旁路容量選擇對機組FCB功能的影響

朱軍輝

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510600）

1 機組對FCB的需求

某電廠位于越南南部地區，裝機容量為2×600MW超臨界機組，燃料為越南無煙煤，鍋爐采用超臨界W火焰鍋爐，汽輪機為超臨界一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式。制粉系統是直吹式系統，設置6臺雙進雙出鋼球磨。

根據項目的要求，從設計階段起就考慮機組要實現FCB功能，以實現停機不停爐、帶廠用電運行（小島運行）。FCB后，帶廠用電運行（小島運行）工況，汽輪機進汽量要維持6%額定負荷左右，此工況能滿足電網短時故障而要快速恢復供電的需求；而停機不停爐時，汽輪機不再進汽，所有蒸汽要通過旁路系統，可實現減少鍋爐啟停次數，回收介質，節約燃料的效果。

2 旁路容量的方案

機組要實現FCB功能，主要由相關的機爐協調控制、燃燒器管理、給水流量管理、汽輪機超速控制、主蒸汽和再熱熱段蒸汽壓力控制等來綜合實現，而高、低壓旁路系統在其中扮演了極其重要的角色，有必要對旁路系統容量的選擇進行研究，以確定不同容量其對機組FCB功能實現的影響程度，為項目決策提供依據。

鍋爐的最低穩燃負荷為40%額定負荷，考慮到FCB后可能出現停機不停爐的工況，則所有蒸汽均通過旁路系統。此時旁路系統容量不得小于40%額定負荷，而鍋爐也不需要投油助燃，僅投用煤粉燃燒器即可，起到了節省運行費用、減小鍋爐啟停次數、回收汽水工質的效果。

由于低壓旁路系統容量受制于凝汽器能接受低壓旁路流量的大小和低壓旁路后管道對凝汽器接口瞬態力的大小控制，低壓旁路無法做到100%額定流量。

故本項目的旁路系統的容量主要考慮2個方案。方案1：配置45%額定工況的高、低壓旁路系統；方案2：配置60%額定工況的高、低壓旁路系統。2個方案中，高壓旁路閥數量為1個，低壓旁路閥數量為2個。

3 旁路容量和FCB功能的實現對比分析

方案的邊界條件如下：

（1）鍋爐燃用設計煤種，鍋爐額定負荷下蒸發量為1 860t／h；磨煤機配置為6臺，按5用1備考慮，每臺磨煤機可對應20%額定負荷。FCB后第1、5、10s可分別退出一臺磨煤機。

（2）鍋爐煤粉燃燒器數量為24個，每臺磨煤機對應4個煤粉燃燒器。

（3）每臺機組配置2臺50%容量汽動給水泵，1臺50%容量的電動給水泵作為啟動／備用給水泵。

（4）汽輪機主汽門和再熱汽門的關閉速度為小于0.15s，延遲時間小于0.05s，即在0.2s即可以實現從全開到全關。

（5）鍋爐上設置PCV閥和安全閥，其中PCV閥容量可根據不同旁路容量來進行選取，其開啟時間小于0.1s。

（6）高、低壓旁路閥采用氣動閥，快開狀態下從全關到全開的時間小于3s。

（7）在FCB后，機組的廠用電率約6%額定負荷。

根據上述邊界條件，考慮到旁路容量已在鍋爐最低穩燃負荷之上，后述分析考慮FCB后小島運行的工況。

鍋爐主蒸汽流量由于磨煤機在FCB后第1、5、10s分別退出1臺，其主蒸汽流量相應變化為80%、60%、40%額定流量。

汽輪機進汽流量受主汽門在FCB后小于0.3s內關閉的條件，在0.3s即減少到6%額定流量。

旁路系統流量在FCB后3s達全開，分別達到45%額定流量（方案一）和60%額定流量（方案二）。

多余的蒸汽流量如表1所示。

表1 多余的蒸汽流量

從表1可以看出，方案一在FCB后第10s，旁路系統達到全開后，隨著磨煤機退出至2用4備狀態，鍋爐負荷降至40%額定負荷，此時，鍋爐產生的蒸汽可由蒸汽輪機和旁路系統來接納，FCB后第10s前的多余蒸汽，由鍋爐的PCV組合安全閥向空排放。

方案二在FCB后第5s，旁路系統達到全開后，隨著磨煤機退出至3用3備狀態，鍋爐負荷降至60%額定負荷，此時，鍋爐產生的蒸汽可由蒸汽輪機和旁路系統來接納，FCB后第5s前的多余蒸汽，由鍋爐的PCV組合安全閥向空排放。

方案一預計通過PCV組合安全閥向空排放蒸汽量為81t，相當于2.6min的鍋爐蒸發量；方案二預計通過PCV組合安全閥向空排放蒸汽量為57t，相當于鍋爐1.8min的鍋爐額定蒸發量。方案一比方案二多排放蒸汽24t，相當于鍋爐0.8min（48s）的鍋爐額定蒸發量。

4 不同旁路容量的配套對比分析

不同的旁路容量，除排放蒸汽量有所不同外，還帶來旁路閥、旁路閥后管道尺寸和重量、PCV閥等不同。

按PCV組合旁路系統總容量為75%額定流量時，安全閥可以不動作考慮。方案一的PCV為30%額定流量，一般配置6個5%額定流量的PCV。方案二的PCV為15%額定流量，考慮過熱器出口管道的對稱性，一般配置4個5%額定流量的PCV。

旁路閥和配套管道如表2所示。

表2 旁路閥和配套管道

另外，需要考慮低壓旁路后管道的安全性問題，在多個國內火電廠項目中均有所反饋，低壓旁路出口管道至凝汽器喉部三級減溫減壓器的接口處發生拉裂現象，其主要原因是低壓旁路閥開啟后，管道瞬時位移較大，會對管道支吊架系統和凝汽器接口產生較大的推力，在工程實踐中，針對管道位置較大，采取了多設置剛性支架或吊架的應對措施；針對接口拉裂，要求凝汽器廠家進行局部加強的應對措施。而旁路容量越大，其瞬態工況越不利，容量相對較小的旁路容量其管道安全性相對高一些。

5 問題及建議

45%額定流量和60%額定流量的旁路系統，均需要通過PCV組合安全閥來排出多余的蒸汽，大容量的旁路系統在工質回收上可以多回收約24t蒸汽，由于除氧器水箱容量為5min，兩者均可滿足向鍋爐供水的要求，并無實質區別。

大容量的旁路系統，其旁路系統初投資高，但PCV初投資低，但由于旁路系統比PCV初投資要高，初投資約增加150萬元（每臺機組）。

小容量的旁路系統，其旁路后管道中流量相對小，管道運行產生的位移和推力相對小，管道安全性相對高。

對于機組的FCB，無論是FCB后帶廠用電運行（小島運行）工況，或停機不停爐工況，45%額定流量旁路系統組合30%的PCV或60%額定流量旁路系統組合15%的PCV均可實現穩定主蒸汽壓力、排出多余蒸汽和回收工質的功能，綜合考慮初投資、管道運行安全、回收工質能力等因素，45%額定流量旁路系統組合30%的PCV是一個不錯的選擇。

由于國外沒有將安全閥起跳算作運行事故的規定，按ASME標準，PCV按10%（2臺5%）額定流量設置即可，在此條件下，45%額定流量的旁路系統組合10%PCV 的經濟性更佳。