1000mw級火電機組旁路系統作用及配置
馮偉忠（上海外高橋第三發電有限責任公司，上海 200137）
摘要：介紹當前世界上美、日、歐等不同技術體系的大機組旁路系統的配置特點，對旁路系統的諸多作用及應用時須注意的問題作了闡述。大容量旁路系統，不僅能縮短啟動時間，且能使鍋爐直接進入純直流狀態執行，有利於熱態啟動機爐蒸汽引數的配合。
鍋爐帶大容量旁路啟動，能確保汽輪機啟動的蒸汽品質，大大減輕汽輪機固體顆粒侵蝕，甚至替代衝管等。全容量高壓旁路，能取代過熱器安全門，並能進行滑壓執行跟蹤溢流，提高汽輪機的安全性，再配置全容量或大容量低壓旁路，輔之以控制系統的配合，能實現停電不停機、停機不停爐及fcb等。據此，1000mw級超超臨界機組旁路配置以100%高旁+（50~70%）低旁最為合理，最低不宜小於40%。
關鍵詞：超超臨界機組； 旁路配置； 啟動； 滑壓執行； fcb
中圖分類號： 文獻標識碼：a 文章編號：1004-9649（2005）08-0000-00
0 引言
近年來，隨著經濟、技術的發展和電網容量的擴大，以外高橋二期工程2×900mw超臨界機組的建成投產及玉環電廠4×1000mw超超臨界機組的開工建設為標誌，我國的火電機組建設已跨上了百萬級的台階。對於這樣的機組，其鍋爐和汽輪機的技術與以往600mw及以下容量的機組有顯著不同。特別是正確認識和充分發揮旁路系統的作用，合理地配置旁路系統的容量，對改善百萬級機組的除錯、確保機組的長期安全執行至關重要。
對於百萬級機組，當前世界上歐、美、日、俄（蘇）等不同的技術流派基本都採用超（超）臨界技術。但由於地域及技術體系的不同，對於旁路系統的配置及執行方式也有很大差別。如在美國，一般都採用小於20%bmcr的小旁路，僅用於機組啟動階段，鍋爐過熱器出口配置安全閥，有的大機組甚至不配旁路。
日本的三大廠基本上傳承了美國的技術體系。歐洲在鍋爐和汽輪機技術上與美國（日本）有著很大差別，尤其是在旁路系統的應用上，其理念與美（日）體系截然不同。特別是德國近年來建設的百萬級機組均採用了100%的高、低壓旁路配置，極大地拓展了旁路系統的作用，在旁路的應用及發展方面積累了豐富的經驗。
外高橋二期工程為2×900mw超臨界機組，在專案的各個階段，也由於對旁路系統在百萬級機組中的作用及特點認識不足，曾走過一些彎路。通過機組的設計、安裝和除錯等過程，對旁路系統的作用才有了深入的認識，並取得了很多經驗。尤其是借助於配置大容量旁路的有利條件，通過對控制系統的改進，成功實現了停機不停爐及機組快速甩負荷（fcb）等。
在近1a多的外高橋三期2×1000mw超超臨界機組工程的籌建中，通過對國際上百萬級超超臨界技術的調研，更進一步了解了旁路系統在百萬級機組中的不同配置及其特點。
1 旁路系統的作用
1.1 配合機組的啟動
1.1 .1冷態啟動
旁路容量的大小影響機組的啟動時間，若容量偏小，汽溫提高速度較慢，啟動過程較長。但對於百萬級機組，通常情況下年啟動次數較少，故冷態啟動中因旁路容量較小導致的啟動時間長的負面影響並不顯著。
1.1 .2熱態啟動
當機組在執行或除錯過程中突然跳閘，除非是機組剛冷態啟動，否則高、中壓缸均處於較高的溫度，且降溫速度極慢。此時若重新啟動，則鍋爐的蒸汽溫度必須與汽輪機的汽缸及調節閥溫度相匹配。對於引進日本技術的百萬級機組，一般容許蒸汽溫度與汽缸的溫差小於50℃。
而引進德國siemens的超超臨界機組，此溫差僅允許小於20℃。因此，旁路的配置是不同的。對於日本技術的機組，旁路容量可小一些。
而siemens技術的機組，其旁路容量的配置必須較大。若旁路容量低於鍋爐最低直流負荷，則鍋爐在啟動過程中只能處於濕態，其執行特點類似於汽包爐。因熱負荷受限，汽溫將比正常執行時低得多。
若不採取非常規措施，此汽溫不可能滿足汽輪機的要求。而siemens汽輪機的數字電液控制系統（deh）採用全自動程式控制方式啟動，若溫度條件不滿足，汽輪機無法衝轉。而若採用較大容量的旁路，只要鍋爐進入純直流狀態執行，通過改變煤水比，其主汽溫度是任意的，與負荷無關。
同時，主汽溫度的提高相應提高了高壓缸排汽溫度，使再熱汽溫也得到提高，從而使熱態啟動蒸汽引數的配合不再成為問題。目前引進的百萬級機組，其乾、濕態切換負荷約為30%~33%。採用大於40%bmcr旁路容量就可確保鍋爐進入純直流狀態。
1.2 取代安全門
歐洲大機組普遍應用的100%高壓旁路多為快速開啟型，通常在1s內可完全開啟。這種高壓旁路採用了高可靠性設計，可取代過熱器安全門。採用這種配置方式，可完全消除因高壓安全閥動作後產生的高強度噪音，且能最大限度的**工質。
但須注意，即使配置100%的快速開啟型低壓旁路，仍必須配置100%再熱安全門。這是因為在出現汽輪機低真空等故障時，不允許大量蒸汽再進入凝汽器，低壓旁路將被閉鎖。此時，高壓旁路來的蒸汽只能通過再熱安全門洩放。
1.3 滑壓跟蹤溢流
對於超（超）臨界機組，滑壓執行能提高低負荷工況下的機組效率。因此，無論配置調節級與否，採用滑壓執行已是百萬級機組設計的基本方式。有調節級的汽輪機一般採用復合滑壓（定滑定）方式執行，無調節級的siemens汽輪機[1]則採用帶部分節流的滑壓或純滑壓方式執行。
但在滑壓執行方式下，當出現快速減負荷時，調門會快速關閉，造成調節級或調節閥（無調節級）的壓降急劇變大，導致其承受過大的應力。而若旁路系統採用滑壓跟蹤溢流方式，當調節閥或調節級壓降超過設定值，旁路將自動開啟進行溢流，以限制壓降的進一步增大，提高汽輪機的安全性。當然，這需配置大容量的旁路系統。
如外高橋二期的siemens 900mw超臨界機組配有100%bmcr高壓旁路及50%容量低壓旁路，取消了鍋爐過熱器安全閥，採用滑壓跟蹤溢流執行方式。
1.4 停機不停爐及實現fcb
1.4.1 全容量高、低壓旁路
鑑於百萬級機組在電網中舉足輕重，近年來在德國投產的多台800~1000mw機組無一例外地採用100%bmcr高、低壓旁路的配置。從理論上，只要汽輪機凝結水及迴圈水等系統執行正常，在任何電負荷下都能保證停電不停機、停機不停爐及容易地實現fcb。並且在汽輪機、發電機或主變壓器高負荷跳閘的情況下，鍋爐不受快速甩負荷甚至總燃料跳閘（mft）的衝擊。
在停機或fcb後，鍋爐可平緩地降負荷。若汽輪發電機或電網故障很快被消除，則立即可再次啟動汽輪發電機並在並網後迅速加負荷。
在正常工況下，由於回熱抽汽的存在，一般只有約70%的蒸汽排入凝汽器。若採用100%低壓旁路，當汽輪機跳閘後，所有蒸汽通過旁路進入凝汽器，再加上減溫噴水，凝結水量遠大於正常工況。這就需要增大凝汽器冷卻面積和增加凝結水幫浦容量，因此，會顯著提高裝置的初投資及增加執行成本。
1.4.2 全容量高壓旁路，大容量低壓旁路
鑑於必須配置100%再熱安全門，為避免增加凝汽器及凝結水幫浦等的投資，低壓旁路容量可降為50%~70%。但當滿負荷時，汽輪機、發電機跳閘或發生fcb，大量蒸汽將通過再熱安全門排入大氣，若持續時間較長則導致系統工質鏈的中斷而造成mft。因此，若要實現停電不停機、停機不停爐及fcb，則對控制系統等將提出較高要求，尤其是必須實現runback。
即使這樣，由於鍋爐熱慣性很大，蒸發量下降需要幾分鐘的時間，相當的工質損失不可避免。且低壓旁路容量相對越小，矛盾越突出，因此，對於凝汽器及除氧器水位控制也要採取一定措施。不過，較快的低壓旁路開啟速度，能減少過渡過程中的工質損失。
2023年8月16日，外高橋二期第2臺900mw機組發生了滿負荷下汽輪發電機跳閘故障，而這之前恰好剛完成了停機不停爐的改進，因此鍋爐沒有跳閘，在處理故障後重新啟動，只55 min便再次併網。在此過程中，大容量旁路起了關鍵作用。而後，通過對分散控制系統（dcs）、deh及旁路系統控制方式的進一步改進，在9月14日成功完成了滿負荷fcb試驗[2]，並在7min後再次併網。
1.5 確保汽輪機啟動的蒸汽品質
按中、美、日等國的技術規範，新機組除錯階段允許蒸汽品質低於正常執行標準，通過不同負荷階段的「洗矽」等除錯步驟，不斷改善汽水品質以逐步達到生產標準。在此過程中，不可避免地造成大量、低標準的蒸汽進入汽輪機。但德國的超（超）臨界機組，即使在除錯階段，也必須執行正常執行的蒸汽品質標準，這種情況下，大容量旁路是唯一選擇。
新機組整組啟動前，先經過乙個「帶旁路啟動」過程，鍋爐蒸汽借道旁路系統構成迴圈，其熱負荷通常要達到45%bmcr甚至更高。在此過程中，採取加大爐水的置換力度及投入凝結水精處理系統等措施以逐步提高汽水品質，經過數天甚至數星期的時間，直至蒸汽品質達到標準後才允許衝轉汽輪機。這一程式不僅應用於基建階段，即使在投產後，機組的每次冷態啟動都必須先帶旁路執行，待汽水品質合格後方能衝轉汽輪機。
用這種方法可徹底杜絕低標準蒸汽對汽輪機通流部分造成的侵害，這對百萬級超超臨界汽輪機尤為重要。
1.6 替代衝管
在新機組除錯階段，鍋爐要通過酸洗及衝管等措施對鍋爐受熱面和主蒸汽、再熱蒸汽管道進行清洗，徹底清除系統內的垢物和雜質，確保汽輪機通流部分不受其侵害。但在鍋爐衝管期間，由於大量蒸汽持續地排向大氣，產生很高分貝的雜訊，對環境產生很不利的影響。近年來，德國等一些歐洲國家環保立法，禁止一些地區電廠的鍋爐衝管。
因此，電廠的設計採取了2個措施，一是利用塔式爐的優勢，其對流受熱面均為水平布置，管內積水可完全排盡，故可對整個鍋爐包括過熱器、再熱器進行酸洗及大流量水沖洗，盡可能地在酸洗階段清除管內積垢及雜質；二是採用100%bmcr的高、低壓旁路，在帶旁路啟動階段，鍋爐進行適當時間的高負荷執行，可起到相當於衝管的效果。
1.7 大大減輕汽輪機固體顆粒侵蝕[3]
固體顆粒侵蝕（spe）也稱硬質顆粒侵蝕（hpe）是超（超）臨界機組面臨的主要問題，該問題較多發生在鍋爐啟動階段，因鍋爐受熱面受熱衝擊引起管子汽側氧化鐵剝離並形成固體顆粒，使汽輪機調節級和高、中壓缸第1級葉片產生侵蝕。美、日等國在這方面都有很多經驗教訓，許多超臨界大機組在投產若干年後，由於嚴重的spe而不得不更換調節級和中壓缸第1級動、靜葉。然而在歐洲很少出現spe問題，這主要得益於普遍採用大容量旁路系統。
鍋爐通過帶旁路啟動，減緩了啟動過程中過熱器等蒸汽管道的溫度變化，減少了固體顆粒的剝離，同時把啟動過程中產生的固體顆粒直接排入凝汽器。近年美國新建的帶較大容量旁路系統的超臨界機組，spe已大為減輕。
2 旁路的合理配置及需注意的問題
2.1 高壓旁路
百萬級超超臨界鍋爐的過熱器安全門**昂貴，而採用旁路取代安全門在技術上已無爭議，特別是近年來較充分的競爭，旁路系統**已大為下降，綜合考慮採用100%bmcr高壓旁路可得到附加的許多效能。從機組，特別是汽輪機方面長遠的經濟、技術和安全利益出發，吸取美、日、歐在這方面的經驗教訓，結論是無論選用何種技術體系的主裝置，採用100%高壓旁路、取消過熱器安全門應是一種較為合理的配置方式。
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