700 MW超超臨界機組汽輪機旁路系統選型

禹立堅，周廣杰

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013）

700 MW超超臨界機組汽輪機旁路系統選型

禹立堅，周廣杰

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013）

旁路系統的選型既要考慮機組運行的安全性，又要兼顧設備投資的影響。茌平信源6×700 MW超超臨界機組采用中壓缸啟動方式，通過對典型工況進行分析，計算不同啟動工況下旁路系統的通流量，確定高壓旁路閥容量為40% BMCR，低壓旁路閥容量為70%BMCR，旁路系統主要用于改善機組的啟動特性，不考慮帶廠用電和安全閥功能。

汽輪機；旁路系統；中壓缸啟動；選型

0 引言

茌平信源6×700 MW超超臨界機組汽輪機采用東方汽輪機廠自主研發的660 MW級超超臨界、一次中間再熱、凝汽式機組，型號為N700-28／600／610，銘牌功率700 MW。鍋爐為東方鍋爐廠引進日本BHK技術生產的超超臨界鍋爐，主要特點是再熱器不允許干燒。分析中壓缸啟動方式下汽機旁路容量的計算過程以及與高壓缸或高中壓缸聯合啟動方式下旁路容量計算的異同，為機組旁路容量的選型提供參考。

1 旁路系統選型

旁路系統是把鍋爐產生的蒸汽部分或全部繞過汽輪機，通過減溫、減壓等設備直接排入凝汽器的系統。主要用于協調鍋爐出口蒸汽量和汽輪機用汽量之間的不平衡，改進機組的啟動和負荷特性，從而提高機組運行的安全性和靈活性。綜合各種旁路系統，主要作用有：1）在機組啟動階段協調鍋爐和汽輪機配汽，回收工質，降低噪音，適應機組滑參數啟動，自動調壓、調溫，加快啟動速度；2）調峰運行時，協調鍋爐和汽輪機控制系統，調節鍋爐主蒸汽壓力，當蒸汽超壓、超溫時起保護作用；3）機組快速降負荷時，旁路負荷瞬變過程的過剩蒸汽，保持鍋爐不投油穩定燃燒，一旦故障排除可迅速帶負荷；4）發生故障時，維持連續蒸汽流動，使鍋爐受熱面包括再熱器得到足夠冷卻，避免干燒。

綜上所述，旁路系統主要有啟動、溢流和安全3大功能，此外還有回收工質、暖管、清洗和減少固體顆粒侵蝕等能力［1］。這些功能的設計成為影響旁路系統選型和選擇旁路容量大小的關鍵。

1.1 旁路系統分類

一級旁路。一級旁路系統是把從過熱器出來的蒸汽經減溫減壓后直接排入凝汽器，旁路容量為35% BMCR左右。系統簡單，投資少、操作也方便。可滿足機組啟停過程中回收工質并加快啟動速度的要求，多用于鍋爐再熱器材質較好，不需要特殊保護的機組。

高、低壓兩級串聯旁路。由高壓旁路和低壓旁路串聯組成，容量一般為30%～45%BMCR。主要功能：在機組啟動階段使蒸汽溫度和金屬溫度快速匹配，縮短啟動時間，回收工質；使蒸汽中的固體小顆粒通過旁路進入凝汽器，避免對汽輪機通流部件的侵蝕；保護鍋爐再熱器，防止再熱器干燒。這種旁路系統可滿足機組各種運行工況要求，適應性強，在國內使用較多。

三級旁路。由一級大旁路和高、低壓兩級串聯旁路并聯組成。一級大旁路主要用于鍋爐低負荷時維持機組穩定運行，高、低壓兩級旁路的作用是調節啟停階段進入汽輪機的蒸汽參數和蒸汽流量。系統兼有一級旁路和兩級串聯旁路的優點，適應性強，運行靈活，能滿足各種運行工況的要求。缺點是系統過于復雜，鋼材消耗量太大，投資也大，現在基本上已不再采用。

三用閥旁路。該系統的特點是高壓旁路閥兼有“啟動、溢流、安全”三種功能，故稱三用閥。能實現自動壓力跟隨和超壓保護，省去了鍋爐過熱器安全閥，通過調節汽壓和流量可適應機組不同工況的滑參數啟停和運行。機組甩負荷后，可以帶廠用電運行，待故障排除可迅速帶負荷，既減少了機組啟停的次數，同時還減輕了對汽輪機的熱沖擊。系統也是一種二級旁路，容量配置較大，一般推薦采用100%BMCR容量的汽機高壓旁路及65%～80%BMCR容量的低壓旁路［2］。該系統缺點是控制復雜，設備價格較高，維修工作量大。在我國的進口機組中，采用西歐直流爐的機組均采用了三用閥系統，如元寶山電廠二期626.9 MW機組、石洞口二廠2×600 MW機組等［4］。

無旁路系統。該系統不設汽輪機旁路，僅設容量較小的疏水小旁路，滿足機組在各種工況下的啟動要求，主要用于承擔電網基本負荷的大型再熱機組。主機及部分輔機設備的設計和運行須采取一定措施以保證啟動過程的安全性。機組啟動時借助5%容量的鍋爐啟動疏水旁路加速升溫升壓［2］，但不能保護再熱器，而且通流能力有限，限制了鍋爐升溫升壓的速率、啟動時間較長。它具有系統簡單、費用低、運行操作簡便等特點，曾一度在美國廣為采用，國內300 MW等級亞臨界機組中有較多應用。

1.2 旁路系統選型

旁路系統選型與機組在電網中所承擔負荷的性質、鍋爐和汽輪機的特點等因素有關。工程6臺機組均承擔基本負荷，機組啟停次數少，沖轉參數低、蒸汽流量小，較小的旁路容量已能滿足要求。這種情況下停機不停爐不能發揮很大作用，而且考慮到電廠所處電網容量大，電網安全性較高等特點，可不考慮停機不停爐和帶廠用電運行等功能。

汽輪機采用中壓缸啟動，鍋爐再熱器不允許干燒，這些特點決定了不能采用一級大旁路系統。三級旁路系統由于控制復雜，初投資高等特點也不適用。從技術和經濟性方面綜合考慮，推薦采用高低壓兩級串聯旁路。

為了節約投資，旁路系統的簡化是發展趨勢，根據電廠的實際情況，并且征求了業主的意見，旁路系統不考慮替代鍋爐過熱器出口安全閥，主要用于改善機組的啟動特性。

2 旁路容量的確定

2.1 旁路容量的定義

對于旁路容量的定義，國內外有稍許差異，但對于高壓旁路容量的定義則幾乎相同。對高、低壓旁路容量的定義采用了通流質量流量百分數的方法來表示［5］，即

式中：K1是高壓或整體旁路的容量，%；Dp1是額定參數下通過高壓或整體旁路系統的最大流量，t／h；D是指鍋爐最大連續蒸發量，t／h。

式中：K2指低壓旁路的容量，%；Dp2指額定參數下通低壓旁路系統的最大流量，t／h；G1指高壓旁路中通過D蒸汽量時所需的減溫水流量，t／h。

旁路容量是指在額定參數下旁路系統的通流能力，機組停機時間不同，對旁路系統的通流要求也不一樣。冷態或溫態啟動時蒸汽的流量小、溫度低、比容小，對旁路系統的通流要求小。熱態或極熱態啟動時蒸汽的流量大、溫度高、比容大，要求旁路系統有較大的通流能力。確定旁路的容量就是要計算機組在啟動過程中旁路系統的最大通流要求。

2.2 旁路容量的確定

旁路容量的確定首先依據主機的啟動曲線，鍋爐的最低穩燃負荷，其次還要依據電廠對旁路功能的定位和要求。如果希望實現帶廠用電運行，旁路容量一般不低于60%BMCR；如果希望旁路系統代替鍋爐過熱器出口安全閥，超壓時將多余的蒸汽排入凝汽器，對應的旁路容量一般要取100%BMCR［3］。本工程旁路系統僅作改善機組啟動特性使用，旁路容量只需滿足各啟動工況的參數要求，這對于簡化系統和節省工程造價都有好處。

對于采用高壓缸或高、中壓缸聯合方式啟動的機組，在汽輪機沖轉前，高壓和中壓主汽門都處于關閉狀態，從鍋爐來的過熱蒸汽必須通過旁路系統建立循環。鍋爐過熱器出口的蒸汽全部通過高壓旁路閥進入再熱系統，然后由低壓旁路進入凝汽器。汽輪機開始進汽以后，通過旁路系統的流量會迅速減少，尤其對于高壓缸啟動的機組，汽輪機開始進汽后，旁路就要退出運行。因此，通過高壓旁路閥的最大流量一般出現在汽輪機沖轉的時刻，低壓旁路閥的流量在同一時間也達到最大，數值等于高壓旁路閥入口流量加減溫水量。

對于采用中壓缸啟動方式的機組，旁路系統有區別。啟動過程中，高壓旁路閥出口的蒸汽流量與中壓缸進汽量的差值就是經低壓旁路閥排入凝汽器的流量。在中壓缸啟動沖轉前，高、中壓主汽門都處于關閉狀態，所有蒸汽要通過低壓旁路閥進入凝汽器。汽輪機沖轉后，通過低壓旁路系統的蒸汽流量迅速衰減。因此低壓旁路系統的最大流量一般出現在汽輪機沖轉的那一刻。中壓缸進汽以后，隨著汽機負荷的增加，通過高壓旁路的流量也在增加，在高壓缸進汽的一瞬間，也就是所謂的“切缸點”，流過高壓旁路系統的蒸汽流量達到最大值，隨后高壓旁路閥逐漸退出運行。

2.2.1 高壓旁路容量的確定

汽輪機主汽門入口額定蒸汽壓力p=28 MPa，溫度t=600℃，中壓聯合汽閥入口蒸汽溫度t=610℃。根據汽輪機廠提供的熱平衡圖，主汽、再熱熱段蒸汽在TMCR工況下的參數如表1所示。

表1 汽輪機入口蒸汽參數

圖1為汽輪機極熱態工況的啟動曲線，在5%負荷點，汽輪機高壓缸進汽量從零瞬間增加到320 t／h，數值等于中壓缸的進汽量。該點為汽輪機啟動過程的“切缸點”，此時高壓缸開始進汽，高壓旁路閥逐漸關閉，在切缸點高壓旁路系統的蒸汽流量達到最大值。圖2為鍋爐極熱態工況啟動曲線，在“切缸點”鍋爐出口蒸汽流量是16%BMCR，為329.6 t／h，此數值就是該工況下通過高壓旁路系統的實際最大流量，此時過熱器出口蒸汽壓力為11 MPa，溫度515℃。

圖1 汽輪機極熱態啟動曲線

將極熱態工況下通過高壓旁路系統的最大流量329.6 t／h按式（1）折算到額定參數下的數值，再除以鍋爐最大連續蒸發量（見式（2）），就得到本工況下高壓旁路系統需要的容量大小。

式中：p、v和Dp1分別為額定參數下主汽門入口的壓力、比容和通過高壓旁路系統的蒸汽流量；p1、v1和D1則表示啟動工況下高壓旁路閥入口的壓力、比容及通過高壓旁路系統的蒸汽流量。

同理，可計算出冷態、溫態和熱態工況下高壓旁路系統的通流量，計算結果如表2所示。綜合表2中各工況的計算結果，將高壓旁路容量定為40% BMCR，既能滿足各工況的啟動要求，還有利于簡化系統，降低工程造價。

表2 各啟動工況下高壓旁路閥參數匯總

圖2 鍋爐極熱態啟動曲線

2.2.2 低壓旁路容量確定

由圖2可見，鍋爐點火后32 min汽輪機開始沖轉，過熱器出口蒸汽流量為10%BMCR，約206 t／h。這部分蒸汽經旁路系統全部排入凝汽器，此時低壓旁路閥入口流量達到最大值229.55 t／h，其中含高旁減溫水23.55 t／h，再熱器出口的蒸汽壓力為0.8 MPa，溫度是490℃。將低壓旁路最大流量229.55 t／h折算為額定參數下的通流量，見式（3），再除以額定參數下的鍋爐蒸發量和旁路容量為100%時高旁減溫水量之和就得到極熱態工況下低壓旁路閥的容量，見式（4）。

式中：p、v和Dp2分別為額定參數下中聯門入口的蒸汽壓力、比容和通過低壓旁路系統的流量；p2、v2和D2則為啟動工況下中聯門入口的蒸汽壓力、比容及高壓旁閥出口的蒸汽流量。DTMCR和Djw則分別為額定參數下的鍋爐蒸發量和額定參數下高壓旁路容量為100%時的噴水量。其他工況旁路容量的計算結果如下表3所示。

表3 各啟動工況下低壓旁路閥參數匯總

由表3可見，極熱態啟動工況下低壓旁路系統需要的通流量最大，為69.41%。此時凝汽器需要接收約288 t／h的蒸汽（0.8 MPa，180℃），經與汽輪機廠核實，凝汽器可以滿足要求。因此將低壓旁路容量定為70%，采用雙閥（每個閥門容量35%），滿足工程的需要。

3 結語

汽機旁路系統選用高、低壓兩級串聯旁路，高壓旁路閥容量為40%BMCR，低壓旁路閥容量為70% BMCR。旁路系統僅在機組啟動時使用，不考慮帶廠用電和安全閥功能。從2013年9月開工建設，到2015年底6臺機組全部投入商業運行，機組啟動過程中旁路系統運行情況良好，表明旁路系統的設計是合理的，既滿足工程的實際需要，又滿足經濟性的要求。

［1］林磊.鎮江電廠三期工程600 MW超臨界機組旁路容量的選擇［J］.熱機技術，2006（2）：11-16.

［2］馮興隆.汽輪機旁路系統型式及容量選擇［J］.技術經濟綜述，2006，35（8）：12-15.

［3］裘斌.1 000 MW級超超臨界發電機組旁路配置比較［J］.科學時代，2010（1）：57-60.

［4］李續軍.國產化600 MW超臨界機組旁路系統的配置和容量選擇［C］∥第四屆全國火力發電技術學術年會，2003：914-918.

［5］宋漢武，陳德昌，柏采章.火力發電設備技術手冊［M］.北京：機械工業出版社，1998.

Selection of Steam Turbine Bypass System for the 700 MW Ultra Supercritical Power Generating Unit

YU Lijian，ZHOU Guangjie
（Shandong Electric Power Consulting Institute，Jinan 250013，China）

For the selection of steam turbine bypass system，both the safety and the equipment investment should be taken into consideration.For Chiping Xinyuan 6×700 MW ultra supercritical power generating unit，the intermediate pressure cylinder start-up mode is adopted.The flow capacity of bypass system is analyzed and calculated in different working conditions during start-up phase.Finally the high pressure bypass valve and the low pressure bypass valve are confirmed as 40%and 70% BMCR respectively.The bypass system is only used for unit start-up，without FCB and safety valve function.

steam turbine；bypass system；IP cylinder start up；selection

TK262

B

1007－9904（2016）11－0062－04

2016-05-17

禹立堅（1983），男，工程師，主要從事火力發電廠熱機專業的設計和研究工作。