1、旁路系統的功能及應用國華定電 張寶川摘要：文中闡述了中間再熱機組旁路系統的功能、安全保護作用及在整個電力生產過程中的作用，以及600MW機組旁路系統的選擇及旁路系統在不同的運行要求以及不同的啟動方式下的應用等。關鍵詞：汽輪機 旁路系統 功能 選擇 應用一、 概述隨著電力工業的發展，新技術、新材料在火電廠的應用使得機組的容量越來越大，運行方式也都采用了一機一爐的單元制。在單元制運行中，機爐一一對應，鍋爐產生的蒸汽無法儲存，在機組運行的過程中，必須始終保持機爐之間的出力平衡，這一點在機組正常運行或部分輔機出故障時，通常由機爐協調控制系統完成：即依據外界負荷要求，使機爐的出力協調一致，既滿足負荷要求

2、，又可維持機組安全運行。但是由于汽機和鍋爐的動態特性相差太大，在某些情況下不匹配，要保持二者出力平衡，僅依靠協調控制系統完成是很困難的，或者說是無法實現的。例如機組在低負荷工況時，對鍋爐而言其最小允許負荷般為額定蒸發量的30%50%，負荷再低將導致鍋爐燃燒不穩定，水循環被破壞，導致滅火等問題；汽機空載運行時，進汽量僅須額定值的5%8%，當汽機由于需要進行低負荷或空載運行時，為使鍋爐不滅火，以待再啟動，就必須設法處理鍋爐的過剩蒸汽；啟動工況時，鍋爐（剛點火不久）提供蒸汽的溫度、過熱度都很低，不允許蒸汽進入汽輪機。需要回收鍋爐的多余蒸汽，避免對空排汽造成工質損失；另外再熱器要求有一定流量的蒸汽冷卻

3、，所以機組啟動、空載和低負荷運行時，要解決再熱器的超溫保護問題。為了解決上述問題，在單元再熱機組設置了旁路系統。旁路系統的設置使機組采用中壓缸啟動較為方便，有利于改善汽輪機的暖機效果，縮短啟動時間。當汽輪機系統出現小故障需要短時檢修時，鍋爐可維持在最低穩燃負荷下進行，故障排除后，即可很快重新沖轉并網帶負荷運行。通過旁路系統的運行給單元機組帶來了靈活性，進一步提高了機組安全經濟運行的可靠性，提高了大機組在火電廠中的地位。二、旁路系統的功能1改善單元機組的啟動性能，配合單元機組的快速啟動，提高機組的效率。大型機組通常采用滑參數啟動。機組采用滑參數啟動時，先以低參數蒸汽沖轉汽輪機，然后在啟動過程中隨

4、著汽輪機的暖機和帶負荷的要求，不斷提高鍋爐的汽壓，氣溫和蒸汽流量，使鍋爐產生的蒸汽參數與汽機金屬溫度相適應。汽機的啟動過程中，沖轉、暖機、升速和并網帶負荷，每一步對蒸汽的壓力、溫度、流量都有不同的要求。在汽輪機啟動時，汽缸內壁直接與高溫蒸汽接觸，蒸汽溫度上升較快，由于汽缸壁較厚，傳熱到外壁需經較長時間，汽缸內、外壁容易出現較大的溫差。當汽機冷態啟動時，汽缸壁溫較低，而鍋爐來的過熱蒸汽溫度很高，導致鍋爐蒸汽溫度與汽機汽缸金屬溫度不協調，容易引起汽輪機汽缸及其他部件熱應力過大，減少機組使用壽命。故在機組啟動期間，除監視汽缸內、外壁溫差外，還必須控制好金屬溫度的升降速度，才能保證汽缸的安全。一般來講

5、，機組在啟動過程中，升負荷率由汽輪機進汽調節閥控制，而鍋爐蒸汽溫度與汽機汽缸金屬溫度不協調則由鍋爐的特性決定，機組啟動時間的長短取決于鍋爐達到汽輪機沖轉要求的過熱蒸汽參數和再熱蒸汽參數的時間，而鍋爐升溫、升壓速度取決于鍋爐啟動疏水和疏汽系統，通過調整這些系統中的閥門來協調鍋爐蒸汽的溫度、壓力和流量。汽機旁路系統正是為達到此目的而設計的，它可提高鍋爐升溫、升壓速度，使鍋爐蒸汽參數(溫度、壓力和流量)維持在合適的水平，以滿足汽輪機冷、熱態啟動所需的條件，匹配協調鍋爐蒸汽溫度與汽輪機金屬溫度，縮短機組啟動時間，防止汽輪機主要部件產生過應力。從熱應力現象看，汽機旁路系統在機組熱態啟動時使用是最有效的，

6、冷態啟動時收效比較小，汽機旁路系統對熱態啟動有很大收益，但旁路系統需有停機不停爐的功能。2旁路應能適應機組定壓運行和滑壓運行兩種方式當汽機負荷低于鍋爐最低穩燃負荷時（不投油穩燃負荷），通過旁路裝置的調節，可以使機組允許穩定在低負荷狀態下運行。機組甩負荷或電網事故時，可以不停爐，讓鍋爐處于熱備用狀態，為機組再次啟動創造條件。在大型機組的設計中，由于機組故障引起機組甩負荷，甩負荷后，希望機組能在空載或帶廠用電運行或停機不停爐。通過旁路系統，把鍋爐產生的余汽送到凝汽器，使鍋爐在最低負荷下運行但不滅火，同時在故障消除后，機組可快速啟動并重新并網恢復發電，減少停機時間，有利于系統穩定。使鍋爐具備獨立運行

7、條件是：當發電機負荷減小或解列只擔負廠用電負荷，或當汽機主汽門關閉汽機停運時，旁路系統能在幾秒鐘內完全打開，使鍋爐逐漸地調整負荷，并保持在最低燃煤負荷下穩定運行而不必停爐。另外在機組負荷發生較大的變化時，旁路系統具有幫助機爐協調控制系統調節蒸汽流量的作用，并滿足汽輪機滑壓運行的要求。3機組啟動和低負荷時，可保護布置在煙溫較高區的再熱器的正常工作，以防燒壞。再熱器的設置是為了提高機組的熱效率。在機組正常運行工況下再熱器運行時，汽輪機接納鍋爐產生的蒸汽，高壓缸的排汽通過再熱器升壓升溫加熱至額定溫度后去中壓缸做功，同時使再熱器得到冷卻。但在低負荷運行時，由于汽機進汽量少，故高壓缸排汽量不能保證再熱器

8、的正常工作，容易造成再熱器超溫或多或少干燒損壞，在汽輪機跳閘時，汽輪機不接納鍋爐產生的蒸汽，高壓缸也沒有蒸汽排出，在機組甩負荷時亦時如此，設置了旁路系統后就可以使蒸汽構成新的通流回路，使再熱器得到足夠的冷卻。從而可以避免這一事故的發生，確保再熱器的正常工作。4旁路裝置具有超壓安全保護的功能。主汽、再熱器超壓保護體現在運行過程中，如果出現主蒸汽和再熱器超壓而危及主設備安全時，旁路系統會快速動作，起超壓泄流作用。減少PCV閥和安全閥起跳，并按照機組主蒸汽壓力、再熱蒸汽壓力進行自動調節，直到恢復正常值。使用汽機旁路系統完全取代鍋爐安全閥作用需配置100MCR容量，這樣的旁路系統投資太大，目前我國均不

9、要求旁路系統具有該功能。5同時旁路系統可以回收工質和熱量，減少噪音。回收鍋爐產生的多余蒸汽也避免了余汽排入大氣，減少了工質損失和安全門動作的噪音。旁路系統雖然在設計上考慮了多種功能，但在實際中能夠使用的僅為改善機組啟動特性功能，及加快暖管速度和保護再熱器，從而縮短機組啟動時間。，回收工質，降低噪音。二、旁路系統的選擇目前，旁路系統主要存在如下幾種型式：歐洲多設置100旁路，當機組故障時代替鍋爐安全門排汽，而將多余的蒸汽排入凝汽器，保護環境，減少噪音；美國多設置5旁路，因其電網很大，當機組故障時就停爐，5的旁路僅僅是用在爐點火時疏水用；我國則通常設置30旁路，用于甩負荷時帶廠用電。90以上電廠的

10、旁路系統因閥門（特別是減溫水調節門）泄漏、自控水平低等原因根本未發揮其作用。啟動功能對容量的要求，機組啟動時，汽機沖轉要求的主蒸汽參數(溫度、壓力)比較低，蒸汽流量一般約為5的鍋爐額定流量，帶初始負荷定速暖機需蒸汽流量為710的鍋爐額定蒸汽流量，對汽機旁路系統的容量要求不高，一般為額定參數下30 40MCR已經足夠，無論冷態啟動還是熱態啟動，都有一定的通流裕量。若要旁路滿足汽輪機熱態啟動要求，則要考慮旁路本身通流能力及鍋爐負荷與汽溫特性的關系，而旁路的通流能力又與汽機沖轉參數及調節方式有關。如果汽機沖轉采用主汽閥旁路門節流，全周進汽方式，則汽壓可以高，旁路通流量隨之增大，相應的汽溫也高；如果沖

11、轉采用部分進汽方式，則要求汽壓低，旁路通流量小，相應的汽溫也低。停機不停爐功能對容量的要求，對要求鍋爐實現脫開汽輪機單獨運行的汽機旁路系統，其容量大小取決于鍋爐的燃燒特性(即鍋爐不投油最低穩燃負荷)，最小容量應為額定參數下鍋爐不投油最低穩燃負荷百分數。由于實際燃煤發熱量時常有變，鍋爐不投油最低穩燃負荷可能提高，故應再考慮一定的裕量。在額定參數下汽機跳閘，鍋爐維持額定參數下最低穩燃負荷運行，旁路系統容量滿足要求。在變壓運行工況，由于主蒸汽壓力降低，蒸汽容積流量增大，高旁閥通流能力減小，造成按額定參數選定的旁路閥的通流能力不夠。為不致使旁路容量過大，在過熱器出口主蒸汽管道上增設電磁泄壓閥(PCV)

12、，在機組50負荷以上變壓運行時，旁路系統與PCV同時動作，維持鍋爐最低穩燃負荷，實現停機不停爐。汽機旁路系統帶廠用電功能，只要旁路系統的容量和系統配置能滿足即可實現。其高旁閥的容量按停機不停爐功能選擇足以滿足要求，而低旁閥的容量取決于汽輪機制造廠要求的機組在帶廠用電運行時再熱汽壓力大小，由于再熱汽壓力很低，低旁閥的容量為100MCR才能滿足要求。低旁閥容量太大會造成管道設計困難和凝汽器承受能力問題，所以低旁閥容量選用4060MCR，配套使用中壓安全閥，當電網故障，旁路系統和中壓安全閥同時動作，鍋爐緊急減至穩定負荷，汽機迅速減負荷至帶廠用電運行。這種功能需以龐大的旁路容量、完善的控制系統及昂貴的

13、投資為代價。三、旁路系統的應用性分析隨著機組的運行，旁路系統不斷暴露出問題。特別是發生了幾次因旁路系統故障造成的機組重大事故之后，許多優點被迫停止使用，雖然引進時投資巨大，但不能充分發揮其經濟效益，旁路系統變成了僅僅用來在機組啟動時提高汽溫的2根管道。也有一些電廠甚至取消了汽輪機旁路系統，只要求鍋爐保留5BMCR容量啟動疏水旁路。為滿足再熱器干燒，加快啟動速度，縮短啟動時間，加設5容量的主汽、再熱蒸汽串聯疏水系統。旁路系統在實際應用中存在以下幾個方面的問題：1）利用率低。一般電廠運行過程中，旁路系統僅能起到啟動參數建立的作用；2）設計、安裝、運行、維護、檢修工作量大；3）許多功能受運行條件的制

14、約而不能發揮；4）汽輪機控制系統與旁路協同調節時，對機組的運行安全性差。下面針對旁路系統存在的問題進行如下分析：1旁路調壓功能的實現旁路系統在設計上具有汽機沖轉過程中調節和穩定蒸汽參數的作用，但要根據具體的機組啟動方式來具體對待。1）高壓缸啟動方式高壓缸啟動的機組，一般汽機沖轉進汽由高壓調節汽門控制，中壓主汽門和中壓調節汽門處于全開狀態，不參與轉速的調節。這種啟動方式的機組不允許帶旁路系統進行汽機沖轉，即旁路系統必須在汽機沖轉前退出運行，否則可能會有大量高參數蒸汽進入中壓缸，造成汽機轉速無法控制，甚至造成超速飛車，其主要原因是汽機沖轉時，中壓調節汽門不參與調節，無法控制進入中壓缸的汽量。此類情

15、況國內已有教訓。這種啟動方式的機組，旁路系統只能實現提高鍋爐升溫、升壓速度及改善鍋爐燃燒率，無法實現調節和穩定主蒸汽和再熱蒸汽參數功能，換句話說，旁路系統不能與汽輪機并聯運行。2）高中壓缸啟動方式對高、中壓缸聯合啟動，中壓調節汽門參與調節不存在上述的情況，旁路系統可實現改善機組啟動特性及汽機沖轉過程中調節和穩定蒸汽參數功能。3）中壓缸啟動方式中壓缸啟動方式是配置汽機旁路系統較理想的啟動方式，理論上它能實現旁路系統所能具有的各種功能，可實現改善機組啟動特性及汽機沖轉過程中調節和穩定蒸汽參數功能。在機組啟動過程中，高壓主汽門和調節汽門全關，由中壓調節汽門控制汽機進汽量和轉速。汽機旁路系統可與汽機并

16、聯運行，調節和穩定汽機進汽參數。2DEH控制系統與旁路控制系統之間的矛盾我公司的機組數字式電液控制系統是新華電站控制有限公司生產的，一般來說DEH中的旁路控制狀態有2種，即“BYPASS OFF”和“BYPASS ON”，表明機組啟動和運行中DEH是否允許中壓調節汽門IV參與機組的調節控制，而與高低壓旁路系統實際狀態無關。前者適用于高壓缸啟動和高壓調節汽門GV控制方式；后者僅適用于中壓缸啟動方式。但由于DEH系統與旁路系統控制方面接口設計不夠成熟，在實際運行過程中會出現很多的問題，因此基于運行安全方面的考慮，大多數機組目前均規定在正常運行狀態下，高低壓旁路系統禁投“自動”，處于“手動”備用狀態

17、，致使旁路系統的諸多控制功能根本無法實現。3停機不停爐功能的實現汽機旁路系統的設置使因電氣故障，機組甩負荷，鍋爐單獨運行成為可能。當系統電氣故障，發電機開關跳閘，汽機主汽門關閉時，旁路系統投入，使鍋爐能維持在某一穩定負荷運行而不必停爐，這一穩定負荷取決于旁路系統的容量。另外，在整機啟動過程中，往往由于輔助設備出現故障，迫使鍋爐熄火停爐，使正常的啟動過程被延誤。這種情況下，汽機旁路系統的作用會明顯發揮，此時使用旁路系統而不必停爐，待故障消除后，可迅速使汽機進行沖轉，帶負荷，大大縮短機組總啟動時間，回收工質，保護再熱器。調峰機組夜間停機后，投入旁路系統，鍋爐穩定在不投油最低穩燃負荷運行，汽輪機可在

18、最短時間內再啟動。汽機旁路系統停機不停爐功能的實現取決于其容量的大小，若旁路系統容量足夠，鍋爐燃煤煤源穩定，燃煤發熱量變化較小，鍋爐不投油最低穩燃負荷穩定，機組經常擔當調峰任務，則汽機旁路系統停機不停爐功能能發揮相當大的作用，可大大縮短機組啟動時間。這種情況下，建議選擇停機不停爐功能，但旁路的容量和控制方式要能保證在各種工況下安全運行。在一些發達國家，大型機組擔當調峰任務很重，旁路系統停機不停爐功能帶來的好處相當明顯，收效很好。而在我國，300MW以上大型機組按電網要求，雖具有調峰能力，但大多都擔當基本負荷，其熱態啟動次數不受電網調度，只因故障而致，熱態啟動次數相對較少。這種情況下，旁路系統停機不停爐功能則不能發揮很大的作用，是否設置此功能要綜合比較。若煤源不穩定，燃煤發熱量變化大，鍋爐不投油最低穩燃負荷高，以龐大的旁路系統容量為代價是否值得應慎重考慮。另外應認識到，帶廠用電運行工況是機組最惡劣的一種