超超临界机组汽轮机旁路系统的选型

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1、超超临界机组汽轮机旁路系统的选型摘要： 介绍了超超临界机组汽机旁路系统的功能及类型，对华能玉环电厂41 000 MW超超临界机组与华电国际邹县电厂四期21000 MW超超临界机组的汽轮机旁路系统的设置方案进行了比较。前者选用的是高、低压两级串联旁路系统，后者是高压一级大旁路系统，他们在旁路系统的设置上有较大不同，但专家论证认为这2种旁路系统均是可行的。文章还对旁路系统选型从机组启动、运行方式、控制造价2个方面进行了说明。关键词： 火力发电厂；超超临界机组；汽轮机；锅炉；旁路系统；机组启动华能玉环电厂、华电国际邹县电厂四期扩建工程，均为1 000 MW等级的超超临界机组，是我国目前正在建设的单机

2、容量最大、参数最高的大型燃煤火力发电机组，分别由华东电力设计院和西北电力设计院承担电厂的总体设计。在旁路系统的选型中进行了广泛的调研后，分别选用了高、低压两级串联旁路和高压一级大旁路，对我国在超超临界大容量机组旁路系统的选型具有一定的借鉴意义。1超超临界机组汽机旁路系统型式 目前国际上超临界和超超临界机组的可靠性已达到相当高的水平。超超临界机组已在欧洲和日本得到广泛应用。大容量超超临界机组旁路系统的应用情况从目前的欧洲和日本应用来看主要可分为4种类型：三用阀旁路系统、一级大旁路系统、三级旁路系统和两级串联旁路系统。这4种类型的旁路系统，在我国正在运行的亚临界参数机组中均有使用业绩，但超超临界机

3、组设备主要选用高压一级大旁路系统和高、低压两级串联旁路系统。下面对这2种系统分别进行介绍。1.1高压一级大旁路系统 图1高压一级大旁路系统简图高压 一级大旁路系统简图如图1所示。当此种旁路系统投运时主蒸汽经减压减温后快速直接排入凝汽器。锅炉的再热器通常用不锈合金钢制造，耐温为800左右，可以干烧，不需要介质冷却。旁路的功能只是应用于冷、热态启动和回收工质。旁路容量为35%BMCR左右(BMCR为锅炉最大额定出力)，在机组甩负荷时，由于旁路容量不能满足安全门动作容量（约为42%BMCR），因而安全阀要动作。高压一级大旁路系统简单，一次性投资少，其缺点是：在启动及甩负荷时必须严格控制锅炉的燃烧；再

4、热管道的暖管升温十分困难，不利于机组热态启动；由于再热汽温和中压缸壁温不匹配，因而将损耗中压缸的寿命。所以此类旁路系统只适用于带基本负荷的机组，不适用于经常热态启动的机组。 1.2高、低压两级串联旁路系统高、低压两级串联旁路系统简图如图2所示。 图2高、低压两级串联旁路简图部分容量两级串联旁路系统的一般容量为30%40%BMCR。采用两级串联旁路系统的机组可在冷态、温态、热态和极热态启动条件下启动，蒸汽温度和金属温度相匹配，启动时间缩短，能有效地回收工质，对布置在烟温较高区域的再热器可起到保护作用，防止再热器干烧，而且在主机跳机时能迅速打开。2两座电厂超超临界机组旁路系统方案比较 2.1邹县电

5、厂超超临界机组主要技术参数锅炉是东方锅炉厂日本BHK公司生产的(DG3000/26.15II1型) 超超临界、单炉膛、一次再热、平衡通风、前后墙对冲燃烧、变压直流炉。汽轮机为东方汽轮机厂日本日立公司生产的(N1000-25.0/600/600型)超超临界、一次中间再热、四缸四排汽、单轴、双背压、凝汽式汽轮机。锅炉和汽轮机的主要技术参数如下：（1） 锅炉参数。锅炉最大连续出力：3 033 t/h过热蒸汽压力：26.25 MPa(a)过热/再热蒸汽温度：605/ 603 再热蒸汽流量：2 469.7 t/h再热蒸汽出口压力：4.89 MPa(a)（2） 汽机参数。最大功率：1 083.5 MW主汽

6、阀前压力：25.0 MPa（a）主汽阀前温度：600 再热主汽阀进口压力：4.68 MPa（a）再热主汽阀进口温度：600 汽轮机旁路系统为高压一级大旁路系统，其容量为25%BMCR。旁路系统装置由高压旁路阀、喷水调节阀、喷水隔离阀等组成，制造商为德国西门子公司。高压一级大旁路系统旁路阀的主要技术参数：设计入口压力：27.03 MPa(a)；出口蒸汽压力：1.6 MPa(a)；设计入口温度：610 ；出口蒸汽温度：250 。2.2玉环电厂超超临界机组的主要技术参数锅炉是哈尔滨锅炉厂根据三菱技术支持制造的超超临界变压运行直管水冷壁直流锅炉。汽轮机为上海汽轮机厂根据西门子技术支持联合设计制造的汽轮

7、机，型号为N100026.25/600/600，型式为超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式汽轮机。锅炉、汽轮机的主要技术参数如下：（1） 锅炉参数。锅炉最大连续出力：2 952.5 t/h过热蒸汽压力：27.46 MPa(a)过热/再热蒸汽温度：605/ 603 再热蒸汽出口压力5.94 MPa(a)（2） 汽机参数。最大功率：1 037 MW主汽阀前压力：26.25 MPa（a）主汽阀前温度：600 再热主汽阀进口温度：600 旁路系统选用了高、低压两级串联旁路系统，高旁容量为40%BMCR，低旁容量为40%BMCR+高旁喷水量，旁路容量考虑10 %的裕量。旁路阀的主要技

8、术参数如下：（1） 入口设计压力：高旁阀为26.25 MPa(a)；低旁阀为5.746 MPa(a)。（2） 入口蒸汽温度：高旁阀为600 ；低旁阀为600 。（3） 出口蒸汽压力：高旁阀为6.393 MPa(a)；低旁阀为0.86 MPa(a)。（4） 出口蒸汽温度：高旁阀为377.8 ；低旁阀为180 。2.32种旁路系统方案比较华电国际邹县电厂四期工程与华能玉环电厂一期工程均为1 000 MW等级的超超临界火力发电机组，汽轮机主汽门及再热汽门前的蒸汽额定参数也均为25.0 MPa（a）/600/600，但由于主设备选用了不同的制造厂家，所以设计的旁路系统功能不一样，故在旁路系统的设置方案

9、上也不相同。（1） 共同点。2种旁路系统，都是按照带基本负荷并参与调峰的要求设计，都能满足改善机组启动特性和缩短机组启动时间的要求，都具有回收工质、减少噪声的作用。（2） 不同点。玉环电厂一期工程的旁路系统为高、低压两级串联旁路，机组可以进行高中压缸联合启动，也可以进行中压缸启动，邹县四期工程的旁路系统为高压一级大旁路系统；机组只能进行高压缸启动； 玉环电厂一期机组具备带厂用电运行和停机不停炉的功能，邹县电厂四期机组不具备这2种功能；玉环电厂一期旁路容量大于邹县电厂四期旁路容量；玉环电厂的旁路系统较复杂，控制难度较大，因而无论在近期旁路系统的投资或远期旁路系统的维护上的费用均要大于邹县电厂四期

10、。2家电厂在旁路系统的设置上有较大的区别，但经专家论证，这2种旁路系统均是可行的。3超超临界机组汽机旁路系统的设计要求超超临界机组设置汽机旁路系统的主要作用是改善机组启动特性，缩短机组的启动时间，保护再热器，回收工质等。由于超超临界机组单机容量较大，蒸汽参数较高，一般带基本负荷，有时也参与调峰，故在设置旁路系统时需满足机组的特殊运行方式。3.1满足机组快速启动要求机组的启动方式按带旁路和不带旁路2种类型可分为：带旁路的高中压缸联合启动、中压缸启动和不带旁路的高压缸启动方式。机组启动时间的长短取决于锅炉达到汽轮机冲转要求的过热蒸汽参数和再热蒸汽参数的时间，而锅炉升温、升压速度取决于锅炉启动疏水和

11、排汽系统，通过调整这些系统中的阀门来协调锅炉蒸汽的温度、压力和流量，设置旁路系统后可以在启动时提高锅炉升温、升压速度，使锅炉蒸汽参数(温度、压力和流量)维持在合适的水平，还可以在机组冲转前利用旁路系统对汽缸进行预热，以缩短机组的启动时间。高压缸启动的机组，进汽量由高压调门控制，中压主汽门和中调门处于全开状态不参与调节，旁路系统必须在汽机冲转前退出运行，旁路系统的作用是提高锅炉升温、升压速度及改善锅炉燃烧率，无法实现调节和稳定主蒸汽及再热蒸汽参数。中压缸启动的机组，高压主汽门和高压调门全关，由中压调门控制汽机的进汽量和转速，能实现旁路系统所能具有的各种功能，可改善机组的启动特性，在汽机冲转过程中

12、发挥调节和稳定蒸汽参数的作用。选用哪种启动方式，如何配置旁路系统，应通过经济技术比较后决定，同时还应考虑汽轮机制造厂家的使用业绩。目前，日本日立公司生产的超超临界1000 MW等级的汽轮机一般设置高压一级大旁路，采取高压缸启动方式；日本三菱公司生产的超超临界1 000 MW机组旁路系统采用30%两级串联旁路，可选用中压缸启动或高中压缸联合启动等多种启动方式；西门子公司生产的超超临界1000 MW等级的汽轮机设置高、低压两级串联旁路系统，采取高中压联合启动方式，也有选用高中压缸启动方式而不设置旁路系统的成功案例。3.2满足机组特殊运行方式要求对于经常担当调峰任务的机组来说，启停比较频繁，如果能停

13、机不停炉则会大大缩短机组的启动时间。这种情况下，旁路系统的容量应以不投油助燃尚能保证锅炉稳定燃烧的最低出力为依据，以保证机组随时可以启动并网。 对于长期担当基本负荷的机组来说，热态启动次数相对较少，这种情况下，旁路系统的停机不停炉功能作用不大。目前的超超临界1000 MW等级机组一般按基本载荷进行设计，不需要考虑旁路系统停机不停炉功能。但随着电网容量的增大及汽轮机制造水平的提高，不排除超超临界600MW等级机组承担调峰任务的可能性。为了保证电网的安全可靠运行及快速故障恢复，电网有时候选择少数机组具备带厂用电运行的功能。带厂用电运行工况是一个极恶劣的运行工况，是以牺牲机组寿命为代价的，且发生概率

14、极少。带厂用电运行工况不单取决于旁路系统的设计，还取决于锅炉及辅机的可控性，控制和保护系统的正确性和可靠性，汽轮机的适应性和稳定性等因素。对某一电网而言，只要其中有1台或2台机组有机组快速甩负荷(FCB)的功能，就可以在电网解列时，使整个电网快速得到恢复，而不需要每个电厂都要有这种功能。超超临界大容量机组要实现带厂用电运行功能，旁路系统容量设置较大，控制系统复杂，投资较大，且利用率很低，所以一般不考虑带厂用电运行功能。3.3满足控制工程造价的要求不同的旁路系统，对设备的要求不同，系统的复杂程度也不同，在满足机组旁路系统功能需要的前提下，应尽可能地简化系统管道及附件配置，选用典型的有成功业绩的制

15、造厂家，以降低投资，满足控制工程造价的要求。4结束语汽机旁路系统的选型，不但要考虑技术因素，还要考虑经济因素，选型的合理与否不但影响机组的整体经济性，还影响机组的安全性，故在进行旁路系统选型时要通过全面的经济技术分析，广泛的调研后决定。超超临界机组作为洁净煤发电技术之一，代表我国电力建设的发展方向，研究超超临界机组的汽机旁路系统选型，可以促进超超临界机组建设水平的提高，为安全经济运行超超临界机组提供技术支持。由于我国在超超临界机组的研发上起步较晚，还没有成功的业绩，所以还需要进一步探讨机组旁路系统作为机组的重要辅助系统，其配置的优劣将直接影响机组的安全性和经济性。 旁路系统的作用1、在机组启动

16、及甩负荷时保护再热器，防止再热器干烧。2、机组启动时调节启动参数，缩短启动时间。对于直流锅炉，旁路系统选择的容量超过干湿切换负荷，可以使锅炉直接进入纯直流状态运行。3、回收工质，减少对外排汽带来的工质浪费和产生的噪音。旁路系统的四种型式 而旁路系统的形式多种多样，大致可分为一级大旁路系统、二级串联旁路系统、三级旁路系统和三用阀旁路系统四种型式。1、 一级大旁路：系统简单，（主蒸汽减压减温后直接排到凝汽器）投资省，控制系统简单，便于操作，可满足机组启动、停机过程中回收工质并加快启动速度的要求，缺点是机组启动时再热系统的暖管升温受到限制，对机组的启动不利；蒸汽不流经再热器系统，使锅炉再热系统的材质

17、、布置及再热器区的烟气温度受到限制，对再热器不能起到保护作用。在运行中旁路系统调节灵活性不高，负荷适应性较差，不能完全起到旁路系统应有的作用。 另外，现有的600MW机组多数已采用了比较先进的中压缸启动方式，采用一级大旁路，再热系统没有蒸汽，无法实现中压缸启动。 2、 二级串联旁路系统：流程是主蒸汽-高旁减温减压-再热器-低旁减温减压-凝汽器，它特点是在机组启动和甩负荷时能够保护再热器，防止其干烧损坏；能够满足机组热态启动时蒸汽温度与汽缸金属壁温的匹配要求，缩短机组在各种工况下的启动时间，满足机组带中间负荷及调峰的需要，此系统的适应性较强，而且能够采用先进的中压缸启动方式，是目前国内600MW

18、超临界火电机组普遍采用的一种旁路形式。沁北、常熟、镇江、国华太仓都采用了两级串联旁路系统。 3、三级旁路系统：是二级串联旁路和一级大旁路的组合，适应性强，运行灵活，满足机组的各种运行工况兼有大旁路系统和两级串联旁路系统的优点，但启动系统复杂，钢材消耗量大，现在基本上已不再采用。 4、三用阀旁路系统：特点是高压旁路阀兼有启动调节阀、减压阀和安全阀的作用，故称为三用阀系统，亦是由高、低压旁路系统组成的两级串联旁路系统，但其容量配置较大，一般推荐采用100（425%）容量的高压旁路，60-70容量的低压旁路，并设置带有附加控制的再热器安全阀。三用阀是可控的，能实现快速自动跟踪超压保护，省去了锅炉过热

19、器安全阀。通过调节控制汽压以适应机组不同工况的滑参数启停和运行，机组甩负荷后锅炉不立即熄火，能带厂用电运行，事故排除后即可重新投人，既减少锅炉启停次数，又减轻了对汽轮机的热冲击，缩短恢复时间。三用阀的结构尺寸小，便于布置和检修。由于三用阀具有多种功能，对热控和调节系统等方面的要求高，液压控制难度大，功耗较高，全容量旁路系统的管道尺寸增加，其投资昂贵 而且这种设计违反国家劳动部颁发的蒸汽锅炉安全技术监察规程（劳动部发1996276号），第131条可分式省煤器出口处、蒸汽过热器出口处、再热器入口处和出口处以及直流锅炉的启动分离器，都必须装设安全阀。第133条 锅筒（锅壳）上的安全阀和过热器上的安全

20、阀的总排放量，必须大于锅炉额定蒸发量，并且在锅筒（锅壳）和过热器上所有安全阀开启后，锅筒（锅壳）内蒸汽压力不得超过设计时计算压力的1.1倍。（华能石洞口二厂采用的是100%容量的高旁和65%容量的低旁）。旁路系统的选型：选型的依据：选择旁路系统型式时应考虑机组在电网中承担的任务、运行方式、事故处理方式和再热器的位置布置等因素。 基本负荷机组运行稳定，启停次数少，一般可选用系统简单的旁路系统。 对于调峰机组，负荷变化幅度较大，启停频繁，经常需要热态启动，应选用启停损失小，便于调节的旁路系统，如二级串联旁路系统。对于电网要求在机组甩负荷时，要求停机不停炉、汽轮机空转或带厂用电运行，则应选择汽水能回

21、收，又能保护锅炉等各部分的旁路系统，这样对旁路系统的容量要求要大一些。 综合各种旁路系统的特点，并考虑随着大容量超临界及超超临界机组数量的日益增多和我国用电高峰的峰谷差不断增大，600MW超超临界机组势必参与调峰，超超临界机组应具有高的灵活性和安全性。综合考虑，600MW级超超临界机组的旁路系统以配置二级串联旁路系统为宜，容量以30%50%BMCR为宜。根据有关专家对600MW超临界参数汽轮机旁路系统的容量计算：35BMCR容量的旁路系统能满足冷、热态启动的要求；4550 BMCR容量的旁路系统能满足极热态启动的要求；要想实现机组甩负荷后带厂用电运行或停机不停炉运行（若锅炉不投油的最低稳燃负荷为40BMCR），则需要85BMCR容量的旁路系统。随着电网中大机组的陆续投产，600MW超超临界机组在未来电网中的地位，应该是带基本负荷适度参与调峰，加上大小修、临修，热态启动的次数不会很少。极热态启动和停机不停炉工况极少，甩负荷后带厂用电运行工况没必要，可研报告中旁路系统是暂按30%BMCR容量的二级串联旁路系统设计的，但最终的容量还要进一步收资研究后确定。