1000 MW超超临界二次再热燃煤机组汽机旁路选型优化.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation1122023 年 第 17 期文章编号：2095-6835（2023）17-0112-041 000 MW 超超临界二次再热燃煤机组汽机旁路选型优化王桂峰（浙江省能源集团有限公司，浙江 杭州 310007）摘要：主要论述了在满足机组安全启、停的前提条件下，结合机炉匹配及旁路功能选择合适容量的旁路系统。从对旁路的主要型式及功能研究出发，结合主机启动方式、主机特性及主机与旁路的关系，通过旁路容量及其计算方法等内容，利用本工程的实际情况以及同类机组实际数据，对本工程超超临界二次再热机组旁路选择进行了探讨。经过探讨，推荐本工程机组汽轮机旁路选择高压旁路容量按 45%BMCR（Boiler Maximum Continuous Rating，锅炉最大连续蒸发量）设置，中压旁路容量按启动工况最大主蒸汽流量加减温水量选型，低压旁路容量按中压旁路流量加减温水量设置。关键词：二次再热；旁路；选型；燃煤发电中图分类号：TM621文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.17.033燃煤发电在中国能源结构中一直占有重要地位。随着近年来国家提出“碳达峰，碳中和”的战略目标，可再生能源得到蓬勃发展，燃煤发电的市场份额逐渐降低。燃煤发电在中国能源保供中的地位尚未变化，但提高发电效率，降低发电煤耗是燃煤发电未来发展的必然趋势。当前，国内的燃煤机组已经发展到超超临界二次再热发电系统。旁路系统对燃煤电厂来说有着重要意义。在机组启动阶段，旁路系统可以将超出汽机启动需求的蒸汽量直接引导至过热器和再热器，既平衡了蒸汽量，也实现用过量蒸汽对锅炉受热面的预热，提高启动响应度。超超临界锅炉在启停工况下，容易形成四氧化三铁（Fe3O4）硬粒。若这些硬粒进入汽轮机做功，将对喷嘴及叶片级造成侵蚀，严重影响汽机的使用寿命。旁路系统在机组甩负荷工况时，瞬间切除大量蒸汽至旁路，有效防止汽机超速，对整个机组的安全性尤为重要。1 000 MW 超超临界二次再热机组因为本身单机容量高，发电效率也高，是未来参与电网调峰的重要手段。在此条件下，机组运行的灵活性、可靠性是项目成功的关键之一。为满足上述要求，尽量克服四氧化三铁的硬粒侵蚀，必须配置合适的旁路系统。1二次再热超超临界机组旁路设置情况部分国内已投运或建设中的二次再热超超临界机组旁路配置情况汇总如表 1 所示。表 1部分二次再热超超临界机组旁路配置情况序号项目概况旁路配置1国电泰州二期21 000 MW，31/600/610/610 上锅/上汽，于 2015 年 9 月、2016 年 1 月投运三级串联、100%高旁2华能莱芜电厂21 000MW，31/600/620/620 哈锅/上汽，于2015年 12 月、2016年 11月投运三级串联、40%高旁3大唐广东雷州电厂21 000 MW，31/600/620/620 哈锅/上汽，于 2020 年 1 月投运 1 台三级串联、45%高旁4山东大唐东营电厂21 000 MW，31/600/620/620 上锅/上汽三级串联、40%高旁5华能瑞金电厂二期21 000 MW，31/605/622/620 上锅/上汽三级串联、100%高旁6国华广投北海电厂21 000 MW，31/600/620/620 上锅/上汽三级串联、100%高旁7河源电厂二期21 000 MW，32/600/620/620 东锅/上汽，于 2021 年 7 月投运三级串联、40%高旁8国电蚌埠电厂二期2660 MW，31/600/620/620 东锅/上汽，于 2018 年 12 月投运三级串联、40%高旁9国电宿迁电厂2660 MW，31/600/620/620 上锅/上汽，于 2018 年 12 月、2019 年 6 月投运三级串联、100%高旁10华能安源电厂2660 MW，31/600/620/620 哈锅/东汽，于 2015 年投运三级串联、40%高旁2本工程旁路系统选型设计选择旁路系统时应综合考虑在电网中承担的任务、汽机的冲转启动方式及如何防固体颗粒物侵蚀等因素1。2.1电网运行需求本项目地处华东负荷中心，地区负荷变动大。受此影响，项目的运行灵活性高，机组要能实现频繁启停和快速升降负荷的功能。启动响应要求高。在汽机启动时，要控制主蒸汽、一次再热蒸汽和二次再热蒸汽的压力、温度维持到设定的水平，以满足汽轮机各工况启动的要求，缩短启动时间，提高响应度。旁路系统的设置能使锅炉具有独立运行的能力，从而减少锅炉侧设备维修以后的调试时间。同时，在Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 17 期113不停炉工况下，为汽机侧的设备紧急检修创造条件。2.2本工程汽轮机厂提出的启动方式本期工程的主机为东方锅炉厂和上海汽轮机厂的主机组合。上海汽轮机厂对二次再热汽轮机推荐采用超高压缸、高压缸、中压缸联合启动的方式。这种启动方式决定了汽轮机旁路须设高、中、低压三级串联旁路。2.3防固体颗粒物侵蚀锅炉的启停炉和变负荷过程中，炉膛燃烧工况变化幅度较大，叠加母材和氧化膜的热膨胀系数差异，会导致内壁氧化膜脱落，且氧化膜的厚度越厚，脱落所需应力越小。过快的启动速率，是其产生氧化物较多的一个重要原因2。因此在 620 再热的机组中，需合理设计启动时间，避免过快启动，引起氧化膜脱落。保证必要的锅炉启动时间，减少热应力冲击引起的氧化物。启动前旁路必须运转，锅炉出口蒸汽参数满足汽轮机进汽参数要求时，汽轮机才开始冲转，本工程锅炉在汽轮机冲转参数下的最小流量为 10%额定流量（极热态为 12%额定流量），旁路对减少颗粒有非常重要的作用。尽量加大启动旁路容量也是防止固体颗粒物侵蚀的一种措施，可以增加启动过程中锅炉受热面的蒸汽通流量，使得氧化物更容易被带走3。但当旁路容量增大到 65%以上时，低压旁路阀后蒸汽量将超过凝汽器设计容量。综合以上设计功能，并结合上海汽轮机厂、东方汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂提供的汽轮机启动方式，本工程设计高、中、低压三级串联旁路。2.4高、中、低压三级串联旁路系统的基本配置如下：高压旁路。锅炉过热器出口蒸汽通过高压旁路进入一次再热冷段管道后进入锅炉一次再热器入口。中压旁路。蒸汽由一次再热器出口经过中压旁路后通过二次再热冷段管道进入锅炉二次再热器。低压旁路。蒸汽由锅炉二次再热器出口通过低压旁路排至凝汽器。三级串联旁路的系统图如图 1 所示。图 1旁路系统方案原则图3旁路容量的选择计算3.1旁路容量的定义国内旁路系统容量一般是指蒸汽为额定参数时，旁路系统的通流量与锅炉额定蒸发量之比。因此，其高低旁路容量的定义如下：%100BMCRBMCR 阀的流量工况通过全开高压进汽全开高压旁路阀的流量工况主蒸汽参数下通过高压旁路容量%1002BMCRBMCR 中压进汽阀的流量工况通过全开第量过全开低压旁路阀的流工况再热蒸汽参数下通低压旁路容量根据以上定义，得出：%100BMCRBMCR 进汽阀的流量工况通过全开第1中压量过全开中压旁路阀的流工况再热蒸汽参数下通中压旁路容量由旁路系统容量的定义中可以看出，旁路容量是指在 BMCR 工况下旁路系统的通流能力。所以，在不同参数下旁路系统的容量是不相同的。3.2旁路容量的计算公式一般情况下，旁路工况均为临界工况。旁路阀出口蒸汽压力与入口蒸汽压力的比值远低于临界压比（对过热蒸汽来说，临界压比为 0.546）。此时，特定的旁路阀的通流量只与旁路阀入口的蒸汽参数有关，具体公式如下：11111236.0VPKKAGKK式中：G 为旁路通流量的数值，单位 t/h；为通流系数，与阀的开度有关；A 为通流面积的数值，单位 cm2；K 为绝热指数；P1为阀前压力的数值，单位 MPa；V1为阀前比容的数值，单位 m3/kg。可见，旁路容量和阀前蒸汽压力与比容比值的平方根成正比，即：11VPG 4旁路计算结果上海汽轮机厂提供的启动参数如表 2 所示。上海汽轮机厂推荐在锅炉最小直流负荷下，为了满足蒸汽温度的最小锅炉流量准则，同时，为了避免因高压排汽鼓风发热造成停机，取尽可能大的旁路容量。根据前述本工程旁路的功能要求，结合汽机在不同工况下启动的蒸汽参数要求，对旁路系统的容量进行计算。高、中、低压旁路计算结果分别如表 3表 5 所示。RH2HP逆止阀HP旁路阀RHVHP逆止阀VHP调节阀LPIP旁路阀IPIP调节阀HPVHPHP旁路阀VHP-BP1 旁路VHP 通风阀IHP-BP2旁路IP-BP3旁路HP 通风阀HP调节阀科技与创新Science and Technology&Innovation1142023 年 第 17 期表 2上海汽轮机厂的启动运行方式及冲转参数启动状态冲转方式主蒸汽压力/MPa（a）主蒸汽温度/一次再热蒸汽压力/MPa一次再热蒸汽温度/二次再热蒸汽压力/MPa二次再热蒸汽温度/冷态超高/高/中压84002.53800.8380温态超高/高/中压84002.54200.8420热态超高/高/中压145402.55200.8520极热态超高/高/中压145402.55400.8540表 3高压旁路计算结果计算项目冷态启动温态启动热态启动极热态启动BMCR入口蒸汽压力/MPa（a）8.008.0014.0014.0032.00入口蒸汽温度/400440540560600入口蒸汽比容/（m3kg-1）0.034 30.037 40.024 30.025 10.010 6入口蒸汽焓/（kJkg-1）3 141.63 248.73 432.43 485.13 423.9入口蒸汽流量/（th-1）282.50282.50282.50339.001 271.25出口蒸汽压力/MPa（a）2.6502.6502.6502.65011.986出口蒸汽温度/270.0315.0380.0420.0438.3出口蒸汽焓/（kJkg-1）2 928.33 042.73 193.43 282.83 177.2减温水压力/MPa（a）12.612.612.612.639.0减温水温度/190.0190.0190.0190.0190.0减温水焓/（kJkg-1）812.9812.9812.9812.9826.6减温水流量/（th-1）28.526.128.427.8133.5出口蒸汽流量/（th-1）311.0308.6310.9366.71 404.70旁路蒸汽在 BMCR 工况下折算流量/（th-1）1 016.61 061.5646.7789.41 271.3旁路阀选取容量/（%）45表 4中压旁路计算结果计算项目冷态启动温态启动热态启动极热态启动BMCR入口蒸汽压力/MPa（a）2.5002.5002.5002.50011.194入口蒸汽温度/380420520540623入口蒸汽比容/（m3kg-1）0.116 00.124 10.143 80.147 60.035 1入口蒸汽焓/（kJkg-1）3 196.13 285.13 506.43 540.83 669.5入口蒸汽流量/（th-1）311.00308.60310.90366.701 404.70出口蒸汽压力/MPa（a）0.880.880.880.883.71出口蒸汽温度/300.0350.0400.0435.0442.5出口蒸汽焓/（kJkg-1）3 055.23 160.93 266.33 340.43 318.1减温水压力/MPa（a）6.06.06.06.020.0减温水温度/190.0190.0190.0190.0190.0减温水焓/（kJkg-1）809.7809.7809.7809.7816.6减温水流量/（th-1）19.516.330.429.0197.3出口蒸汽流量/（th-1）330.50324.90341.20395.801 602.01旁路蒸汽在 BMCR 工况下折算流量/（th-1）1 195.51 227.11 330.71 590.81 404.7旁路阀选取容量/（%）45