李 輝，趙雅旋

(河北省電力勘測設(shè)計研究院 發(fā)電事業(yè)部，河北 石家莊 050031)

0 引言

近年來，一些發(fā)達國家和地區(qū)相繼出現(xiàn)電網(wǎng)故障并導(dǎo)致大面積停電的嚴重事故，社會生活和經(jīng)濟等各方面損失巨大。世界各國都在認真吸取大面積停電案例的事故教訓(xùn)，加強了對電力系統(tǒng)可靠性的關(guān)注，加緊制定萬一發(fā)生大停電時的應(yīng)對措施[1]。因此，發(fā)電廠實現(xiàn)FCB功能成為關(guān)注的焦點。FCB是指機組快速甩負荷至帶廠用電運行，也就是常說的小島運行[2]。大量的實際經(jīng)驗和研究表明，采用30%～40%BMCR的旁路容量一般僅能滿足機組的啟動功能，因此汽輪機旁路通流能力的選擇對機組能否滿足FCB功能非常重要[3]。

外高橋二期2×900 MW超臨界機組旁路系統(tǒng)配置了100%容量BMCR高壓旁路，該旁路兼作鍋爐高壓安全閥。低壓旁路容量為50%BMCR，另配100%再熱二位式安全閥。由于出于降低投資的考慮，沒有采用歐洲大機組通常配置的大容量低壓旁路，當(dāng)負荷超過低壓旁路容量時，多余蒸汽通過再熱安全閥排向大氣，導(dǎo)致機組FCB工況下工質(zhì)循環(huán)的不平衡。外高橋三期2×1 000 MW超超臨界機組在吸收二期工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，高壓旁路仍為100%BMCR配置，帶安全閥功能，低壓旁路則由二期的50%提高到65%配置，從而能增加在FCB工況下的工質(zhì)回收率，另配置100%再熱可調(diào)式安全閥[4]。寧海電廠二期為兩臺1 000 MW超超臨界燃煤機組，為實現(xiàn)FCB功能，配置了100%BMCR容量高壓旁路和65%BMCR容量低壓旁路[5]。印度 Sagardighi電廠為 2×300 MW亞臨界機組，配備60%容量高低壓二級串聯(lián)旁路，通過設(shè)定旁路控制策略，實現(xiàn)了安全穩(wěn)定的小島運行[6]。從外高橋三期、寧海二期、Sagardighi電廠成功實現(xiàn)FCB的實例來看，配置大容量的高、低壓旁路功不可沒。

1 概況

摩洛哥Jerada 350 MW超臨界機組燃煤電站工程鍋爐為超臨界鍋爐，最低穩(wěn)燃負荷30%BMCR。BMCR工況下最大出力為1 117 t/h，過熱蒸汽壓力25.4 MPa，溫度571℃，再熱蒸汽出口壓力4.374 MPa，溫度569℃，給水溫度286.4℃。鍋爐過熱器出口設(shè)置4臺10%BMCR的PCV閥。汽輪機采用超臨界空冷汽輪機，TMCR工況主蒸汽流量為1063.2 t/h，VWO工況主蒸汽流量為1 117 t/h。汽輪機額定功率35 0 MW。TMCR工況下主蒸汽壓力24.2 MPa，溫度566℃，再熱蒸汽壓力4.687 MPa，溫度566℃，高壓缸排汽壓力5.15 MPa，溫度338.4℃，額定背壓12 kPa。汽輪機啟動方式為中壓缸啟動，配置高壓缸排汽通風(fēng)閥。系統(tǒng)配置60%BMCR容量的高低壓串聯(lián)旁路。給水系統(tǒng)采用3臺50%容量電動調(diào)速給水泵，凝結(jié)水泵采用3臺50%容量電動定速凝結(jié)水泵，除氧器為無頭臥式除氧器。凝結(jié)水補充水系統(tǒng)設(shè)置一個150 m3的水箱和2臺100%的凝結(jié)水補水泵。根據(jù)合同要求，本工程機組考慮具備FCB功能，以提高電廠自身的安全性。本文中將結(jié)合實際工程，針對中壓缸啟動汽輪機并同時具備FCB功能電站的要求，本著盡量減少旁路容量的原則，以期減少項目投資的目的，通過對4個典型啟動工況和FCB 3個特征工況進行分析，核算對應(yīng)工況下的折算旁路容量，提出推薦旁路容量選型意見，為同類工程提供借鑒。本工程原則性熱力系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 Jerada 350 MW超臨界機組原則性熱力系統(tǒng)圖

汽輪機旁路均為室內(nèi)布置，高、低壓旁路布置在汽機房中間層。高壓旁路為角式布置，水平進管，垂直向下出管。低壓旁路由于考慮到再熱熱段和排汽裝置三級減溫減壓器均布置在中間層，標(biāo)高相差不多，角式布置較難實現(xiàn)，因此采用水平Z型布置，水平進管，水平出管。

2 旁路容量計算分析

2.1 旁路系統(tǒng)的作用

汽輪機旁路系統(tǒng)是指鍋爐產(chǎn)生的蒸汽不通過汽輪機作功，而通過減壓減溫裝置直接排入排汽裝置。汽輪機旁路系統(tǒng)最基本的功能是協(xié)調(diào)鍋爐產(chǎn)汽量和汽輪機耗汽量之間的不平衡，提高運行的安全性和適應(yīng)性[7]。旁路的主要作用為[8]:

(1)機組啟?；蛩ω摵蓵r，保證一定的蒸汽量通過再熱器，避免再熱器超溫;(2)汽輪機沖轉(zhuǎn)前提供蒸汽通道，保證維持主蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)達到?jīng)_轉(zhuǎn)要求;(3)保證鍋爐最低穩(wěn)燃負荷的容量，使鍋爐能夠單獨運行;(4)安全閥作用。

根據(jù)本工程的實際情況，并結(jié)合合同要求，汽輪機旁路系統(tǒng)不考慮取代過熱器安全閥和停機不停爐運行功能，但要求考慮甩負荷帶廠用電運行。汽機旁路容量的確定則主要應(yīng)考慮滿足機組啟動和實現(xiàn)FCB功能的要求。

2.2 旁路計算需要的各工況分析

2.2.1 啟動工況

本工程汽機啟動方式為中壓缸啟動。中壓缸啟動的優(yōu)點是:高壓缸熱應(yīng)力小，啟動快。中壓缸啟動的4個典型工況為:冷態(tài)、穩(wěn)態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài)，本工程旁路需滿足各典型啟動工況的要求。啟動工況又可以分為汽輪機沖轉(zhuǎn)前和汽輪機沖轉(zhuǎn)至高壓缸切缸區(qū)終點兩個階段。第一階段，汽輪機沖轉(zhuǎn)前，高中壓主汽門處于關(guān)閉狀態(tài)，蒸汽循環(huán)需要通過高、低壓旁路閥實現(xiàn)，此時汽輪機沖轉(zhuǎn)時出現(xiàn)旁路最大通流量。第二階段，汽輪機沖轉(zhuǎn)后，中壓主汽門打開，再熱蒸汽有一部分進入中壓缸，剩余部分進入低壓旁路。對于高、低壓旁路通流蒸汽量來說，高壓旁路閥蒸汽流量高于前者，低壓旁路閥蒸汽流量低于前者。從影響旁路容量的參數(shù)可知，壓力越小、溫度越高、流量越大，旁路折算容量越大。兩個階段均有使得旁路容量增大的趨勢。因此，有必要將各啟動工況分別按兩個階段來進行計算。

2.2.2 FCB工況

根據(jù)FCB運行的特點，將FCB過程分解為3個典型的特征工況進行分析，根據(jù)每個工況特點設(shè)定旁路計算的邊界條件。FCB 3個特征工況為:

(1)FCB瞬態(tài)工況。機組按100%TMCR工況運行時，F(xiàn)CB投入瞬態(tài)，此時汽輪機主汽門瞬間關(guān)閉，多余的蒸汽通過PCV閥和高旁閥排放。此工況除氧器和熱井工質(zhì)不平衡。本工程在FCB瞬態(tài)工況，鍋爐出力相當(dāng)于汽機TMCR流量，折合95.2%BMCR。瞬態(tài)工況廠用電為31.3 MW。汽機為中壓缸啟動，瞬態(tài)高壓缸不進汽。鍋爐PCV閥為4臺10%BMCR排放量。工質(zhì)平衡可知，95.2%-40%-0%=55.2%BMCR。此時PCV排放量為40%BMCR。

(2)FCB穩(wěn)態(tài)工況。機組帶廠用電運行，無工質(zhì)排放。鍋爐按最低穩(wěn)燃負荷運行。FCB信號發(fā)出后，鍋爐快速降低到30%BMCR穩(wěn)定運行。過熱器PCV閥開啟至FCB穩(wěn)定運行時關(guān)閉。汽機快速降至帶廠用電負荷運行。FCB運行過程，高壓缸不進汽，僅考慮中壓缸進汽帶廠用電運行，維持汽輪機額定轉(zhuǎn)速。高低旁投入運行，維持再熱蒸汽調(diào)節(jié)閥前壓力由額定參數(shù)在FCB穩(wěn)定運行階段降至并維持1.2 MPa。高壓缸不進汽，高排通風(fēng)閥打開，高排止回閥關(guān)閉。此工況工質(zhì)平衡。

(3)FCB退出工況。穩(wěn)態(tài)工況結(jié)束后，機組升負荷并網(wǎng)階段。本工程再熱器安全閥為不可調(diào)，通過調(diào)整高、低旁閥開度，保證汽輪機排汽壓力不超過上限值。此工況主蒸汽、再熱蒸汽壓力、溫度均超過極熱態(tài)啟動曲線時對應(yīng)的參數(shù)，極熱態(tài)啟動時，中壓缸沖轉(zhuǎn)方式切為高中壓同時沖轉(zhuǎn)，機組負荷達到11%時，主蒸汽流量與再熱蒸汽流量相等，為190 t/h。此工況下主蒸汽流量仍按鍋爐穩(wěn)燃負荷335.1t/h，大于極熱態(tài)啟動時切缸流量，多余蒸汽通過高低旁路閥排放。此工況類似于極熱態(tài)啟動工況。FCB穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，此時機組負荷為6%，可以考慮切缸。高壓缸流量從零開始逐漸增大到?jīng)_開高排止回閥，高旁出口參數(shù)不變，由于一部分主蒸汽流量進入高壓缸，因此高旁蒸汽量減少，對于高旁來說，與穩(wěn)態(tài)工況相比前后參數(shù)不變，流量減少，因此高旁容量無問題。高壓缸排汽流量沖開止回閥后，高排通風(fēng)閥關(guān)閉。高排出口蒸汽與高旁出口蒸汽匯合，仍為30%BMCR流量。適當(dāng)增加中壓缸進汽量，保證高中壓推力平衡。對于低旁來說，由于再熱蒸汽流量與穩(wěn)態(tài)相同，一部分蒸汽進入中壓缸，因此低旁蒸汽減少，前后參數(shù)相同，因此低旁容量無問題。FCB升負荷工況，不必計算旁路折算容量，下文中關(guān)于FCB工況，僅考慮瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)。

2.3 旁路系統(tǒng)容量的定義

旁路系統(tǒng)容量的定義采用鍋爐BMCR工況參數(shù)下的通流能力與相應(yīng)的鍋爐蒸發(fā)量之比。高旁容量等于鍋爐BMCR工況主蒸汽參數(shù)下高旁閥全開流量與鍋爐BMCR工況主蒸汽流量比值，低旁容量等于鍋爐BMCR工況再熱蒸汽參數(shù)下低旁閥全開流量與鍋爐BMCR工況下再熱蒸汽流量比值[3]。

2.4 機組啟動工況下汽輪機沖轉(zhuǎn)前的旁路容量計算

2.4.1 旁路容量計算參數(shù)確定

(1)高壓旁路閥參數(shù)

汽輪機沖轉(zhuǎn)前蒸汽所能達到的最高值為汽輪機沖轉(zhuǎn)時對應(yīng)的參數(shù)。根據(jù)啟動曲線在啟動工況下取汽輪機沖轉(zhuǎn)時的主汽壓力:冷態(tài)、穩(wěn)態(tài)為8.73 MPa(a)，熱態(tài)、極熱態(tài)為10 MPa(a)，溫度分別對應(yīng)各啟動曲線上汽輪機沖轉(zhuǎn)時的主汽溫度。高壓旁路閥入口蒸汽流量為汽輪機沖轉(zhuǎn)時主蒸汽流量。

高壓旁路閥后參數(shù)的選擇是整個旁路系統(tǒng)的關(guān)鍵，它決定了整個旁路系統(tǒng)的設(shè)計。如果該壓力選得太高，會導(dǎo)致啟動時高壓缸排汽管壓力過高，這將引起高壓缸排汽不通暢，導(dǎo)致高壓缸末級葉片呈鼓風(fēng)狀態(tài)而過熱。而閥后壓力選擇過低，則低壓旁路閥前參數(shù)也隨之變低，蒸汽比容增大，導(dǎo)致低壓旁路通流能力減小，為了維持低旁額定通流量，則必須增加低旁的通流面積，增加投資，也帶來布置上的困難[7]。在啟動工況下，東汽機型高排出口壓力無上限要求。4個啟動工況再熱蒸汽壓力均為1.1 MPa，考慮到再熱器和再熱管道的壓降，高旁出口壓力取1.3 MPa(a)即可，溫度按對應(yīng)飽和蒸汽溫度最低加上約52℃的過熱度，即243℃考慮，溫態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)按20℃過熱度遞增考慮。

(2)低壓旁路閥參數(shù)

低壓旁路閥前參數(shù)為沖轉(zhuǎn)時再熱汽壓力、溫度值。低旁進口流量等于高旁蒸汽流量加噴水量。啟動工況，考慮到三級減溫減壓器不噴水的可能下，低壓旁路閥后壓力按0.2 MPa，溫度20℃過熱度考慮。

2.4.2 旁路容量的計算

根據(jù)已確定的旁路功能，旁路容量按滿足各種典型啟動工況要求，計算參數(shù)按汽輪機沖轉(zhuǎn)前最大值考慮。通常說的旁路系統(tǒng)容量一般指額定參數(shù)下的容量。但旁路系統(tǒng)須適應(yīng)各種啟動方式，而當(dāng)蒸汽參數(shù)不同時，流經(jīng)旁路系統(tǒng)的流量也各不相同。故不同啟動參數(shù)下的容積通流量均應(yīng)折算至額定參數(shù)下，以便核對旁路容量是否滿足要求。旁路減壓閥前后的壓力差較大，蒸汽流至閥座時已達臨界流速，蒸汽流量與閥前的壓力及比容有關(guān)，且正比于變工況下旁路折算容量:

式中:De，Pe，Ve為變工況下旁路閥全開時的流量、壓力、比容;Dc，Pc，Vc為額定參數(shù)下旁路閥全開時的流量、壓力、比容。其中，計算低旁容量時，Dc為額定工況下再熱器的出口流量[3]。以極熱態(tài)啟動工況，汽輪機沖轉(zhuǎn)前的參數(shù)為例，高旁閥折算容低旁閥折算容量100%=59.81%。其他各工況參考式 (1)計算，旁路容量計算結(jié)果匯總見表1和表2。

表1 機組啟動工況下汽輪機沖轉(zhuǎn)前的高旁容量計算表

表2 機組啟動工況下汽輪機沖轉(zhuǎn)前的低旁容量計算表

由計算結(jié)果可知，若按機組啟動工況，汽輪機沖轉(zhuǎn)前的參數(shù)核算，最大旁路容量出現(xiàn)在極熱態(tài)工況，此時高旁容量為24.13%BMCR，低旁容量為59.81%BMCR。

2.5 機組啟動工況下汽輪機沖轉(zhuǎn)后的旁路容量計算

2.5.1 旁路容量計算參數(shù)確定

(1)高壓旁路閥參數(shù)

汽輪機沖轉(zhuǎn)后蒸汽參數(shù)取高壓缸切缸區(qū)最高點對應(yīng)的參數(shù)。根據(jù)啟動曲線，在啟動工況下高壓旁路閥進汽壓力與汽輪機沖轉(zhuǎn)時相同。汽輪機沖轉(zhuǎn)至高壓缸切換區(qū)，主汽流量、溫度有一定升高，主汽流量、溫度應(yīng)選擇切缸區(qū)最高點對應(yīng)的數(shù)值。

(2)低壓旁路閥參數(shù)

低壓旁路閥前壓力參數(shù)為高壓缸切缸區(qū)最高點對應(yīng)的參數(shù)，此時壓力仍為1.1 MPa。溫度參數(shù)選用高壓缸切缸區(qū)最高點再熱蒸汽的溫度。關(guān)于流量的選擇，從啟動曲線分析，以冷態(tài)啟動為例，汽輪機沖轉(zhuǎn)時主蒸汽流量等于再熱蒸汽流量70 t/h，隨著轉(zhuǎn)速不斷升高，進入中壓缸的流量不斷提高，再熱蒸汽的流量也不斷提高，兩者之間的差值為進入低旁的流量。因此，取兩者之間的最大差值為140-52=88 t/h，此流量作為低旁進口流量較為合理。此與常規(guī)理念中低旁進口流量等于高旁蒸汽流量加噴水量完全不同，其原因是中壓缸啟動的汽機，高壓缸不進汽，高旁容量需滿足切高壓缸時要求。在汽機沖轉(zhuǎn)至切缸之間，中壓缸有進汽量，此時進入低旁蒸汽量應(yīng)扣除至中壓缸的汽量。

2.5.2 旁路容量的計算

根據(jù)已確定的旁路功能，旁路容量按滿足各種典型啟動工況要求，計算參數(shù)按汽輪機切缸區(qū)最高點考慮。以極熱態(tài)啟動工況，汽輪機沖轉(zhuǎn)后的參數(shù)為例，高旁閥折算容量×100%=41.64%;低旁閥折算容量其他各工況參考式 (1)計算，旁路容量計算結(jié)果匯總見表3和表4。

表3 機組啟動工況下汽輪機沖轉(zhuǎn)后的高旁容量計算表

表4 機組啟動工況下汽輪機沖轉(zhuǎn)后的低旁容量計算表

由計算結(jié)果可知，若按機組啟動工況，汽輪機沖轉(zhuǎn)后的參數(shù)核算，最大旁路容量出現(xiàn)在極熱態(tài)工況，此時高旁容量為41.64%BMCR，低旁容量為53.84%BMCR。

2.6 FCB和選型工況下旁路容量的計算

2.6.1 旁路容量計算參數(shù)確定

(1)高壓旁路閥前參數(shù)

高壓旁路閥前參數(shù)應(yīng)選擇汽輪機高壓缸進汽參數(shù)。因此根據(jù)熱平衡圖在標(biāo)準(zhǔn)工況下取VWO工況參數(shù)，高壓旁路閥進汽壓力:24.2 MPa(a);溫度:566℃。FCB瞬態(tài)工況時，高旁閥前參數(shù)同汽機TMCR工況。FCB穩(wěn)態(tài)工況，此時鍋爐負荷為30%，主蒸汽參數(shù)為13.06 MPa，566℃。FCB穩(wěn)態(tài)結(jié)束升負荷工況，高旁閥前參數(shù)同穩(wěn)態(tài)工況。高壓旁路閥后的參數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)工況下取VWO工況下高壓缸排汽參數(shù)。FCB瞬態(tài)工況，高旁出口的參數(shù)參考TMCR工況高排參數(shù)。FCB穩(wěn)態(tài)工況，根據(jù)汽機廠提供的FCB熱平衡圖，壓力為1.333 MPa(a)，溫度為325℃。

(2)低壓旁路閥前參數(shù)

低壓旁路閥前的參數(shù)，F(xiàn)CB瞬態(tài)工況，低旁進口參數(shù)參考TMCR工況再熱蒸汽參數(shù)。FCB穩(wěn)態(tài)工況，根據(jù)汽機廠提供的熱平衡圖，壓力為1.2 MPa(a)，溫度為566℃。低壓旁路后的參數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)工況下，壓力一般按經(jīng)驗選取為:0.6 MPa;溫度:160℃ 。FCB瞬態(tài)工況參考瞬態(tài)熱平衡圖流量為422.8 t/h。FCB穩(wěn)態(tài)工況，參考穩(wěn)態(tài)熱平衡圖，流量為184.62 t/h。FCB工況低旁閥后壓力溫度參數(shù)均按0.6 MPa;溫度:160℃考慮。

2.6.2 旁路容量的計算

根據(jù)已確定的旁路功能，本工程的旁路必須滿足FCB瞬態(tài)工況、穩(wěn)態(tài)工況的要求。以FCB穩(wěn)態(tài)工況為例，高旁閥折算容量:低旁閥折算容量他各工況參考式 (1)計算，本工程每臺機組配置一套高壓旁路，旁路容量計算結(jié)果匯總見表5和表6。

表5 FCB和選型工況下高旁容量計算表

表6 FCB和選型工況下低旁容量計算表

由計算結(jié)果可知，若按機組FCB瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個典型工況核算，雖然穩(wěn)態(tài)工況蒸汽流量小，但此時壓力低、比容大，使得最大旁路容量出現(xiàn)在FCB穩(wěn)態(tài)工況，此時高旁容量為57.76%BMCR，低旁容量為84.79%BMCR。因此，本工程旁路容量為:高旁容量60%，低旁容量為85%。

3 結(jié)論

摩洛哥Jerada超臨界燃煤電站工程要求具備FCB功能。汽輪機為東汽廠生產(chǎn)的超臨界參數(shù)350 MW汽輪機，機組采用中壓缸啟動方式。鍋爐廠配供4臺10%BMCR容量的PCV閥。旁路容量計算結(jié)果表明:

(1)啟動工況方面，最大高旁計算容量出現(xiàn)在極熱態(tài)工況汽輪機沖轉(zhuǎn)后，高旁容量為41.64%，最大低旁計算容量出現(xiàn)在極熱態(tài)工況汽輪機沖轉(zhuǎn)前，低旁容量為59.81%;

(2)FCB工況方面，F(xiàn)CB穩(wěn)態(tài)運行工況下旁路入口蒸汽壓力低，溫度高，比容大，決定了機組旁路容量的選擇。此時高旁計算容量為57.76%BMCR，低旁計算容量為84.79%BMCR。本工程選定旁路容量為:高旁容量60%，低旁容量為85%。

通過針對各典型啟動工況、FCB瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)兩個工況的分析，合理地選擇了旁路容量，同時結(jié)合鍋爐過熱器出口的PCV閥，為機組能順利投產(chǎn)并具備FCB功能奠定了基礎(chǔ)。

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