實(shí)例探討電廠汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)方案對(duì)比分析

吳嚇華

摘要：本文主要結(jié)合實(shí)例，對(duì)電廠汽輪機(jī)系統(tǒng)中選擇何種旁路系統(tǒng)能滿足既經(jīng)濟(jì)、又實(shí)用的要求。通過對(duì)三種啟動(dòng)方式的對(duì)比分析，選擇出經(jīng)濟(jì)可行的方案。

關(guān)鍵詞：電廠概況;汽輪機(jī);旁路系統(tǒng);分析

一、工程概況

本工程規(guī)劃建設(shè)規(guī)模為：電廠規(guī)劃裝機(jī)2×660MW+2×1000MW等級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。本期工程建設(shè)規(guī)模為：電廠安裝2×660MW等級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，同步安裝建設(shè)煙氣脫硫脫硝裝置。

該工程選用超超臨界、單軸、三缸四排汽或四缸四排汽或其它滿足主要參數(shù)要求的凝汽式汽輪機(jī)。凝汽器為雙殼體，雙背壓，材質(zhì)采用不銹鋼。鍋爐為超超臨界壓力、變壓運(yùn)行燃煤直流鍋爐，采用單爐膛、兀型或塔式露天布置，平衡通風(fēng)，前、后墻對(duì)沖或四角切向燃燒方式，固態(tài)排渣，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，采用正壓冷一次風(fēng)機(jī)中速磨直吹式制粉系統(tǒng)。

二、旁路系統(tǒng)簡(jiǎn)介

所謂旁路系統(tǒng)，是指讓從鍋爐來的過熱蒸汽全部或部分繞過汽輪機(jī)，通過減溫減壓后接至汽機(jī)汽缸出口，將汽機(jī)旁通的蒸汽系統(tǒng)。汽機(jī)旁路系統(tǒng)主要功能有：

（1）對(duì)大容量超超臨界壓力機(jī)組，影響運(yùn)行靈活性的一項(xiàng)重要因素是汽溫變化時(shí)鍋爐、汽輪機(jī)和管道等厚壁部件中的熱應(yīng)力問題，尤以鍋爐在啟動(dòng)及低負(fù)荷工況下適應(yīng)變化的靈活性較差。采用旁路系統(tǒng)可以平衡鍋爐產(chǎn)汽量和汽機(jī)用汽量之間的差值。在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，將剩余蒸汽通過旁路系統(tǒng)旁通，使鍋爐瞬變過渡工況運(yùn)行穩(wěn)定，從而改善啟動(dòng)和帶負(fù)荷特性，減少機(jī)組壽命消耗，提高運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。

（2）超超臨界鍋爐啟停，特別是遇到干燒情況時(shí)，很容易形成大量四氧化三鐵硬粒，對(duì)汽輪機(jī)的噴嘴和葉片等處產(chǎn)生硬粒侵蝕，簡(jiǎn)稱SPE。采用汽機(jī)旁路系統(tǒng)可以使汽輪機(jī)與鍋爐的汽壓汽溫在啟動(dòng)和負(fù)荷變化過程中達(dá)到各自的最佳值，提高超臨界機(jī)組運(yùn)行的靈活性，同時(shí)減少固體顆粒對(duì)汽輪機(jī)內(nèi)部件的沖蝕，增加運(yùn)行安全性，降低更換高壓噴嘴及葉片的維修費(fèi)用。

三、本工程旁路系統(tǒng)選型

本投標(biāo)工程為超超臨界660MW機(jī)組，鍋爐為直流爐，為克服SPE現(xiàn)象，必須配置旁路系統(tǒng)。

（一）旁路型式

本工程旁路可在以下三種方案中選擇，最終經(jīng)過綜合經(jīng)濟(jì)比較確定：

方案一高低壓兩級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)

方案二一級(jí)高壓大旁路系統(tǒng)

方案三三用閥系統(tǒng)

（二）旁路容量分析

經(jīng)過了解，各鍋爐廠660MW超超臨界鍋爐的最低直流負(fù)荷均可做到30%BMCR，綜合考慮后按30%BMCR進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

本工程鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)帶有再循環(huán)泵，采用等離子點(diǎn)火，最低穩(wěn)燃負(fù)荷35%BMCR。以下按三種方案分別進(jìn)行容量選擇計(jì)算。為防止旁路閥體積過大，低旁均按每臺(tái)機(jī)組兩只配置，對(duì)一級(jí)大旁路，高壓旁路閥按每臺(tái)機(jī)組兩只配置。本工程主汽參數(shù)按招標(biāo)書要求為26.25MPa/600℃。

1.方案一高低壓兩級(jí)串聯(lián)旁路

機(jī)組采用高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)，設(shè)置高低壓兩級(jí)串聯(lián)旁路。旁路可與機(jī)組并列運(yùn)行。

本工程最小直流負(fù)荷為30%BMCR，最低穩(wěn)燃負(fù)荷為35%BMCR。根據(jù)前面機(jī)組特性的分析，欲實(shí)現(xiàn)熱態(tài)、極熱態(tài)啟動(dòng)，則高旁通流能力至少應(yīng)滿足在沖轉(zhuǎn)參數(shù)下30%BMCR的質(zhì)量流量。

2.方案二高壓一級(jí)大旁路

機(jī)組采用高壓缸啟動(dòng)，配置高壓一級(jí)大旁路。此時(shí)，對(duì)西門子機(jī)，無法實(shí)現(xiàn)熱態(tài)、極熱態(tài)啟動(dòng)，需待汽機(jī)冷卻至一定溫度后再啟動(dòng)。除防止SPE外，大旁路主要是在冷態(tài)、溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)起加速暖爐、暖管的作用。從性價(jià)比考慮，旁路容量應(yīng)取下述兩個(gè)流量的大值，一是沖轉(zhuǎn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的最小蒸汽流量，一是加快暖爐、暖管速度的最佳流量。經(jīng)初步了解，約為200t/h。最終數(shù)值待與主機(jī)廠家配合確定。

3.方案三三用閥旁路系統(tǒng)

三用閥系統(tǒng)使機(jī)組可具備停機(jī)不停爐、FCB等功能，此時(shí)低旁的設(shè)計(jì)容量非常關(guān)鍵。低旁的設(shè)計(jì)容量越大，對(duì)機(jī)組實(shí)現(xiàn)FCB功能越為有利，但對(duì)凝汽器、凝泵及低旁出口管、低旁的減溫消能裝置等的容量要求越高，結(jié)合國(guó)內(nèi)外采用三用閥系統(tǒng)的電廠的配置情況看，低旁的設(shè)計(jì)容量至少50%BMCR。另一方面，低旁減溫水用量大，凝泵供除氧器的水量大幅減少，在甩負(fù)荷后的過渡過程中，有出現(xiàn)除氧器水箱低水位的危險(xiǎn)。增加低旁的設(shè)計(jì)容量，可減少上述工質(zhì)不平衡量，但低旁噴水量更大，需更大的凝汽器、凝泵及補(bǔ)水泵等。為減少投資，本方案低旁設(shè)計(jì)容量仍取55%BMCR，即2×27.5%BMCR。

四、綜合對(duì)比分析

（一）從機(jī)組運(yùn)行可靠性、靈活性看，方案三最佳

方案三的特點(diǎn)是啟動(dòng)速度快，且為機(jī)組具備停機(jī)不停爐能力提供可能，但各方面代價(jià)大，針對(duì)本工程情況不推薦采用：對(duì)超超臨界機(jī)組，SPE是不可忽視的問題，只要停爐就不可能完全避免氧化皮脫落現(xiàn)象，旁路可提高蒸汽品質(zhì)，但不可能完全避免沖轉(zhuǎn)蒸汽挾帶雜質(zhì)。防止SPE的最佳辦法是盡量避免鍋爐停爐，不出現(xiàn)冷熱交變，停機(jī)不停爐的功能對(duì)超超臨界機(jī)組尤為重要。停機(jī)不停爐、FCB帶廠用電等功能使機(jī)組具有快速響應(yīng)性，但FCB是機(jī)組最惡劣的一種運(yùn)行工況，壽命損耗大，在突甩負(fù)荷后帶廠用電汽機(jī)轉(zhuǎn)子的第一級(jí)溫度瞬時(shí)下降幅度很大.造成瞬時(shí)應(yīng)力峰值，容易造成轉(zhuǎn)子出現(xiàn)初始裂紋。突然甩負(fù)荷后，汽機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將飛升，雖然控制系統(tǒng)會(huì)迅速關(guān)閉調(diào)門，不至于導(dǎo)致危急遮斷器動(dòng)作，但此時(shí)全廠輔機(jī)的電負(fù)荷及頻率也將在一定時(shí)段內(nèi)不斷震蕩，對(duì)主機(jī)及全廠輔機(jī)的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)，甚至?xí)?dǎo)致MFT動(dòng)作，失去了帶廠用電運(yùn)行的意義。

本工程2×660MW超超臨界參數(shù)機(jī)組電廠將來在電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)基本負(fù)荷并具有調(diào)峰功能，機(jī)組啟停次數(shù)越少越好。因此，停機(jī)不停爐或帶廠用電運(yùn)行的功能主要是在事故工況發(fā)揮作用，出現(xiàn)概率低，而欲實(shí)現(xiàn)停機(jī)不停爐或帶廠用電運(yùn)行，旁路投資很大。從簡(jiǎn)單實(shí)用的角度考慮，不推薦機(jī)組FCB帶廠用電功能。

（二）從投資經(jīng)濟(jì)性看，方案=最佳

本工程兩臺(tái)機(jī)組，方案二比方案一共節(jié)省旁路投資約410萬元，比方案三節(jié)省投資約1140萬元。但方案二限制了機(jī)組的啟動(dòng)速度。對(duì)東方的機(jī)組或哈爾濱的機(jī)組，能實(shí)現(xiàn)熱態(tài)、極熱態(tài)工況高壓缸啟動(dòng)，與高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)比，啟動(dòng)時(shí)間的增加沒有上汽的西門子機(jī)顯著，在用電形勢(shì)不緊張的前提下可考慮選擇方案二。

方案一的投資介于方案二、三之間，其啟動(dòng)時(shí)間比方案二短，具有較好的性價(jià)比。對(duì)上汽西門子汽機(jī)，推薦采用方案一的旁路系統(tǒng)。

五、結(jié)論

1.對(duì)國(guó)產(chǎn)超超臨界660MW機(jī)組，可實(shí)現(xiàn)高壓缸啟動(dòng)，高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)和中壓缸啟動(dòng)。對(duì)高壓缸啟動(dòng)可配置簡(jiǎn)化的電動(dòng)高壓一級(jí)大旁路，對(duì)高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)或中壓缸啟動(dòng)可配置液動(dòng)高低壓兩級(jí)串聯(lián)旁路，也可采用三用閥系統(tǒng)。無論何種旁路配置均能滿足機(jī)組安全起停及運(yùn)行的要求。

2.旁路的型式及容量不同直接影響機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間縮短增加發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。采用高低壓兩級(jí)串聯(lián)旁路時(shí)，欲獲得理想的啟動(dòng)時(shí)間，旁路的容量需足夠大，投資較大。采用一級(jí)大旁路時(shí)，直流鍋爐的負(fù)荷特性使得機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)上汽西門子汽機(jī)，配置一級(jí)高壓大旁路，受限于無法實(shí)現(xiàn)熱態(tài)、極熱態(tài)工況啟動(dòng)，需待汽缸冷卻至一定溫度后啟動(dòng)，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的靈活性有較大的影響。