汽机旁路系统分析

摘 要：本文分析了汽机旁路系统，介绍了改善机组启动特性及汽机冲转过程中调节和温度蒸汽参数，停机不停炉，带厂用电等功能。

关键词：汽机；旁路；蒸汽

机组在低负荷工况时，对锅炉而言其最小允许负荷一般为额定蒸发量的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，进汽量仅需额定值的5%～8%，当汽机由于某种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，需要回收锅炉多余蒸汽， 避免对空排汽造成工质损失；另外有的再热器布置在烟道中烟温较高的区域，要求有一定流量的蒸汽冷却，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，在中间再热式机组中设置了旁路系统。旁路系统的设置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，提高了大机组在电网中的地位。

1 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

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，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热应力。

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，冷态启动时收效比较小，下面针对汽机旁路系统在各种启动状态时的应用作详细比较。

（1）极热态启动。即机组甩负荷1 h后再启动，此时汽轮机部件的金属温度约480℃。汽机旁路系统投入，使锅炉继续运行，并急速稳定锅炉蒸汽参数在某一适合汽机快速再启动所需的水平（一般极热态启动要求的主蒸汽参数为额定参数，再热蒸汽温度比额定温度低10～40℃），可使汽轮机在不受热应力限制，在最短时间内再启动。极热状态使用旁路系统的最大优点是不必停炉，汽机可快速启动，机组启动时间特别短而无损汽轮机循环寿命。

（2）热态启动。即机组停机6～10 h后再启动，此时汽轮机金属温度约400～450℃。汽机旁路系统投入， 协调锅炉蒸汽温度与汽轮机金属温度相匹配， 锅炉可单独带较高负荷运行， 汽轮机在几分钟内快速进汽、升速和带负荷。热态启动使用旁路系统的优点是可使汽轮机在较短的时间内得到最合适的蒸汽条件（一般此时汽机要求的主蒸汽温度为410～480℃，再热蒸汽温度为370～450℃），机组启动时问短。

（3）温态（半热态）启动。即机组停机30～60 h后再启动，此时汽机金属温度约为230～315℃。汽机旁路系统投入，使锅炉蒸汽流量增加，快速协调锅炉蒸汽温度、压力和流量达到汽机冲转参数（温态启动要求的主蒸汽温度为370～410℃，再热蒸汽温度为290～370℃），可相对缩短机组启动时间，较热态启动收效差些。

（4）冷态启动。即机组长时间停机（大于60 h）后再启动，此时汽轮机金属温度小于230℃。汽机旁路系统用于机组启动前使锅炉汽温、汽压快速升高至汽机冲转参数，在机组冲转、升速过程中协调稳定汽机进汽参数，可缩短整机启动时问，较热态启动收效相对较大。

综上所述，汽机旁路系统对机组启动有很大收益，但旁路系统需有停机不停炉的功能。

另外，还可以从以下观点分析。

（5）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。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。以前我国引进型300 MW机组正是采用这种启动方式，这种机组的汽机旁路系统设置要慎重考虑，应以实用、可靠、投资少为原则，适当简化控制系统功能，选择简单易操作的旁路阀执行机构，控制方式以远方手操为主。着该型机组配套锅炉设有启动蒸汽旁路系统（如CE锅炉的5%启动疏水旁路），用于提高锅炉升温，升压速度和改善锅炉燃烧率，起到与汽机旁路系统相同的作用，这种机炉配套的机组可不设汽机旁路系统。仅此一项可节约工程投资约500万元人民币。对高压缸启动，中压调节汽门参与调节的机组（如高、中压缸联合启动）不存在上述情况，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。

（6）中压缸启动方式

中压缸启动的机组是配置汽机旁路系统较理想的机组，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联运行，调节和稳定汽机进汽参数。

2 停机不停炉功能

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。这種情况下，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

动时问，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，逐日启停次数多，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。停机不停炉功能在极热态启动时最有效。

3 带厂用电功能

电网发生故障，旁路系统投入，锅炉维持不投油最低稳定负荷，机组带厂用电运行。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。这种功能需以庞大的旁路容量、完善的控制系统及昂贵的投资为代价。必须说明，带厂用电运行工况是机组最恶劣的一种工况，对汽轮机损伤极其严重，使汽机循环寿命大大降低。另外，带厂用电功能能否实现，它不仅取决于汽机旁路系统本身的设计，还取决于锅炉和辅助设备的可控性，电厂控制和保护系统的可靠性以及汽轮机的适应性。电网内可有选择性地确定少数机组具备带厂用电功能，这样既可节约投资，又可保证电网的安全运行。

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