700 MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)選型

禹立堅(jiān)，周廣杰

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南250013）

700 MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)選型

禹立堅(jiān)，周廣杰

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南250013）

旁路系統(tǒng)的選型既要考慮機(jī)組運(yùn)行的安全性，又要兼顧設(shè)備投資的影響。茌平信源6×700 MW超超臨界機(jī)組采用中壓缸啟動方式，通過對典型工況進(jìn)行分析，計(jì)算不同啟動工況下旁路系統(tǒng)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(tǒng)主要用于改善機(jī)組的啟動特性，不考慮帶廠用電和安全閥功能。

汽輪機(jī)；旁路系統(tǒng)；中壓缸啟動；選型

0 引言

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

1 旁路系統(tǒng)選型

旁路系統(tǒng)是把鍋爐產(chǎn)生的蒸汽部分或全部繞過汽輪機(jī)，通過減溫、減壓等設(shè)備直接排入凝汽器的系統(tǒng)。主要用于協(xié)調(diào)鍋爐出口蒸汽量和汽輪機(jī)用汽量之間的不平衡，改進(jìn)機(jī)組的啟動和負(fù)荷特性，從而提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和靈活性。綜合各種旁路系統(tǒng)，主要作用有：1）在機(jī)組啟動階段協(xié)調(diào)鍋爐和汽輪機(jī)配汽，回收工質(zhì)，降低噪音，適應(yīng)機(jī)組滑參數(shù)啟動，自動調(diào)壓、調(diào)溫，加快啟動速度；2）調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，協(xié)調(diào)鍋爐和汽輪機(jī)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)鍋爐主蒸汽壓力，當(dāng)蒸汽超壓、超溫時(shí)起保護(hù)作用；3）機(jī)組快速降負(fù)荷時(shí)，旁路負(fù)荷瞬變過程的過剩蒸汽，保持鍋爐不投油穩(wěn)定燃燒，一旦故障排除可迅速帶負(fù)荷；4）發(fā)生故障時(shí)，維持連續(xù)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(tǒng)主要有啟動、溢流和安全3大功能，此外還有回收工質(zhì)、暖管、清洗和減少固體顆粒侵蝕等能力［1］。這些功能的設(shè)計(jì)成為影響旁路系統(tǒng)選型和選擇旁路容量大小的關(guān)鍵。

1.1 旁路系統(tǒng)分類

一級旁路。一級旁路系統(tǒng)是把從過熱器出來的蒸汽經(jīng)減溫減壓后直接排入凝汽器，旁路容量為35% BMCR左右。系統(tǒng)簡單，投資少、操作也方便?？蓾M足機(jī)組啟停過程中回收工質(zhì)并加快啟動速度的要求，多用于鍋爐再熱器材質(zhì)較好，不需要特殊保護(hù)的機(jī)組。

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

三級旁路。由一級大旁路和高、低壓兩級串聯(lián)旁路并聯(lián)組成。一級大旁路主要用于鍋爐低負(fù)荷時(shí)維持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，高、低壓兩級旁路的作用是調(diào)節(jié)啟停階段進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)和蒸汽流量。系統(tǒng)兼有一級旁路和兩級串聯(lián)旁路的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)行靈活，能滿足各種運(yùn)行工況的要求。缺點(diǎn)是系統(tǒng)過于復(fù)雜，鋼材消耗量太大，投資也大，現(xiàn)在基本上已不再采用。

三用閥旁路。該系統(tǒng)的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)自動壓力跟隨和超壓保護(hù)，省去了鍋爐過熱器安全閥，通過調(diào)節(jié)汽壓和流量可適應(yīng)機(jī)組不同工況的滑參數(shù)啟停和運(yùn)行。機(jī)組甩負(fù)荷后，可以帶廠用電運(yùn)行，待故障排除可迅速帶負(fù)荷，既減少了機(jī)組啟停的次數(shù)，同時(shí)還減輕了對汽輪機(jī)的熱沖擊。系統(tǒng)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(jī)高壓旁路及65%～80%BMCR容量的低壓旁路［2］。該系統(tǒng)缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，設(shè)備價(jià)格較高，維修工作量大。在我國的進(jìn)口機(jī)組中，采用西歐直流爐的機(jī)組均采用了三用閥系統(tǒng)，如元寶山電廠二期626.9 MW機(jī)組、石洞口二廠2×600 MW機(jī)組等［4］。

無旁路系統(tǒng)。該系統(tǒng)不設(shè)汽輪機(jī)旁路，僅設(shè)容量較小的疏水小旁路，滿足機(jī)組在各種工況下的啟動要求，主要用于承擔(dān)電網(wǎng)基本負(fù)荷的大型再熱機(jī)組。主機(jī)及部分輔機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行須采取一定措施以保證啟動過程的安全性。機(jī)組啟動時(shí)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(hù)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(shí)間較長。它具有系統(tǒng)簡單、費(fèi)用低、運(yùn)行操作簡便等特點(diǎn)，曾一度在美國廣為采用，國內(nèi)300 MW等級亞臨界機(jī)組中有較多應(yīng)用。

1.2 旁路系統(tǒng)選型

旁路系統(tǒng)選型與機(jī)組在電網(wǎng)中所承擔(dān)負(fù)荷的性質(zhì)、鍋爐和汽輪機(jī)的特點(diǎn)等因素有關(guān)。工程6臺機(jī)組均承擔(dān)基本負(fù)荷，機(jī)組啟停次數(shù)少，沖轉(zhuǎn)參數(shù)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(jī)不停爐不能發(fā)揮很大作用，而且考慮到電廠所處電網(wǎng)容量大，電網(wǎng)安全性較高等特點(diǎn)，可不考慮停機(jī)不停爐和帶廠用電運(yùn)行等功能。

汽輪機(jī)采用中壓缸啟動，鍋爐再熱器不允許干燒，這些特點(diǎn)決定了不能采用一級大旁路系統(tǒng)。三級旁路系統(tǒng)由于控制復(fù)雜，初投資高等特點(diǎn)也不適用。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性方面綜合考慮，推薦采用高低壓兩級串聯(lián)旁路。

為了節(jié)約投資，旁路系統(tǒng)的簡化是發(fā)展趨勢，根據(jù)電廠的實(shí)際情況，并且征求了業(yè)主的意見，旁路系統(tǒng)不考慮替代鍋爐過熱器出口安全閥，主要用于改善機(jī)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(nèi)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(zhì)量流量百分?jǐn)?shù)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(shù)下通過高壓或整體旁路系統(tǒng)的最大流量，t／h；D是指鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量，t／h。

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

旁路容量是指在額定參數(shù)下旁路系統(tǒng)的通流能力，機(jī)組停機(jī)時(shí)間不同，對旁路系統(tǒng)的通流要求也不一樣。冷態(tài)或溫態(tài)啟動時(shí)蒸汽的流量小、溫度低、比容小，對旁路系統(tǒng)的通流要求小。熱態(tài)或極熱態(tài)啟動時(shí)蒸汽的流量大、溫度高、比容大，要求旁路系統(tǒng)有較大的通流能力。確定旁路的容量就是要計(jì)算機(jī)組在啟動過程中旁路系統(tǒng)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(jù)主機(jī)的啟動曲線，鍋爐的最低穩(wěn)燃負(fù)荷，其次還要依據(jù)電廠對旁路功能的定位和要求。如果希望實(shí)現(xiàn)帶廠用電運(yùn)行，旁路容量一般不低于60%BMCR；如果希望旁路系統(tǒng)代替鍋爐過熱器出口安全閥，超壓時(shí)將多余的蒸汽排入凝汽器，對應(yīng)的旁路容量一般要取100%BMCR［3］。本工程旁路系統(tǒng)僅作改善機(jī)組啟動特性使用，旁路容量只需滿足各啟動工況的參數(shù)要求，這對于簡化系統(tǒng)和節(jié)省工程造價(jià)都有好處。

對于采用高壓缸或高、中壓缸聯(lián)合方式啟動的機(jī)組，在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，高壓和中壓主汽門都處于關(guān)閉狀態(tài)，從鍋爐來的過熱蒸汽必須通過旁路系統(tǒng)建立循環(huán)。鍋爐過熱器出口的蒸汽全部通過高壓旁路閥進(jìn)入再熱系統(tǒng)，然后由低壓旁路進(jìn)入凝汽器。汽輪機(jī)開始進(jìn)汽以后，通過旁路系統(tǒng)的流量會迅速減少，尤其對于高壓缸啟動的機(jī)組，汽輪機(jī)開始進(jìn)汽后，旁路就要退出運(yùn)行。因此，通過高壓旁路閥的最大流量一般出現(xiàn)在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)的時(shí)刻，低壓旁路閥的流量在同一時(shí)間也達(dá)到最大，數(shù)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(jī)組，旁路系統(tǒng)有區(qū)別。啟動過程中，高壓旁路閥出口的蒸汽流量與中壓缸進(jìn)汽量的差值就是經(jīng)低壓旁路閥排入凝汽器的流量。在中壓缸啟動沖轉(zhuǎn)前，高、中壓主汽門都處于關(guān)閉狀態(tài)，所有蒸汽要通過低壓旁路閥進(jìn)入凝汽器。汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)后，通過低壓旁路系統(tǒng)的蒸汽流量迅速衰減。因此低壓旁路系統(tǒng)的最大流量一般出現(xiàn)在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)的那一刻。中壓缸進(jìn)汽以后，隨著汽機(jī)負(fù)荷的增加，通過高壓旁路的流量也在增加，在高壓缸進(jìn)汽的一瞬間，也就是所謂的“切缸點(diǎn)”，流過高壓旁路系統(tǒng)的蒸汽流量達(dá)到最大值，隨后高壓旁路閥逐漸退出運(yùn)行。

2.2.1 高壓旁路容量的確定

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

表1 汽輪機(jī)入口蒸汽參數(shù)

圖1為汽輪機(jī)極熱態(tài)工況的啟動曲線，在5%負(fù)荷點(diǎn)，汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)汽量從零瞬間增加到320 t／h，數(shù)值等于中壓缸的進(jìn)汽量。該點(diǎn)為汽輪機(jī)啟動過程的“切缸點(diǎn)”，此時(shí)高壓缸開始進(jìn)汽，高壓旁路閥逐漸關(guān)閉，在切缸點(diǎn)高壓旁路系統(tǒng)的蒸汽流量達(dá)到最大值。圖2為鍋爐極熱態(tài)工況啟動曲線，在“切缸點(diǎn)”鍋爐出口蒸汽流量是16%BMCR，為329.6 t／h，此數(shù)值就是該工況下通過高壓旁路系統(tǒng)的實(shí)際最大流量，此時(shí)過熱器出口蒸汽壓力為11 MPa，溫度515℃。

圖1 汽輪機(jī)極熱態(tài)啟動曲線

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

式中：p、v和Dp1分別為額定參數(shù)下主汽門入口的壓力、比容和通過高壓旁路系統(tǒng)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(tǒng)的蒸汽流量。

同理，可計(jì)算出冷態(tài)、溫態(tài)和熱態(tài)工況下高壓旁路系統(tǒng)的通流量，計(jì)算結(jié)果如表2所示。綜合表2中各工況的計(jì)算結(jié)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(tǒng)，降低工程造價(jià)。

表2 各啟動工況下高壓旁路閥參數(shù)匯總

圖2 鍋爐極熱態(tài)啟動曲線

2.2.2 低壓旁路容量確定

由圖2可見，鍋爐點(diǎn)火后32 min汽輪機(jī)開始沖轉(zhuǎn)，過熱器出口蒸汽流量為10%BMCR，約206 t／h。這部分蒸汽經(jīng)旁路系統(tǒng)全部排入凝汽器，此時(shí)低壓旁路閥入口流量達(dá)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(shù)下的通流量，見式（3），再除以額定參數(shù)下的鍋爐蒸發(fā)量和旁路容量為100%時(shí)高旁減溫水量之和就得到極熱態(tài)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(shù)下中聯(lián)門入口的蒸汽壓力、比容和通過低壓旁路系統(tǒng)的流量；p2、v2和D2則為啟動工況下中聯(lián)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(shù)下的鍋爐蒸發(fā)量和額定參數(shù)下高壓旁路容量為100%時(shí)的噴水量。其他工況旁路容量的計(jì)算結(jié)果如下表3所示。

表3 各啟動工況下低壓旁路閥參數(shù)匯總

由表3可見，極熱態(tài)啟動工況下低壓旁路系統(tǒng)需要的通流量最大，為69.41%。此時(shí)凝汽器需要接收約288 t／h的蒸汽（0.8 MPa，180℃），經(jīng)與汽輪機(jī)廠核實(shí)，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(gè)閥門容量35%），滿足工程的需要。

3 結(jié)語

汽機(jī)旁路系統(tǒng)選用高、低壓兩級串聯(lián)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(tǒng)僅在機(jī)組啟動時(shí)使用，不考慮帶廠用電和安全閥功能。從2013年9月開工建設(shè)，到2015年底6臺機(jī)組全部投入商業(yè)運(yùn)行，機(jī)組啟動過程中旁路系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，表明旁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理的，既滿足工程的實(shí)際需要，又滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。

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

［2］馮興隆.汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)型式及容量選擇［J］.技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜述，2006，35（8）：12-15.

［3］裘斌.1 000 MW級超超臨界發(fā)電機(jī)組旁路配置比較［J］.科學(xué)時(shí)代，2010（1）：57-60.

［4］李續(xù)軍.國產(chǎn)化600 MW超臨界機(jī)組旁路系統(tǒng)的配置和容量選擇［C］∥第四屆全國火力發(fā)電技術(shù)學(xué)術(shù)年會，2003：914-918.

［5］宋漢武，陳德昌，柏采章.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)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(jiān)（1983），男，工程師，主要從事火力發(fā)電廠熱機(jī)專業(yè)的設(shè)計(jì)和研究工作。