汽轮机旁路系统的功能及其选择

摘 要：汽轮机旁路是单元制大型火力发电厂的重要辅助系统，旁路系统设计直接关系到机组的运行方式和控制策略。发达国家中，大型机组担当调峰任务很重，旁路系统带来的好处相当明显。在我国，大容量再热式机组都采用单元制系统，为了便于机组启停、调峰、事故处理和适应特殊运行方式，绝大多数再热式机组也都设置了旁路系统。但事实上，不同型式的汽轮机，其旁路系统的容量和功能应不尽相同。

关键词：汽轮机旁路系统；功能与作用；功能选择

一、汽轮机旁路的功能与作用

考虑到汽轮机的空载流量与锅炉的最低负荷不一致，以及低负荷时中间再热器的保护问题，中间再热式机组应设置旁路系统，每一级旁路中都装有减温减压器。当汽轮机的负荷低于锅炉稳定燃烧的最低负荷时，锅炉多送出的蒸汽可经过降压减温后送入再热器或低参数的蒸汽管道或直接排入凝汽器以回收工质。当汽轮机负荷很低而使流经锅炉再热器的蒸汽量不足以冷却锅炉再热器时，绕过高压缸且经过旁路系统减温减压器冷却的蒸汽，可进入锅炉再热器进行冷却，从而保护再热器。

1、缩短机组启动时间及汽机冲转过程中协调蒸汽参数和流量

汽轮机滑参数热态启动时，蒸汽进入气缸与气缸内壁接触，蒸汽温度上升较快，由于汽缸壁较厚且高中压缸为多层缸缸结构，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。当汽机滑参数冷态启动时，汽缸壁温较低，而锅炉来的过热蒸汽温度很高，导致主蒸汽温度与气缸和转子温度不协调，容易引起汽轮机汽缸及其他部件热应力过大，缩短机组使用寿命。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。

一般来讲，单元机组在启动过程中，锅炉蒸汽温度与汽机汽缸金属温度不协调是由锅炉的特性决定，先以低参数蒸汽冲转汽轮机，之后随着汽轮机升速、并网、带负荷的要求，不断提高主蒸汽的参数和流量。所以机组启动时间的长短取决于锅炉达到汽轮机冲转要求的蒸汽参数（包括主蒸汽和再热蒸汽）的时间，而锅炉升温、升压速度取决于锅炉疏水管的排放。如果只靠疏水系统的工作，达到冲转参数需几十个小时。旁路系统正是为达到快速启动的目的而设计的，它可提高锅炉升温、升压速度，使蒸汽参数维持在合适的水平，以满足汽轮机冷、热态启动所需的条件，匹配协调锅炉主蒸汽温度与汽轮机温度，缩短机组启动时间，防止气缸、转子等部件产生过大的热应力和热变形。

2、停机不停炉或带厂用电运行功能

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，旁路系统快速投入，使锅炉能维持在最低稳定负荷运行而不必停炉，这一最低负荷决定了汽轮机的容量。其次，在整机启动过程中，经常由于辅助设备出现故障，致使锅炉停炉，使正常的启动过程被延误。这时，汽机旁路系统将会发挥巨大的作用。使用旁路系统则不必停炉，故障消除后，即可迅速使汽机进行冲转，并网，带负荷，缩短了机组总启动时问。调峰机组停机后，旁路系统的存在使得锅炉在最低稳燃负荷下运行，汽轮机可在最短时间内再启动从而完成调峰任务。

3、保护再热器，回收工质及防止锅炉超压功能

当锅炉点火、汽轮机启动冲转或紧急停炉时炉膛出口烟温无法控制时，高压缸主汽门关闭而没有排气进入再热器使之冷却导致再热器处于干烧状态，当管壁温度超出再热器金属允许范围而影响其寿命。单元机组启停等工况下，锅炉蒸发量与汽轮机所需蒸汽量不匹配，若将多余的蒸汽排入大气会造成巨大的工质损失。当投入汽轮机旁路，就可以将这些多余的蒸汽回收到低参数的蒸汽管道或直接排入凝汽器以回收工质。处理机组故障锅炉停炉时的剩余蒸汽，减少机组甩负荷时安全阀和PCV阀起跳的次数，有助于保障安全阀的工作特性，延长寿命。

二、汽机旁路系统功能选择

汽机旁路系统的功能是不同的的，取决于机组使用的汽轮机的启停特性、结构特点以及锅炉设计特性等等。

1、改善启动特性及调节蒸汽参数功能选择

高压缸启动的机组，汽机冲转进汽由高压调节汽门控制，中压缸汽门处于全开状态，不参与调节。这种启动方式的机组不允许带旁路系统进行启动冲转，也就是说旁路系统必须在汽机冲转前退出运行，否则可能造成主蒸汽直接进入中压缸，使汽机超速，甚至造成飞车事故。这种启动方式的机组，旁路系统只能实现提高锅炉升温、升压速度及提高锅炉燃烧率的功能。这种机组的汽机旁路系统设置要进行经济型评估，可不设汽机旁路系统。对高中压缸同时进气启动的机组则不存在上述情况，旁路系统兼有启动功能和溢流功能。

中压缸启动的机组是配置汽机旁路系统的理想机组，理论上它可以实现旁路系统所能具有的各种功能，可改善机组启动特性，调节汽机启动冲转过程中蒸汽参数。在机组启动过程中，高压缸不进气，采用倒暖方式预热，主蒸汽经高压旁路和再热器，再由中压调节汽门控制汽机进汽量和转速。当达到某一转速时，高压缸才进气。这样的机组可与汽机旁路系统并联运行，实现调节汽机进汽参数，缩短启动时间的功能。

2、停机不停炉功能选择

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排放最低稳燃负荷的蒸汽量，同时机组经常担当调峰任务，则旁路系统的停机不停炉功能可以得到充分的发挥，可缩短机组启动时间，完成调峰任务。这种情况下，应该选择停机不停炉功能，但旁路的容量要能保证在各种工况下满足各种功能的安全运行。停机不停炉功能在极热态启动时最有效，对于长期担当基本负荷的机组，其热态启动次数不受电网调度，只因设备故障导致，一般都是冷态或温态启动。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，此功能是否有必要设置要进行经济性计算。若煤源不稳定，燃煤发热量变化大，燃烧不稳定，锅炉最低稳燃负荷高，设置庞大的旁路系统容量是否值得也应慎重考虑。

3、带厂用电功能选择

汽机旁路系统带厂用电功能，只要旁路系统的容量和锅炉最低不投油稳燃负荷能满足即可实现。这种功能需要庞大的旁路容量，这就意味着投资增加。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，使汽机使用寿命降低。另外，带厂用电功能能否实现，也不仅取决于汽机旁路系统本身的设计，还要求汽轮机要有良好的甩负荷特性以及发电机励磁系统的快速响应能力。因此，该功能的选取应结合机组特性和电网要求综合考虑，以保证机组的安全、可靠、高效运行。

总之，汽轮机旁路系统是单元式机组启停或事故工况下一种重要协调方法，虽然旁路系统的设置需要增加投资，但是旁路系统却以保护再热器，减少工质损失和热损失，增加机组安全性和使用寿命为补偿。

参考文献：

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[3]沈士一，庄贺庆，康松，庞立云.汽轮机原理[M].中国电力出版社，1992.

[4]韩中和，田松峰，马晓芳.火电厂汽机设备及运行[M].中国电力出版社，2002.

作者简介：肖远（1995-），男，华北电力大学学生，研究方向：能源与动力工程。

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