1 000 MW 超超臨界二次再熱燃煤機組汽機旁路選型優化

王桂峰

（浙江省能源集團有限公司，浙江 杭州 310007）

燃煤發電在中國能源結構中一直占有重要地位。隨著近年來國家提出“碳達峰，碳中和”的戰略目標，可再生能源得到蓬勃發展，燃煤發電的市場份額逐漸降低。燃煤發電在中國能源保供中的地位尚未變化，但提高發電效率，降低發電煤耗是燃煤發電未來發展的必然趨勢。當前，國內的燃煤機組已經發展到超超臨界二次再熱發電系統。旁路系統對燃煤電廠來說有著重要意義。在機組啟動階段，旁路系統可以將超出汽機啟動需求的蒸汽量直接引導至過熱器和再熱器，既平衡了蒸汽量，也實現用過量蒸汽對鍋爐受熱面的預熱，提高啟動響應度。超超臨界鍋爐在啟停工況下，容易形成四氧化三鐵（Fe3O4）硬粒。若這些硬粒進入汽輪機做功，將對噴嘴及葉片級造成侵蝕，嚴重影響汽機的使用壽命。旁路系統在機組甩負荷工況時，瞬間切除大量蒸汽至旁路，有效防止汽機超速，對整個機組的安全性尤為重要。

1 000 MW 超超臨界二次再熱機組因為本身單機容量高，發電效率也高，是未來參與電網調峰的重要手段。在此條件下，機組運行的靈活性、可靠性是項目成功的關鍵之一。為滿足上述要求，盡量克服四氧化三鐵的硬粒侵蝕，必須配置合適的旁路系統。

1 二次再熱超超臨界機組旁路設置情況

部分國內已投運或建設中的二次再熱超超臨界機組旁路配置情況匯總如表1 所示。

表1 部分二次再熱超超臨界機組旁路配置情況

2 本工程旁路系統選型

設計選擇旁路系統時應綜合考慮在電網中承擔的任務、汽機的沖轉啟動方式及如何防固體顆粒物侵蝕等因素[1]。

2.1 電網運行需求

本項目地處華東負荷中心，地區負荷變動大。受此影響，項目的運行靈活性高，機組要能實現頻繁啟停和快速升降負荷的功能。

啟動響應要求高。在汽機啟動時，要控制主蒸汽、一次再熱蒸汽和二次再熱蒸汽的壓力、溫度維持到設定的水平，以滿足汽輪機各工況啟動的要求，縮短啟動時間，提高響應度。

旁路系統的設置能使鍋爐具有獨立運行的能力，從而減少鍋爐側設備維修以后的調試時間。同時，在不停爐工況下，為汽機側的設備緊急檢修創造條件。

2.2 本工程汽輪機廠提出的啟動方式

本期工程的主機為東方鍋爐廠和上海汽輪機廠的主機組合。上海汽輪機廠對二次再熱汽輪機推薦采用超高壓缸、高壓缸、中壓缸聯合啟動的方式。這種啟動方式決定了汽輪機旁路須設高、中、低壓三級串聯旁路。

2.3 防固體顆粒物侵蝕

鍋爐的啟停爐和變負荷過程中，爐膛燃燒工況變化幅度較大，疊加母材和氧化膜的熱膨脹系數差異，會導致內壁氧化膜脫落，且氧化膜的厚度越厚，脫落所需應力越小。過快的啟動速率，是其產生氧化物較多的一個重要原因[2]。因此在620 ℃再熱的機組中，需合理設計啟動時間，避免過快啟動，引起氧化膜脫落。

保證必要的鍋爐啟動時間，減少熱應力沖擊引起的氧化物。啟動前旁路必須運轉，鍋爐出口蒸汽參數滿足汽輪機進汽參數要求時，汽輪機才開始沖轉，本工程鍋爐在汽輪機沖轉參數下的最小流量為10%額定流量（極熱態為12%額定流量），旁路對減少顆粒有非常重要的作用。

盡量加大啟動旁路容量也是防止固體顆粒物侵蝕的一種措施，可以增加啟動過程中鍋爐受熱面的蒸汽通流量，使得氧化物更容易被帶走[3]。但當旁路容量增大到65%以上時，低壓旁路閥后蒸汽量將超過凝汽器設計容量。

綜合以上設計功能，并結合上海汽輪機廠、東方汽輪機廠、哈爾濱汽輪機廠提供的汽輪機啟動方式，本工程設計高、中、低壓三級串聯旁路。

2.4 高、中、低壓三級串聯旁路

系統的基本配置如下：①高壓旁路。鍋爐過熱器出口蒸汽通過高壓旁路進入一次再熱冷段管道后進入鍋爐一次再熱器入口。②中壓旁路。蒸汽由一次再熱器出口經過中壓旁路后通過二次再熱冷段管道進入鍋爐二次再熱器。③低壓旁路。蒸汽由鍋爐二次再熱器出口通過低壓旁路排至凝汽器。

三級串聯旁路的系統圖如圖1 所示。

圖1 旁路系統方案原則圖

3 旁路容量的選擇計算

3.1 旁路容量的定義

國內旁路系統容量一般是指蒸汽為額定參數時，旁路系統的通流量與鍋爐額定蒸發量之比。因此，其高低旁路容量的定義如下：

根據以上定義，得出：

由旁路系統容量的定義中可以看出，旁路容量是指在BMCR 工況下旁路系統的通流能力。所以，在不同參數下旁路系統的容量是不相同的。

3.2 旁路容量的計算公式

一般情況下，旁路工況均為臨界工況。旁路閥出口蒸汽壓力與入口蒸汽壓力的比值遠低于臨界壓比（對過熱蒸汽來說，臨界壓比為0.546）。此時，特定的旁路閥的通流量只與旁路閥入口的蒸汽參數有關，具體公式如下：

式中：G為旁路通流量的數值，單位t/h；α為通流系數，與閥的開度有關；A為通流面積的數值，單位cm2；K為絕熱指數；P1為閥前壓力的數值，單位MPa；V1為閥前比容的數值，單位m3/kg。

可見，旁路容量和閥前蒸汽壓力與比容比值的平方根成正比，即：

4 旁路計算結果

上海汽輪機廠提供的啟動參數如表2 所示。

表2 上海汽輪機廠的啟動運行方式及沖轉參數

上海汽輪機廠推薦在鍋爐最小直流負荷下，為了滿足蒸汽溫度的最小鍋爐流量準則，同時，為了避免因高壓排汽鼓風發熱造成停機，取盡可能大的旁路容量。

根據前述本工程旁路的功能要求，結合汽機在不同工況下啟動的蒸汽參數要求，對旁路系統的容量進行計算。高、中、低壓旁路計算結果分別如表3—表5 所示。

表3 高壓旁路計算結果

表4 中壓旁路計算結果

表5 低壓旁路計算結果

根據上表計算結果，在鍋爐最小直流負荷下，既要滿足蒸汽溫度的最小鍋爐流量準則，還要避免因高壓排汽鼓風發熱造成停機，可以選取的最大的旁路容量為45%BMCR。

根據三級旁路系統設計，中壓旁路容量是高旁入口蒸汽流量和高旁減溫水流量之和，低壓旁路容量是中壓旁路入口蒸汽流量和中旁減溫水流量之和。

5 汽機旁路選型結果

選用合適的旁路系統可以有效改善機組的啟動性能，縮短啟動時間。同時還能減少機組的壽命消耗和加強變負荷適應能力。對于本工程，根據汽輪機廠提供的二次再熱汽輪機啟動方式，采用高、中、低壓三級串聯旁路。

根據機爐匹配啟動曲線和旁路容量計算結果，本項目汽輪機旁路選型如下：①高壓旁路系統容量為45%BMCR；②中壓旁路系統容量按啟動工況最大主蒸汽流量加減溫水量選型；③低壓旁路系統容量按中壓旁路流量加減溫水量選型。