旁路系统的功能及应用张宝川

1、旁路系统的功能及应用国华定电 张宝川摘要：文中阐述了中间再热机组旁路系统的功能、安全保护作用及在整个电力生产过程中的作用，以及600MW机组旁路系统的选择及旁路系统在不同的运行要求以及不同的启动方式下的应用等。关键词：汽轮机 旁路系统 功能 选择 应用一、 概述随着电力工业的发展，新技术、新材料在火电厂的应用使得机组的容量越来越大，运行方式也都采用了一机一炉的单元制。在单元制运行中，机炉一一对应，锅炉产生的蒸汽无法储存，在机组运行的过程中，必须始终保持机炉之间的出力平衡，这一点在机组正常运行或部分辅机出故障时，通常由机炉协调控制系统完成：即依据外界负荷要求，使机炉的出力协调一致，既满足负荷要求

2、，又可维持机组安全运行。但是由于汽机和锅炉的动态特性相差太大，在某些情况下不匹配，要保持二者出力平衡，仅依靠协调控制系统完成是很困难的，或者说是无法实现的。例如机组在低负荷工况时，对锅炉而言其最小允许负荷般为额定蒸发量的30%50%，负荷再低将导致锅炉燃烧不稳定，水循环被破坏，导致灭火等问题；汽机空载运行时，进汽量仅须额定值的5%8%，当汽机由于需要进行低负荷或空载运行时，为使锅炉不灭火，以待再启动，就必须设法处理锅炉的过剩蒸汽；启动工况时，锅炉（刚点火不久）提供蒸汽的温度、过热度都很低，不允许蒸汽进入汽轮机。需要回收锅炉的多余蒸汽，避免对空排汽造成工质损失；另外再热器要求有一定流量的蒸汽冷却

3、，所以机组启动、空载和低负荷运行时，要解决再热器的超温保护问题。为了解决上述问题，在单元再热机组设置了旁路系统。旁路系统的设置使机组采用中压缸启动较为方便，有利于改善汽轮机的暖机效果，缩短启动时间。当汽轮机系统出现小故障需要短时检修时，锅炉可维持在最低稳燃负荷下进行，故障排除后，即可很快重新冲转并网带负荷运行。通过旁路系统的运行给单元机组带来了灵活性，进一步提高了机组安全经济运行的可靠性，提高了大机组在火电厂中的地位。二、旁路系统的功能1改善单元机组的启动性能，配合单元机组的快速启动，提高机组的效率。大型机组通常采用滑参数启动。机组采用滑参数启动时，先以低参数蒸汽冲转汽轮机，然后在启动过程中随

4、着汽轮机的暖机和带负荷的要求，不断提高锅炉的汽压，气温和蒸汽流量，使锅炉产生的蒸汽参数与汽机金属温度相适应。汽机的启动过程中，冲转、暖机、升速和并网带负荷，每一步对蒸汽的压力、温度、流量都有不同的要求。在汽轮机启动时，汽缸内壁直接与高温蒸汽接触，蒸汽温度上升较快，由于汽缸壁较厚，传热到外壁需经较长时间，汽缸内、外壁容易出现较大的温差。当汽机冷态启动时，汽缸壁温较低，而锅炉来的过热蒸汽温度很高，导致锅炉蒸汽温度与汽机汽缸金属温度不协调，容易引起汽轮机汽缸及其他部件热应力过大，减少机组使用寿命。故在机组启动期间，除监视汽缸内、外壁温差外，还必须控制好金属温度的升降速度，才能保证汽缸的安全。一般来讲

5、，机组在启动过程中，升负荷率由汽轮机进汽调节阀控制，而锅炉蒸汽温度与汽机汽缸金属温度不协调则由锅炉的特性决定，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疏汽系统，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。汽机旁路系统正是为达到此目的而设计的，它可提高锅炉升温、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，以满足汽轮机冷、热态启动所需的条件，匹配协调锅炉蒸汽温度与汽轮机金属温度，缩短机组启动时间，防止汽轮机主要部件产生过应力。从热应力现象看，汽机旁路系统在机组热态启动时使用是最有效的，

6、冷态启动时收效比较小，汽机旁路系统对热态启动有很大收益，但旁路系统需有停机不停炉的功能。2旁路应能适应机组定压运行和滑压运行两种方式当汽机负荷低于锅炉最低稳燃负荷时（不投油稳燃负荷），通过旁路装置的调节，可以使机组允许稳定在低负荷状态下运行。机组甩负荷或电网事故时，可以不停炉，让锅炉处于热备用状态，为机组再次启动创造条件。在大型机组的设计中，由于机组故障引起机组甩负荷，甩负荷后，希望机组能在空载或带厂用电运行或停机不停炉。通过旁路系统，把锅炉产生的余汽送到凝汽器，使锅炉在最低负荷下运行但不灭火，同时在故障消除后，机组可快速启动并重新并网恢复发电，减少停机时间，有利于系统稳定。使锅炉具备独立运行

7、条件是：当发电机负荷减小或解列只担负厂用电负荷，或当汽机主汽门关闭汽机停运时，旁路系统能在几秒钟内完全打开，使锅炉逐渐地调整负荷，并保持在最低燃煤负荷下稳定运行而不必停炉。另外在机组负荷发生较大的变化时，旁路系统具有帮助机炉协调控制系统调节蒸汽流量的作用，并满足汽轮机滑压运行的要求。3机组启动和低负荷时，可保护布置在烟温较高区的再热器的正常工作，以防烧坏。再热器的设置是为了提高机组的热效率。在机组正常运行工况下再热器运行时，汽轮机接纳锅炉产生的蒸汽，高压缸的排汽通过再热器升压升温加热至额定温度后去中压缸做功，同时使再热器得到冷却。但在低负荷运行时，由于汽机进汽量少，故高压缸排汽量不能保证再热器

8、的正常工作，容易造成再热器超温或多或少干烧损坏，在汽轮机跳闸时，汽轮机不接纳锅炉产生的蒸汽，高压缸也没有蒸汽排出，在机组甩负荷时亦时如此，设置了旁路系统后就可以使蒸汽构成新的通流回路，使再热器得到足够的冷却。从而可以避免这一事故的发生，确保再热器的正常工作。4旁路装置具有超压安全保护的功能。主汽、再热器超压保护体现在运行过程中，如果出现主蒸汽和再热器超压而危及主设备安全时，旁路系统会快速动作，起超压泄流作用。减少PCV阀和安全阀起跳，并按照机组主蒸汽压力、再热蒸汽压力进行自动调节，直到恢复正常值。使用汽机旁路系统完全取代锅炉安全阀作用需配置100MCR容量，这样的旁路系统投资太大，目前我国均不

9、要求旁路系统具有该功能。5同时旁路系统可以回收工质和热量，减少噪音。回收锅炉产生的多余蒸汽也避免了余汽排入大气，减少了工质损失和安全门动作的噪音。旁路系统虽然在设计上考虑了多种功能，但在实际中能够使用的仅为改善机组启动特性功能，及加快暖管速度和保护再热器，从而缩短机组启动时间。，回收工质，降低噪音。二、旁路系统的选择目前，旁路系统主要存在如下几种型式：欧洲多设置100旁路，当机组故障时代替锅炉安全门排汽，而将多余的蒸汽排入凝汽器，保护环境，减少噪音；美国多设置5旁路，因其电网很大，当机组故障时就停炉，5的旁路仅仅是用在炉点火时疏水用；我国则通常设置30旁路，用于甩负荷时带厂用电。90以上电厂的

10、旁路系统因阀门（特别是减温水调节门）泄漏、自控水平低等原因根本未发挥其作用。启动功能对容量的要求，机组启动时，汽机冲转要求的主蒸汽参数(温度、压力)比较低，蒸汽流量一般约为5的锅炉额定流量，带初始负荷定速暖机需蒸汽流量为710的锅炉额定蒸汽流量，对汽机旁路系统的容量要求不高，一般为额定参数下30 40MCR已经足够，无论冷态启动还是热态启动，都有一定的通流裕量。若要旁路满足汽轮机热态启动要求，则要考虑旁路本身通流能力及锅炉负荷与汽温特性的关系，而旁路的通流能力又与汽机冲转参数及调节方式有关。如果汽机冲转采用主汽阀旁路门节流，全周进汽方式，则汽压可以高，旁路通流量随之增大，相应的汽温也高；如果冲

11、转采用部分进汽方式，则要求汽压低，旁路通流量小，相应的汽温也低。停机不停炉功能对容量的要求，对要求锅炉实现脱开汽轮机单独运行的汽机旁路系统，其容量大小取决于锅炉的燃烧特性(即锅炉不投油最低稳燃负荷)，最小容量应为额定参数下锅炉不投油最低稳燃负荷百分数。由于实际燃煤发热量时常有变，锅炉不投油最低稳燃负荷可能提高，故应再考虑一定的裕量。在额定参数下汽机跳闸，锅炉维持额定参数下最低稳燃负荷运行，旁路系统容量满足要求。在变压运行工况，由于主蒸汽压力降低，蒸汽容积流量增大，高旁阀通流能力减小，造成按额定参数选定的旁路阀的通流能力不够。为不致使旁路容量过大，在过热器出口主蒸汽管道上增设电磁泄压阀(PCV)

12、，在机组50负荷以上变压运行时，旁路系统与PCV同时动作，维持锅炉最低稳燃负荷，实现停机不停炉。汽机旁路系统带厂用电功能，只要旁路系统的容量和系统配置能满足即可实现。其高旁阀的容量按停机不停炉功能选择足以满足要求，而低旁阀的容量取决于汽轮机制造厂要求的机组在带厂用电运行时再热汽压力大小，由于再热汽压力很低，低旁阀的容量为100MCR才能满足要求。低旁阀容量太大会造成管道设计困难和凝汽器承受能力问题，所以低旁阀容量选用4060MCR，配套使用中压安全阀，当电网故障，旁路系统和中压安全阀同时动作，锅炉紧急减至稳定负荷，汽机迅速减负荷至带厂用电运行。这种功能需以庞大的旁路容量、完善的控制系统及昂贵的

13、投资为代价。三、旁路系统的应用性分析随着机组的运行，旁路系统不断暴露出问题。特别是发生了几次因旁路系统故障造成的机组重大事故之后，许多优点被迫停止使用，虽然引进时投资巨大，但不能充分发挥其经济效益，旁路系统变成了仅仅用来在机组启动时提高汽温的2根管道。也有一些电厂甚至取消了汽轮机旁路系统，只要求锅炉保留5BMCR容量启动疏水旁路。为满足再热器干烧，加快启动速度，缩短启动时间，加设5容量的主汽、再热蒸汽串联疏水系统。旁路系统在实际应用中存在以下几个方面的问题：1）利用率低。一般电厂运行过程中，旁路系统仅能起到启动参数建立的作用；2）设计、安装、运行、维护、检修工作量大；3）许多功能受运行条件的制

14、约而不能发挥；4）汽轮机控制系统与旁路协同调节时，对机组的运行安全性差。下面针对旁路系统存在的问题进行如下分析：1旁路调压功能的实现旁路系统在设计上具有汽机冲转过程中调节和稳定蒸汽参数的作用，但要根据具体的机组启动方式来具体对待。1）高压缸启动方式高压缸启动的机组，一般汽机冲转进汽由高压调节汽门控制，中压主汽门和中压调节汽门处于全开状态，不参与转速的调节。这种启动方式的机组不允许带旁路系统进行汽机冲转，即旁路系统必须在汽机冲转前退出运行，否则可能会有大量高参数蒸汽进入中压缸，造成汽机转速无法控制，甚至造成超速飞车，其主要原因是汽机冲转时，中压调节汽门不参与调节，无法控制进入中压缸的汽量。此类情

15、况国内已有教训。这种启动方式的机组，旁路系统只能实现提高锅炉升温、升压速度及改善锅炉燃烧率，无法实现调节和稳定主蒸汽和再热蒸汽参数功能，换句话说，旁路系统不能与汽轮机并联运行。2）高中压缸启动方式对高、中压缸联合启动，中压调节汽门参与调节不存在上述的情况，旁路系统可实现改善机组启动特性及汽机冲转过程中调节和稳定蒸汽参数功能。3）中压缸启动方式中压缸启动方式是配置汽机旁路系统较理想的启动方式，理论上它能实现旁路系统所能具有的各种功能，可实现改善机组启动特性及汽机冲转过程中调节和稳定蒸汽参数功能。在机组启动过程中，高压主汽门和调节汽门全关，由中压调节汽门控制汽机进汽量和转速。汽机旁路系统可与汽机并

16、联运行，调节和稳定汽机进汽参数。2DEH控制系统与旁路控制系统之间的矛盾我公司的机组数字式电液控制系统是新华电站控制有限公司生产的，一般来说DEH中的旁路控制状态有2种，即“BYPASS OFF”和“BYPASS ON”，表明机组启动和运行中DEH是否允许中压调节汽门IV参与机组的调节控制，而与高低压旁路系统实际状态无关。前者适用于高压缸启动和高压调节汽门GV控制方式；后者仅适用于中压缸启动方式。但由于DEH系统与旁路系统控制方面接口设计不够成熟，在实际运行过程中会出现很多的问题，因此基于运行安全方面的考虑，大多数机组目前均规定在正常运行状态下，高低压旁路系统禁投“自动”，处于“手动”备用状态

17、，致使旁路系统的诸多控制功能根本无法实现。3停机不停炉功能的实现汽机旁路系统的设置使因电气故障，机组甩负荷，锅炉单独运行成为可能。当系统电气故障，发电机开关跳闸，汽机主汽门关闭时，旁路系统投入，使锅炉能维持在某一稳定负荷运行而不必停炉，这一稳定负荷取决于旁路系统的容量。另外，在整机启动过程中，往往由于辅助设备出现故障，迫使锅炉熄火停炉，使正常的启动过程被延误。这种情况下，汽机旁路系统的作用会明显发挥，此时使用旁路系统而不必停炉，待故障消除后，可迅速使汽机进行冲转，带负荷，大大缩短机组总启动时间，回收工质，保护再热器。调峰机组夜间停机后，投入旁路系统，锅炉稳定在不投油最低稳燃负荷运行，汽轮机可在

18、最短时间内再启动。汽机旁路系统停机不停炉功能的实现取决于其容量的大小，若旁路系统容量足够，锅炉燃煤煤源稳定，燃煤发热量变化较小，锅炉不投油最低稳燃负荷稳定，机组经常担当调峰任务，则汽机旁路系统停机不停炉功能能发挥相当大的作用，可大大缩短机组启动时间。这种情况下，建议选择停机不停炉功能，但旁路的容量和控制方式要能保证在各种工况下安全运行。在一些发达国家，大型机组担当调峰任务很重，旁路系统停机不停炉功能带来的好处相当明显，收效很好。而在我国，300MW以上大型机组按电网要求，虽具有调峰能力，但大多都担当基本负荷，其热态启动次数不受电网调度，只因故障而致，热态启动次数相对较少。这种情况下，旁路系统停机不停炉功能则不能发挥很大的作用，是否设置此功能要综合比较。若煤源不稳定，燃煤发热量变化大，锅炉不投油最低稳燃负荷高，以庞大的旁路系统容量为代价是否值得应慎重考虑。另外应认识到，带厂用电运行工况是机组最恶劣的一种