用外，同時由于工況的變化和噴水降溫的作用，較短時間內(nèi)因溫度劇烈變化所引起的熱沖擊和熱載荷影響也較大。作為汽輪機(jī)旁路的一級大旁路，主蒸汽經(jīng)旁路閥直接減溫減壓后排入凝汽器，閥門前后壓差非常大。在機(jī)組正常運(yùn)行中，旁路閥前蒸汽參數(shù)即為主蒸汽參數(shù)，達(dá)到25MPa／600℃，因此旁路閥在調(diào)節(jié)過程中極易被吹損。而且，一旦閥門的閥座出現(xiàn)少量泄漏，閥門密封受損面在高溫高壓蒸汽的吹掃下也會迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致閥門泄漏量的逐步增加，對機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性均產(chǎn)生了較大影響。

由于旁路閥后的管道為碳鋼管道，且直接與凝汽器連接，為避免閥后溫度過高，運(yùn)行中的閥后減溫水會間斷自動投入。因旁路閥受損，減溫水調(diào)節(jié)閥的開度保持在2%～5%之間，大量的高品質(zhì)蒸汽未完成預(yù)定的做功流程，使得機(jī)組的出力和經(jīng)濟(jì)性大幅下降。通過一定的參數(shù)測量，并借助式（1）和式（2），計算得出旁路系統(tǒng)的高溫蒸汽泄漏量達(dá)到了7t／h。

式中：Dl、Dw、DR分別為旁路漏汽量、減溫水流量和減溫減壓后的工質(zhì)流量，t／h；h1、hw、hR分別為泄漏蒸汽焓、減溫水焓和減溫減壓后的工質(zhì)焓，kJ／kg。

3 解決方案

3.1 常規(guī)方案

旁路閥在運(yùn)行中多次出現(xiàn)上述受損情況，一般僅采用簡單修復(fù)或者整體更換的應(yīng)對措施。

對于閥門密封面損傷較輕的情況，常用的解決方案主要是聯(lián)系閥門制造廠對閥門密封面的研磨處理。但經(jīng)過多次修復(fù)后，閥門密封面中的硬質(zhì)合金將減少甚至全部磨損，造成閥門無法使用，正常運(yùn)行中閥門仍會存在泄漏等故障。

對于閥門密封面損傷嚴(yán)重的情況，無法利用研磨進(jìn)行妥善處理，也無修復(fù)的價值，需要對閥芯和閥座進(jìn)行整體更換。但由于閥門空間內(nèi)十分狹小，閥座是焊接在閥體上，需使用專用車床來完成閥座切割工作，更換后閥座后還需要焊接、研磨等工作，工作量較大，耗費(fèi)的時間也較長。同時，旁路系統(tǒng)的管道材質(zhì)為F92，不允許進(jìn)行多次焊接和熱處理，這也在很大程度上限制了閥芯閥座的整體更換次數(shù)。在多次對旁路閥進(jìn)行解體檢修和更換閥芯后，發(fā)現(xiàn)檢修效果維持的時間仍不長，機(jī)組投運(yùn)一個星期后均會發(fā)生泄漏。

本電廠也提出了對旁路閥內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行改造的解決方法，但生產(chǎn)廠家未能提供合適的改造方案，同時也不能夠保證在改造后閥門不發(fā)生泄露，因此該方案未加以實(shí)施。

總體而言，現(xiàn)有的常規(guī)處理方法不能夠及時且有效地處置旁路閥受損等情況，嚴(yán)重影響了機(jī)組的正常生產(chǎn)過程。因未能夠徹底地解決閥門長期且極易受損的既定事實(shí)，不僅增加了機(jī)組的設(shè)備檢修和運(yùn)行維護(hù)成本，同時也影響到了機(jī)組的安全可靠性。

3.2 解決方案的提出及效果

3.2.1 解決方案的提出

針對旁路閥所存在的問題和現(xiàn)有處理方法的不足，應(yīng)該將解決思路轉(zhuǎn)向旁路系統(tǒng)流程的改進(jìn)等方面。

闞山發(fā)電廠旁路系統(tǒng)設(shè)計是35%BMCR的啟動旁路，旁路閥具備快開快關(guān)功能，但是機(jī)組正常運(yùn)行時僅使用了閥門的快關(guān)功能，在鍋爐超壓時，旁路閥不參與主蒸汽的調(diào)壓作用。不難看出，旁路閥的作用僅體現(xiàn)在機(jī)組的啟停機(jī)階段，因此可以通過在閥前增設(shè)緩沖裝置來阻止高溫高壓蒸汽與旁路閥的直接接觸，以改善旁路閥的工作環(huán)境，從而降低旁路閥的故障率。

基于以上改進(jìn)思路，在旁路閥前設(shè)置一套隔離閥門（隔離閥），在機(jī)組正常運(yùn)行時，關(guān)閉隔離閥，以保證旁路系統(tǒng)有效隔絕，從而改善旁路閥的工作環(huán)境。在機(jī)組的啟動和停機(jī)階段，當(dāng)指令要求開啟旁路閥時，隔離閥先于旁路閥開啟；當(dāng)指令關(guān)閉旁路閥時，隔離閥在旁路閥之后關(guān)閉，這樣可以保證旁路閥的功能正常實(shí)現(xiàn)。通過合理的閥門控制系統(tǒng)調(diào)整，可以保證旁路閥的正常功能不受影響。

3.2.2 解決方案的實(shí)施及效果

通過對旁路系統(tǒng)現(xiàn)場管道的布置形式和增加閥門后支吊架受力情況進(jìn)行細(xì)致分析，最后確定在汽輪機(jī)旁路閥前的母管上增加一只隔離閥。增加隔離閥后的旁路系統(tǒng)如圖5所示。

闞山發(fā)電廠已有的2臺機(jī)組旁路系統(tǒng)均按照上述方案進(jìn)行了改造，目前兩臺機(jī)組旁路系統(tǒng)在未投入減溫水情況下，旁路閥后溫度維持在38℃左右。在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時，也對旁路隔離閥和旁路閥進(jìn)行了開關(guān)試驗(yàn)，閥門開關(guān)靈活，能夠保證旁路系統(tǒng)的安全運(yùn)行。這提高了機(jī)組的運(yùn)行安全可靠性程度。

因很好地避免旁路閥密封面受損，主蒸汽漏量減少了約7t／h，由此可增加的機(jī)組發(fā)電出力ΔP可按式（3）進(jìn)行計算，由此機(jī)組的熱耗率Δq和發(fā)電煤耗率Δb等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)降低量可由式（4）和式（5）得出。

式中：h0為排汽焓；h′0為飽和凝結(jié)水焓，kJ／kg；B為機(jī)組的燃煤消耗量，kg／s。

經(jīng)計算，減少7t／h主蒸汽的泄露量，機(jī)組的熱耗率可降低29.3kJ／kW·h，減少煤耗0.36%，約1g／kW·h，若機(jī)組的年運(yùn)行小時按照5 500h進(jìn)行計算，每臺機(jī)組的年節(jié)煤量將達(dá)到3 128.4t左右。僅降低煤耗這一項(xiàng)，即可帶來非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時也將降低各類污染物的排放量。

4 結(jié)語

旁路閥作為流體調(diào)節(jié)控制設(shè)備，是汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的重要組分部分。根據(jù)闞山發(fā)電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，旁路閥在投產(chǎn)不久均發(fā)生密封面磨損和蒸汽泄漏等故障，嚴(yán)重影響了機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，也威脅到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

常用對密封面進(jìn)行研磨或整體更換閥芯閥座等處理方式并不能對該問題進(jìn)行徹底解決。對此，提出了一種在旁路閥前增設(shè)隔離閥的流程改進(jìn)措施，改善了旁路閥的工作環(huán)境，避免了高溫高壓蒸汽對旁路產(chǎn)生直接沖擊，降低了旁路閥的故障率。根據(jù)改進(jìn)后的設(shè)備檢測，旁路閥能保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，能改善機(jī)組啟停特性。同時通過降低因旁路閥受損所造成的蒸汽泄漏，可提高機(jī)組的熱效率，機(jī)組的發(fā)電煤耗能降低約1g／kW·h，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

［1］馮偉忠.大機(jī)組實(shí)現(xiàn)快速甩負(fù)荷的現(xiàn)實(shí)性和技術(shù)分析［J］.動力工程，2008，28（4）：532－536.

［2］殷俊.600MW機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)設(shè)置的研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2001，43（5）：287－289.

［3］楊冬，陳聽寬，侯書海，等.汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的設(shè)計與運(yùn)行［J］.中國電力，1998，31（7）：14－17.

［4］彭領(lǐng)新.汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)設(shè)計［J］.電力建設(shè)，2000（7）：21－25.

［5］羅海華，黃文，吳金星，等.國內(nèi)超超臨界百萬千瓦等級機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)選型［J］.熱力發(fā)電，2009，38（9）：11－16.

［6］林鵬，張瑞峰，虞亞輝，等.汽輪機(jī)旁路閥門閥體溫度場和應(yīng)力場分析［J］.熱能動力工程，2011，26（2）：147－151.

［7］陳宇.汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)與閥門選用［J］.閥門，2009，（3）：36－39.