1000MW级火电机组旁路系统作用及配置(冯伟忠)

1、1000MW级火电机组旁路系统的作用及配置 中国电力2005.81000MW级火电机组旁路系统作用及配置收稿日期：2005-01-17；修回日期：2005-05-26作者简介：冯伟忠（1954-），男，上海人，高级工程师，上海外高桥第三发电有限责任公司副总经理。从事电厂基建工程及生产技术管理。E-mail:003 冯伟忠（上海外高桥第三发电有限责任公司，上海 200137）摘要：介绍当前世界上美、日、欧等不同技术体系的大机组旁路系统的配置特点，对旁路系统的诸多作用及应用时须注意的问题作了阐述。大容量旁路系统，不仅能缩短启动时间，且能使锅炉直接进入纯直流状态运行，有利于热态启动机炉蒸汽参数的配合

2、。锅炉带大容量旁路启动，能确保汽轮机启动的蒸汽品质，大大减轻汽轮机固体颗粒侵蚀，甚至替代冲管等。全容量高压旁路，能取代过热器安全门，并能进行滑压运行跟踪溢流，提高汽轮机的安全性，再配置全容量或大容量低压旁路，辅之以控制系统的配合，能实现停电不停机、停机不停炉及FCB等。据此，1000MW级超超临界机组旁路配置以100%高旁+（5070%）低旁最为合理，最低不宜小于40%。关键词：超超临界机组； 旁路配置； 启动； 滑压运行； FCB中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1004-9649（2005）08-0000-000 引言近年来，随着经济、技术的发展和电网容量的扩大，以外高桥二期工程2&

3、#215;900MW超临界机组的建成投产及玉环电厂4×1000MW超超临界机组的开工建设为标志，我国的火电机组建设已跨上了百万级的台阶。对于这样的机组，其锅炉和汽轮机的技术与以往600MW及以下容量的机组有显著不同。特别是正确认识和充分发挥旁路系统的作用，合理地配置旁路系统的容量，对改善百万级机组的调试、确保机组的长期安全运行至关重要。对于百万级机组，当前世界上欧、美、日、俄（苏）等不同的技术流派基本都采用超（超）临界技术。但由于地域及技术体系的不同，对于旁路系统的配置及运行方式也有很大差别。如在美国，一般都采用小于20%BMCR的小旁路，仅用于机组启动阶段，锅炉过热器出口配置安全阀

4、，有的大机组甚至不配旁路。日本的三大厂基本上传承了美国的技术体系。欧洲在锅炉和汽轮机技术上与美国（日本）有着很大差别，尤其是在旁路系统的应用上，其理念与美（日）体系截然不同。特别是德国近年来建设的百万级机组均采用了100%的高、低压旁路配置，极大地拓展了旁路系统的作用，在旁路的应用及发展方面积累了丰富的经验。外高桥二期工程为2×900MW超临界机组，在项目的各个阶段，也由于对旁路系统在百万级机组中的作用及特点认识不足，曾走过一些弯路。通过机组的设计、安装和调试等过程，对旁路系统的作用才有了深入的认识，并取得了很多经验。尤其是借助于配置大容量旁路的有利条件，通过对控制系统的改进，成功实

5、现了停机不停炉及机组快速甩负荷（FCB）等。在近1a多的外高桥三期2×1000MW超超临界机组工程的筹建中，通过对国际上百万级超超临界技术的调研，更进一步了解了旁路系统在百万级机组中的不同配置及其特点。1 旁路系统的作用1.1 配合机组的启动1.1 .1冷态启动旁路容量的大小影响机组的启动时间，若容量偏小，汽温提高速度较慢，启动过程较长。但对于百万级机组，通常情况下年启动次数较少，故冷态启动中因旁路容量较小导致的启动时间长的负面影响并不显著。1.1 .2热态启动当机组在运行或调试过程中突然跳闸，除非是机组刚冷态启动，否则高、中压缸均处于较高的温度，且降温速度极慢。此时若重新启动，则锅

6、炉的蒸汽温度必须与汽轮机的汽缸及调节阀温度相匹配。对于引进日本技术的百万级机组，一般容许蒸汽温度与汽缸的温差小于50。而引进德国SIEMENS的超超临界机组，此温差仅允许小于20。因此，旁路的配置是不同的。对于日本技术的机组，旁路容量可小一些。而SIEMENS技术的机组，其旁路容量的配置必须较大。若旁路容量低于锅炉最低直流负荷，则锅炉在启动过程中只能处于湿态，其运行特点类似于汽包炉。因热负荷受限，汽温将比正常运行时低得多。若不采取非常规措施，此汽温不可能满足汽轮机的要求。而SIEMENS汽轮机的数字电液控制系统（DEH）采用全自动程控方式启动，若温度条件不满足，汽轮机无法冲转。而若采用较大容量

7、的旁路，只要锅炉进入纯直流状态运行，通过改变煤水比，其主汽温度是任意的，与负荷无关。同时，主汽温度的提高相应提高了高压缸排汽温度，使再热汽温也得到提高，从而使热态启动蒸汽参数的配合不再成为问题。目前引进的百万级机组，其干、湿态切换负荷约为30%33%。采用大于40%BMCR旁路容量就可确保锅炉进入纯直流状态。1.2 取代安全门欧洲大机组普遍应用的100%高压旁路多为快速开启型，通常在1s内可完全打开。这种高压旁路采用了高可靠性设计，可取代过热器安全门。采用这种配置方式，可完全消除因高压安全阀动作后产生的高强度噪音，且能最大限度的回收工质。但须注意，即使配置100%的快速开启型低压旁路，仍必须配

8、置100%再热安全门。这是因为在出现汽轮机低真空等故障时，不允许大量蒸汽再进入凝汽器，低压旁路将被闭锁。此时，高压旁路来的蒸汽只能通过再热安全门泄放。1.3 滑压跟踪溢流对于超（超）临界机组，滑压运行能提高低负荷工况下的机组效率。因此，无论配置调节级与否，采用滑压运行已是百万级机组设计的基本方式。有调节级的汽轮机一般采用复合滑压（定滑定）方式运行，无调节级的SIEMENS汽轮机1则采用带部分节流的滑压或纯滑压方式运行。但在滑压运行方式下，当出现快速减负荷时，调门会快速关闭，造成调节级或调节阀（无调节级）的压降急剧变大，导致其承受过大的应力。而若旁路系统采用滑压跟踪溢流方式，当调节阀或调节级压降

9、超过设定值，旁路将自动开启进行溢流，以限制压降的进一步增大，提高汽轮机的安全性。当然，这需配置大容量的旁路系统。如外高桥二期的SIEMENS 900MW超临界机组配有100%BMCR高压旁路及50%容量低压旁路，取消了锅炉过热器安全阀，采用滑压跟踪溢流运行方式。1.4 停机不停炉及实现FCB 1.4.1 全容量高、低压旁路鉴于百万级机组在电网中举足轻重，近年来在德国投产的多台8001000MW机组无一例外地采用100%BMCR高、低压旁路的配置。从理论上，只要汽轮机凝结水及循环水等系统运行正常，在任何电负荷下都能保证停电不停机、停机不停炉及容易地实现FCB。并且在汽轮机、发电机或主变压器高负荷

10、跳闸的情况下，锅炉不受快速甩负荷甚至总燃料跳闸（MFT）的冲击。在停机或FCB后，锅炉可平缓地降负荷。若汽轮发电机或电网故障很快被消除，则立即可再次启动汽轮发电机并在并网后迅速加负荷。在正常工况下，由于回热抽汽的存在，一般只有约70%的蒸汽排入凝汽器。若采用100%低压旁路，当汽轮机跳闸后，所有蒸汽通过旁路进入凝汽器，再加上减温喷水，凝结水量远大于正常工况。这就需要增大凝汽器冷却面积和增加凝结水泵容量，因此，会显著提高设备的初投资及增加运行成本。1.4.2 全容量高压旁路，大容量低压旁路鉴于必须配置100%再热安全门，为避免增加凝汽器及凝结水泵等的投资，低压旁路容量可降为50%70%。但当满负

11、荷时，汽轮机、发电机跳闸或发生FCB，大量蒸汽将通过再热安全门排入大气，若持续时间较长则导致系统工质链的中断而造成MFT。因此，若要实现停电不停机、停机不停炉及FCB，则对控制系统等将提出较高要求，尤其是必须实现RUNBACK。即使这样，由于锅炉热惯性很大，蒸发量下降需要几分钟的时间，相当的工质损失不可避免。且低压旁路容量相对越小，矛盾越突出，因此，对于凝汽器及除氧器水位控制也要采取一定措施。不过，较快的低压旁路开启速度，能减少过渡过程中的工质损失。2004年8月16日，外高桥二期第2台900MW机组发生了满负荷下汽轮发电机跳闸故障，而这之前恰好刚完成了停机不停炉的改进，因此锅炉没有跳闸，在处

12、理故障后重新启动，只55 min便再次并网。在此过程中，大容量旁路起了关键作用。而后，通过对分散控制系统（DCS）、DEH及旁路系统控制方式的进一步改进，在9月14日成功完成了满负荷FCB试验2，并在7min后再次并网。1.5 确保汽轮机启动的蒸汽品质按中、美、日等国的技术规范，新机组调试阶段允许蒸汽品质低于正常运行标准，通过不同负荷阶段的“洗硅”等调试步骤，不断改善汽水品质以逐步达到生产标准。在此过程中，不可避免地造成大量、低标准的蒸汽进入汽轮机。但德国的超（超）临界机组，即使在调试阶段，也必须执行正常运行的蒸汽品质标准，这种情况下，大容量旁路是唯一选择。新机组整组启动前，先经过一个“带旁路

13、启动”过程，锅炉蒸汽借道旁路系统构成循环，其热负荷通常要达到45%BMCR甚至更高。在此过程中，采取加大炉水的置换力度及投入凝结水精处理系统等措施以逐步提高汽水品质，经过数天甚至数星期的时间，直至蒸汽品质达到标准后才允许冲转汽轮机。这一程序不仅应用于基建阶段，即使在投产后，机组的每次冷态启动都必须先带旁路运行，待汽水品质合格后方能冲转汽轮机。用这种方法可彻底杜绝低标准蒸汽对汽轮机通流部分造成的侵害，这对百万级超超临界汽轮机尤为重要。1.6 替代冲管在新机组调试阶段，锅炉要通过酸洗及冲管等措施对锅炉受热面和主蒸汽、再热蒸汽管道进行清洗，彻底清除系统内的垢物和杂质，确保汽轮机通流部分不受其侵害。但

14、在锅炉冲管期间，由于大量蒸汽持续地排向大气，产生很高分贝的噪声，对环境产生很不利的影响。近年来，德国等一些欧洲国家环保立法，禁止一些地区电厂的锅炉冲管。因此，电厂的设计采取了2个措施，一是利用塔式炉的优势，其对流受热面均为水平布置，管内积水可完全排尽，故可对整个锅炉包括过热器、再热器进行酸洗及大流量水冲洗，尽可能地在酸洗阶段清除管内积垢及杂质；二是采用100%BMCR的高、低压旁路，在带旁路启动阶段，锅炉进行适当时间的高负荷运行，可起到相当于冲管的效果。1.7 大大减轻汽轮机固体颗粒侵蚀3固体颗粒侵蚀（SPE）也称硬质颗粒侵蚀（HPE）是超（超）临界机组面临的主要问题，该问题较多发生在锅炉启动

15、阶段，因锅炉受热面受热冲击引起管子汽侧氧化铁剥离并形成固体颗粒，使汽轮机调节级和高、中压缸第1级叶片产生侵蚀。美、日等国在这方面都有很多经验教训，许多超临界大机组在投产若干年后，由于严重的SPE而不得不更换调节级和中压缸第1级动、静叶。然而在欧洲很少出现SPE问题，这主要得益于普遍采用大容量旁路系统。锅炉通过带旁路启动，减缓了启动过程中过热器等蒸汽管道的温度变化，减少了固体颗粒的剥离，同时把启动过程中产生的固体颗粒直接排入凝汽器。近年美国新建的带较大容量旁路系统的超临界机组，SPE已大为减轻。2 旁路的合理配置及需注意的问题2.1 高压旁路百万级超超临界锅炉的过热器安全门价格昂贵，而采用旁路取

16、代安全门在技术上已无争议，特别是近年来较充分的竞争，旁路系统价格已大为下降，综合考虑采用100%BMCR高压旁路可得到附加的许多效能。从机组，特别是汽轮机方面长远的经济、技术和安全利益出发，吸取美、日、欧在这方面的经验教训，结论是无论选用何种技术体系的主设备，采用100%高压旁路、取消过热器安全门应是一种较为合理的配置方式。2.2 低压旁路在中国，锅炉的调试冲管尚不被禁止，故可暂不考虑100% 容量的低压旁路。以不增加凝汽器冷却面积为原则，低压旁路容量为50%70%均可。容量适当取大一些对实现停电不停机、停机不停炉及实现FCB有利。当选用容量相对较大时，可不选快速开启型，这对降低价格有利。另外

17、，从欧洲旁路的应用经验来看，高、低压旁路亦可分别由不同厂商供货。2.3 应注意的问题2.3.1 主汽流量测量和控制方式的配合大机组的锅炉主蒸汽流量是机组协调控制系统的主要参数之一。以锅炉流量与汽轮机流量相同为前提，较多用汽轮机调节级或第1级（无调节级）压力换算而得。采用大容量旁路后，锅炉的主蒸汽流量应是汽轮机流量与高压旁路蒸汽流量的总和，这在机组的测量与控制系统设计时应予以注意。在机组协调控制系统设计中，需注意在旁路处于溢流方式时与DEH间的压力参数配合，应避免DEH进入维持压力模式运行，否则万一当旁路开启溢流时压力下降，DEH为维持压力关闭调门，压力升高，导致旁路继续增大开度，如此循环，最终

18、造成调门完全关闭而停机。2.3.2 低压旁路喷水控制精度低压旁路的出口接至凝汽器，故低压旁路的喷水应将低压旁路的排汽湿度控制到与汽轮机的排汽湿度相当。湿度过小，甚至出现过热态，将使凝汽器受到热冲击；湿度过大，则凝汽器冷却管会被冲损。因此，选用低压旁路时应注意其控制精度与凝汽器厂商的湿度允许值的配合。外高桥二期工程，业主指定CCI公司为锅炉岛的旁路分包商，但CCI的低压旁路控制精度为汽、水侧分别为±5.5%，而SIEMENS凝汽器对旁路的控制精度要求为综合误差小于5%，此接口矛盾僵持了近2a，后来才知道SIEMENS设计的低压旁路巧妙利用了热力学原理，其控制精度远高于常规旁路。由于已采

19、购了CCI旁路，由业主方提出增加孔板式减温水流量测量信号进行低压旁路水侧流量校正，才勉强解决了这一问题。2.3.3 连锁保护信号和控制系统配置旁路系统可配专用操作面板，也可由DCS或DEH以通信方式直接对旁路控制系统进行各种操作，但切记将保护用压力变送器等重要信号直接送至旁路控制系统。另外，DEH及DCS与旁路系统的连锁信号必须采用硬接线连接，确保连锁和保护动作万无一失。在欧洲，旁路厂商通常不供控制系统，仅将其作为执行机构，交由DCS系统直接操控。安全门功能仍由高压旁路系统自带。这种方式简单、经济又安全，国内今后应推广这种配置方式。3 结语百万级汽轮发电机组在电网内占有举足轻重的地位，而旁路系

20、统是锅炉与汽轮机间的重要枢纽。合理配置旁路系统，应综合考虑机组的安全性、经济性、可靠性和启停及运行的灵活性等，对于超超临界参数更应关注SPE等问题。对旁路系统在1000MW超超临界机组中的角色，切不可仅视作启动之用。100%BMCR高压旁路+（50%70%）低压旁路系统应是机组设计中优先考虑的配置方案。考虑到热态启动等因素，旁路系统的最小配置不宜低于40%，这样的旁路配置思路，也可作600MW级超临界机组设计时参考。近阶段，国内许多电厂都在做“黑启动”方案，以期万一遇到电网崩溃、电厂全停的情况可不靠电网倒送电进行启动，但这需要采取诸如增加投资安装小型发电设备等措施。与其如此，不如花钱配置机组的

21、大容量旁路系统，实现FCB。参考文献1 冯伟忠.外高桥电厂二期900MW汽轮机的技术特点J.热力发电，2003(6)：P25，P10.2 冯伟忠. 900 MW超临界机组FCB试验J.中国电力，2005，38（2）：P7477.3 史进渊,杨宇,邓志成等.超超临界汽轮机固体颗粒侵蚀的研究J.动力工程，2003（4）：P24872489，P2597. （责任编辑 吕玲）Reference1 FENG Wei-zhong.TECHNICAL FEATURES OF 900MW STEAM TURBINES IN THE SECOND-PHASE OF WAIGAOQIAO POWER PLANT.

22、 THERMAL POWER GENERATION, 2003(6): P25，P10.2 FENG Wei-zhong. FCB test for 900 MW supercritical units. ELECTRICAL POWER, 2005,38(2): P7477.3 SHI Jin-Yuan, YANG Yu, DENG Zhi-cheng, et al. Research on Solid Particale Erosion of Ultra-Supercritical Steam Turbines, POWER ENGINEERING, 2003(4): P.24872489

23、，P2597Functions and configurations of the bypass system for 1000MW coal-fired power generation unitsFENG Wei-zhong（Shanghai Waigaoqiao No. 3 Power Generation Co., Ltd., Shanghai 200137，China）Abstract：This study presents the modern configurations characteristic of the bypass system for the large coal

24、-fired power generation units in the world with the different technical style from USA, Japan and Europe. And it mentions the functions of the bypass system and the notices during the applications of this facility. With large capacity bypass system, the start-up time of the unit can be shortened, th

25、e boiler can directly reach the one through operation, and the match of the parameters for the boiler and turbine becomes easy during hot start-up. Boiler start-up with large bypass system can ensure the steam quality for turbine start-up, greatly relieves the erosion to the turbine from the solid particles, it can even substitute for the steam blowing-out. The full capacity bypass can replace