1 000 MW 超超臨界機組旁路系統(tǒng)配置優(yōu)化

（神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司，福建 泉州 362712）

0 引言

對于高參數(shù)、大容量的1 000 MW 超超臨界機組，正確認識汽輪機旁路的功能和作用，選擇合理的旁路系統(tǒng)，對于機組長期安全、高效運行具有非常重要的意義。

目前國內(nèi)汽輪機旁路配置主要有2 種類型。日本技術(shù)流派的機組，以東汽引進型1 000 MW汽輪機為代表，采用高壓缸啟動，一般設(shè)計40%BMCR（鍋爐最大出力）以下的一級旁路；有的甚至不配旁路，使用5%BMCR 的疏水系統(tǒng)。歐洲技術(shù)流派的機組，以上海汽輪機廠、西門子等汽輪機廠商為代表，通常為高中壓聯(lián)合啟動，一般采用二級串聯(lián)旁路系統(tǒng)[1]。

神華福建羅源灣發(fā)電廠選用東方鍋爐廠∏型29.4 MPa（a）/605/623 ℃直流爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量為2 880 t/h；選用哈爾濱汽輪機廠改進型一次中間再熱28.0 MPa（a）/600/620 ℃濕冷機組，額定功率1 000 MW。初步設(shè)計時，按照主機條件及國內(nèi)常規(guī)配置方案，選用了42%BMCR 高旁容量的二級旁路系統(tǒng)。隨著對汽輪機旁路功能認識的提高，改為100%BMCR 高旁+70%BMCR 低旁、帶安全閥功能的二級旁路。

在此之前，采用東方鍋爐廠直流爐的1 000 MW 機組，無論匹配何種汽輪機、旁路，均未取消過鍋爐過熱器安全閥系統(tǒng)，沒有用旁路代替安全閥功能。當(dāng)然，也未曾配置過大容量的二級旁路，更沒有相應(yīng)的控制原則。

1 旁路的功能作用

1.1 傳統(tǒng)認識上的作用

傳統(tǒng)觀點認為，汽輪機旁路主要有啟動、安全、壓力調(diào)節(jié)功能。

（1）啟動：機組啟動時，鍋爐在啟動階段，因蒸汽參數(shù)未滿足汽輪機沖轉(zhuǎn)要求，通過旁路系統(tǒng)可以控制鍋爐蒸汽壓力和溫度，快速升溫升壓，使啟動參數(shù)能較快匹配汽輪機金屬溫度。

（2）安全：當(dāng)主汽及再熱蒸汽壓力異常，或機組甩負荷時，旁路快速開啟，減少安全門動作，避免主燃料跳閘。二級旁路還可以防止再熱器干燒，避免啟動階段再熱器干燒，減緩蒸汽管道溫度變化，減少氧化皮產(chǎn)生及剝離。

（3）壓力調(diào)節(jié)：在機組負荷瞬時降低一定幅度的過渡過程中，旁路參與主汽壓力調(diào)節(jié)，穩(wěn)定汽輪機機前壓力；當(dāng)機組負荷低于鍋爐不投油穩(wěn)燃負荷時，分流主汽流量，穩(wěn)定鍋爐燃燒。

1.2 新技術(shù)應(yīng)用后的新作用

隨著超超臨界技術(shù)的推廣應(yīng)用，對旁路系統(tǒng)的作用有了更深入的認識。

（1）改進基建階段吹管效果：新機組調(diào)試階段，通過酸洗、吹管等措施對鍋爐受熱面和主汽、再熱管道進行清洗，去除雜物和污垢，保護汽輪機。采用臨時系統(tǒng)吹管后，在總體沖洗干凈的爐管中，仍不可避免存在零流速區(qū)的殘留固體顆粒，難以徹底清除。而采用大容量的旁路系統(tǒng)，可利用永久的主汽、再熱及旁路系統(tǒng)，對鍋爐過熱器、再熱器內(nèi)的固體顆粒進行最大限度的吹掃，進一步提升系統(tǒng)清潔度[3]。

（2）減輕運行機組固體顆粒物侵蝕：固體顆粒物侵蝕主要發(fā)生在鍋爐啟動階段，因鍋爐受熱面受熱沖擊引起水冷壁氧化皮剝離，形成固體顆粒，對汽輪機產(chǎn)生侵蝕。采用大容量的旁路系統(tǒng)，可以在機組每次啟動時“代替吹管”，即通過鍋爐加旁路運行，進行大流量、高動能吹掃，極大程度地將已經(jīng)產(chǎn)生的固體顆粒直接排入凝汽器，改善汽輪機固體顆粒物侵蝕問題。

（3）FCB 功能：大容量的旁路，有利于實現(xiàn)停電不停機、停機不停爐及FCB（快切負荷）功能。旁路容量越大，越有利于工質(zhì)回收；但低旁容量受到凝汽器容量的限制。

2 關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新

基于認識的深入和提高，將神華羅源灣發(fā)電廠旁路系統(tǒng)改為100%BMCR 高旁+70%BMCR 低旁、帶安全閥功能的二級旁路。為充分發(fā)揮大容量旁路系統(tǒng)的功能，同時提出了取消鍋爐過熱器安全閥、滿足FCB 等功能。

2.1 安全閥系統(tǒng)配置優(yōu)化

采用100%BMCR 高壓旁路后，具有了替代過熱器安全閥的功能，從簡化系統(tǒng)、降低投資，避免功能重復(fù)的角度，應(yīng)該取消過熱器系統(tǒng)的安全閥。

按照《ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范國際性規(guī)范動力鍋爐建造規(guī)則》及TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，要求在低過至屏過、高過出口、低再入口和高再出口設(shè)置安全門；其中，高過出口需要設(shè)置PCV 閥（電磁泄放閥）和彈簧式安全閥，故國內(nèi)現(xiàn)有超超臨界機組均裝設(shè)有過熱器安全閥。

根據(jù)GB/T 16507—2013《水管鍋爐》規(guī)定，“裝有容量為100%快速旁路的直流鍋爐，其高壓旁路使用組合一體的安全旁路三用閥（減溫、減壓、安全）時，可只在再熱器上裝設(shè)安全閥，安全旁路三用閥的保護控制必須可靠。再熱器安全閥的排放量為全部三用閥的流量和其噴水量之和?！币虼?，本工程在旁路上設(shè)置了安全閥，取消了鍋爐過熱器系統(tǒng)的全部安全閥。這在東方鍋爐廠直流爐安全閥系統(tǒng)設(shè)置方面屬首次應(yīng)用。

僅在高再出口設(shè)置了安全閥。安全閥的排放量為100%BMCR，當(dāng)汽輪機低真空故障時，不允許大量蒸汽進入凝汽器，低壓旁路將被閉鎖，高壓旁路來的蒸汽就可以通過再熱安全門泄放。從泄壓的角度，可調(diào)式安全閥和彈簧式安全閥都能夠滿足安全要求；從控制的角度，適合選擇可調(diào)式安全閥。

2.2 再熱器材質(zhì)升級

在機組FCB 工況時，幾乎全部的過熱蒸汽將經(jīng)過高壓旁路進入鍋爐再熱器。此時若減溫水故障，將可能導(dǎo)致再熱器超溫爆管。因此，需按照減溫水全部失去的工況，對再熱器材質(zhì)進行核算和升級。

核算的極端邊界條件是BMCR 工況下汽輪機故障，高旁4 路減溫水均未投入，煙溫擋板未動作；材質(zhì)核算的標準是運行溫度不超過材料最高允許使用溫度。經(jīng)核算，低再入口溫度由正常工況下的351 ℃升至525 ℃，低再出口的工質(zhì)溫度由正常工況下的531 ℃升至604 ℃，因此，對低溫再熱器的材質(zhì)進行了升檔，如表1 所示。

表1 再熱器材質(zhì)升檔情況

需要指出的是，雖然極端工況為小概率事件，但是一旦發(fā)生，將導(dǎo)致再熱器大面積爆管的嚴重事故，危害極大。因此，再熱器材質(zhì)升級是十分必要的。

2.3 控制策略的調(diào)整

大容量旁路設(shè)置，使機組具備了停電不停機、停機不停爐及FCB 功能。為了實現(xiàn)這些功能，對機組的控制策略、控制原則進行了適應(yīng)性調(diào)整。以聯(lián)鎖保護為例，以往的機組大多采用鍋爐、汽輪機、發(fā)電機相互聯(lián)鎖跳閘的橫向聯(lián)鎖保護方式，即爐、機、電中任何一個跳閘即導(dǎo)致機組聯(lián)鎖停機。這種控制方式不適應(yīng)停電不停機、停機不停爐及FCB 功能要求，頻繁的啟停機還會增加氧化皮的產(chǎn)生和剝離。為此，神華羅源灣發(fā)電廠調(diào)整了控制策略，采用了單向聯(lián)鎖的方式，“向后跳”而不“向前跳”。只有在鍋爐跳閘后，才會使汽輪機及發(fā)電機發(fā)生連鎖跳閘；但當(dāng)汽輪機、發(fā)電機跳閘時，只向后聯(lián)跳，不向前聯(lián)跳鍋爐；特別是電網(wǎng)或主變壓器出現(xiàn)故障，則只跳主變壓器出口開關(guān)，不聯(lián)跳爐、機、電[10]。

三用閥二級串聯(lián)旁路的控制特點，還在于正常運行之后的投入模式。在所有高旁閥位關(guān)閉并且全部蒸汽進入汽輪機后，旁路轉(zhuǎn)為滑壓跟蹤溢流模式。當(dāng)壓力升高到滑壓曲線偏置值以上時，高旁自動由全關(guān)狀態(tài)開始，溢流調(diào)節(jié)主汽壓力；當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)故障、發(fā)電機或汽輪機跳閘時，高旁由滑壓跟蹤溢流模式轉(zhuǎn)為壓力控制模式，將主汽壓力逐步下滑至根據(jù)高壓轉(zhuǎn)子溫度計算而得的汽輪機沖轉(zhuǎn)壓力[2]。

圖1 二級串聯(lián)旁路系統(tǒng)

3 系統(tǒng)配置變化情況

二級串聯(lián)旁路，指新蒸汽繞過HP（高壓缸），經(jīng)減壓減溫后進入再熱器（高壓旁路），蒸汽從再熱器出來后繼續(xù)繞過IP（中壓缸），經(jīng)減壓減溫后進入凝汽器（低壓旁路），如圖1 所示。

3.1 旁路容量

旁路系統(tǒng)的容量必須滿足各種工況的要求。

3.1.1 改型前的旁路容量

初步設(shè)計時，著重按啟動功能進行旁路選型。根據(jù)鍋爐廠和汽輪機廠的啟動曲線，分析汽機/鍋爐冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)等工況的運行參數(shù)，計算了旁路系統(tǒng)的容量。

流量折算公式為：

式中：De，Pe，Ve分別為額定參數(shù)下旁路閥全 開時的質(zhì)量流量、壓力、比容；Dc，Pc，Vc分別為啟動工況下旁路閥全開時的質(zhì)量流量、壓力、比容。

通過折算，高壓旁路的容量為42%BMCR 以下；低旁出口的蒸汽壓力為0.6 MPa，160 ℃，反算入口蒸汽流量約為1 560 t/h，核算低壓旁路容量為BMCR 鍋爐蒸汽量2 880 t/h 的54%。所以，初步設(shè)計中選用了42%BMCR 高旁+55%低旁的二級串聯(lián)旁路。

3.1.2 改型后的旁路容量

改型時，從提高沖管時的動量比、防止固體顆粒物侵蝕，停機不停爐及滿足FCB 功能角度，將高壓旁路的容量定為100%BMCR。因為鍋爐的負荷響應(yīng)速度遠遠低于汽輪發(fā)電機組，甩負荷時，借助汽輪機調(diào)速系統(tǒng)、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，汽輪發(fā)電機組可以在1 s 內(nèi)完成負荷變化；而鍋爐由于龐大的熱慣性和燃燒調(diào)節(jié)的延時性，響應(yīng)負荷需要較長的時間。大容量旁路，可以在甩負荷時，使鍋爐蒸汽借道旁路而維持運行。所以，大容量旁路是重要的系統(tǒng)保障。

低壓旁路的容量，以不增加凝汽器面積及凝結(jié)水泵出力為原則。差別在于：機組正常運行中，由于各級抽汽的存在，到達凝汽器的蒸汽量遠低于再熱蒸汽量；而低壓旁路不但將再熱蒸汽全部送入凝汽器，還投入較大量的減溫水。如果按低旁容量選擇凝汽器，不僅會增加投資，而且汽機房布置會限制凝汽器面積的任意增大。因此，按照允許進入凝汽器的蒸汽量為2 100 t/h（含減溫水量），選擇了70%BMCR 的低旁容量。

需要指出的是，在FCB 工況下，進入冷再熱管的蒸汽量包含高壓旁路的減溫水，其量為主蒸汽量的約16%。但此時汽動給水泵、除氧器都直接或間接地取用冷再熱蒸汽，其用量一般不少于高壓旁路噴水量，所以低壓旁路的容量，仍以鍋爐BMCR 工況蒸發(fā)量為容量基數(shù)。

3.2 系統(tǒng)配置對比

經(jīng)過對安全閥系統(tǒng)、再熱器材質(zhì)、控制策略等方面的論證，具備了旁路改型的條件。三用閥的采用、FCB 功能的具備，完善了旁路系統(tǒng)的配置。系統(tǒng)變化情況見表2。

表2 系統(tǒng)配置對比

4 投資變化及經(jīng)濟效益分析

從系統(tǒng)配置可以看出，主要在旁路系統(tǒng)、鍋爐安全閥系統(tǒng)、鍋爐再熱器及管道方面增加投資。相對于42%BMCR 小容量二級串聯(lián)旁路，2臺機組的旁路改型及鍋爐調(diào)整會增加估算費用約3 250 萬元。

分析認為，配置大容量旁路后，機組啟動階段可通過鍋爐帶旁路運行，實現(xiàn)大流量、高動能吹掃，將安裝、檢修或啟動階段產(chǎn)生和剝離的氧化皮吹掃至凝汽器，減輕汽輪機固體顆粒物侵蝕，避免汽輪機侵蝕造成效率下降，實現(xiàn)長周期“保效”運行；并可一定程度避免氧化皮剝落造成的堵管、爆管等事故，提高機組運行可靠性[8]。

同時，具備FCB 功能后，可實現(xiàn)停機不停爐，事故搶修后可快速恢復(fù)機組運行，減少了機組啟動費用。

5 結(jié)語

旁路系統(tǒng)的選型，要在結(jié)合汽輪機啟動方式、鍋爐熱力系統(tǒng)設(shè)置的基礎(chǔ)上，正確認識項目對旁路系統(tǒng)的功能需求。

神華福建羅源灣發(fā)電廠在初步設(shè)計確定旁路系統(tǒng)型式、容量后，對旁路功能作用進行了再認識、再提高，決定改變已經(jīng)選型的42%小容量旁路；采用突破常規(guī)的思維，優(yōu)化鍋爐安全閥系統(tǒng)配置，調(diào)整了聯(lián)鎖控制方式，改用了100%BMCR高旁+70%BMCR 低旁、帶安全閥（配三用閥）功能、帶FCB 功能的二級旁路；并適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)變化需求，升級了再熱器材質(zhì)。

需要特別指出的是，要正確認識旁路的功能和作用，結(jié)合機組特征，正確地選擇旁路型式、容量。對于超超臨界機組而言，旁路僅作啟動功能、采用遠方手操方式的思維需要轉(zhuǎn)變。