楊栩灃，李 琴

（1.江蘇闞山發(fā)電有限公司生產(chǎn)技術部；2.江蘇闞山發(fā)電有限公司設備維修部，江蘇 徐州221134）

0 前言

電廠汽輪機旁路系統(tǒng)是單元制大型火力發(fā)電機組熱力系統(tǒng)的重要輔助系統(tǒng)，它可將鍋爐產(chǎn)生的蒸汽部分或全部不經(jīng)過汽輪機而引到低一些的壓力和溫度的蒸汽管道或凝汽器中。旁路系統(tǒng)主要用于解決鍋爐和汽機用汽量之間的不匹配等問題，以保障機組的安全穩(wěn)定運行，并改善機組啟停和接帶負荷的特性［1－2］。鑒于此，眾多研究人員針對旁路系統(tǒng)開展了大量研究，其中楊冬等［3－5］針對不同類型汽輪機組的旁路設計和容量參數(shù)的選擇進行了詳細論述，對不同的旁路運行方式進行了說明。

1 旁路系統(tǒng)的組成及作用

1.1 旁路系統(tǒng)的組成

電廠汽輪機旁路系統(tǒng)的型式、容量和控制水平與汽機及鍋爐的型式、結構、性能及電網(wǎng)對機組運行方式都密切相關。為保證機組安全經(jīng)濟運行，每臺汽輪機都設有旁路系統(tǒng)，就目前大容量機組而言，通常由高壓旁路和低壓旁路組成，如圖1所示。每個旁路分別由旁路閥、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構和旁路蒸汽管道構成。

圖1 電廠汽輪機旁路系統(tǒng)示意圖

1.2 旁路系統(tǒng)的主要作用

旁路系統(tǒng)的主要作用體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）在機組啟動時，可通過高低壓旁路系統(tǒng)將不符合參數(shù)要求的蒸汽排入凝汽器，并對過熱器和再熱器系統(tǒng)進行預熱，保護再熱器不干燒和超溫；同時可調(diào)整主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)，協(xié)調(diào)蒸汽壓力、溫度與汽機金屬溫度的匹配，保證汽輪機各種工況下的啟動要求，以縮短機組啟動時間和減少工質(zhì)損失。

（2）在機組運行時，可協(xié)調(diào)機爐間不平衡蒸汽量。利用旁路系統(tǒng)在變負荷瞬時排掉過剩的蒸汽，使機組能適應頻繁起停和快速升降負荷，并將機組承壓部件的熱應力控制在合適的范圍內(nèi)，同時鍋爐可維持在最低負荷下穩(wěn)定運行，實現(xiàn)停機不停爐的運行方式。

（3）在機組突然甩負荷（全部或部分負荷）時，可實現(xiàn)旁路系統(tǒng)快開，回收工質(zhì)至凝汽器，保證鍋爐運行的穩(wěn)定性，減少甚至避免安全門動作。

（4）旁路系統(tǒng)還具有暖管、清洗、減少汽閥和葉片侵蝕等作用。

2 江蘇闞山發(fā)電廠旁路系統(tǒng)存在的問題分析

2.1 闞山發(fā)電廠旁路系統(tǒng)簡介

江蘇闞山發(fā)電廠一期工程共裝備了2臺容量為600MW的超超臨界燃煤發(fā)電機組，其中汽輪機為引進技術制造的一次中間再熱、單軸、2缸2排汽凝汽式汽輪機。汽輪機主汽門前額定參數(shù)為25MPa／600℃，再熱蒸汽門前額定參數(shù)為：4.3MPa／600℃，汽輪機排汽壓為5.1kPa。由于本電廠機組主要承擔電網(wǎng)的基荷發(fā)電任務，發(fā)電機組能保證較高的運行負荷率，故汽輪機配置了僅用于機組啟動的一級大旁路（氣動），旁路容量為35%BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）。根據(jù)設計要求，此旁路系統(tǒng)不具備機組甩負荷的保護功能，旁路系統(tǒng)的流程如圖2所示。

在圖2中，旁路系統(tǒng)是由旁路調(diào)節(jié)門、旁路管道、減溫減壓系統(tǒng)、管道疏水組成。本機組旁路系統(tǒng)中，旁路調(diào)節(jié)閥則是最重要的部件之一，其型號為VLB－72BTC，由CCI公司生產(chǎn)提供，主要技術參數(shù)見表1。

圖2 闞山電廠汽輪機旁路的系統(tǒng)流程圖

表1 汽輪機旁路閥的技術參數(shù)

2.2 現(xiàn)有旁路系統(tǒng)存在的問題

江蘇闞山發(fā)電有限公司現(xiàn)有的2臺機組旁路系統(tǒng)于2007年10月和2008年1月正式投入使用，經(jīng)過長期的運行后出現(xiàn)了內(nèi)漏等情況，使得未做功的新蒸汽直接流入凝汽器中，從而造成了機組的經(jīng)濟性下降。

2.3 問題分析

根據(jù)參考文獻［6－7］所述，由于旁路系統(tǒng)中的旁路閥長期工作在高溫高壓條件下，極易出現(xiàn)蠕變和熱疲勞等問題，對閥門和旁路系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不利影響，所以林鵬等［6］采用有限元分析方法對某330MW汽輪機的旁路閥門進行模擬分析，研究了閥門閥體的溫度場和應力場，并得出不同工況下溫度場及其對應的應力場的變化規(guī)律；陳宇等［7］也對旁路系統(tǒng)中的閥門選用及后期檢測進行了詳細說明。因此，本作者認為，我廠現(xiàn)有旁路系統(tǒng)存在的問題的原因可能是旁路閥泄漏故障。

設備檢修時，經(jīng)過對旁路閥門解體發(fā)現(xiàn)，旁路閥在運行后密封面損傷嚴重，出現(xiàn)較大面積的沖刷凹坑，證明判斷是正確的。受損的閥芯和閥座分別如圖3～4所示。

圖3 受沖刷后的旁路閥閥芯

圖4 受沖刷后的旁路閥閥座

旁路閥受損如此嚴重，主要原因是長期在高溫高壓環(huán)境下工作，隨時可能會發(fā)生蠕變、熱疲勞、過熱氧化、滲碳、腐蝕等現(xiàn)象，導致材料性能縮減較快。旁路閥在工作中除承受工質(zhì)的高壓作用外，同時由于工況的變化和噴水降溫的作用，較短時間內(nèi)因溫度劇烈變化所引起的熱沖擊和熱載荷影響也較大。作為汽輪機旁路的一級大旁路，主蒸汽經(jīng)旁路閥直接減溫減壓后排入凝汽器，閥門前后壓差非常大。在機組正常運行中，旁路閥前蒸汽參數(shù)即為主蒸汽參數(shù)，達到25MPa／600℃，因此旁路閥在調(diào)節(jié)過程中極易被吹損。而且，一旦閥門的閥座出現(xiàn)少量泄漏，閥門密封受損面在高溫高壓蒸汽的吹掃下也會迅速擴大，導致閥門泄漏量的逐步增加，對機組的安全性和經(jīng)濟性均產(chǎn)生了較大影響。

由于旁路閥后的管道為碳鋼管道，且直接與凝汽器連接，為避免閥后溫度過高，運行中的閥后減溫水會間斷自動投入。因旁路閥受損，減溫水調(diào)節(jié)閥的開度保持在2%～5%之間，大量的高品質(zhì)蒸汽未完成預定的做功流程，使得機組的出力和經(jīng)濟性大幅下降。通過一定的參數(shù)測量，并借助式（1）和式（2），計算得出旁路系統(tǒng)的高溫蒸汽泄漏量達到了7t／h。

式中：Dl、Dw、DR分別為旁路漏汽量、減溫水流量和減溫減壓后的工質(zhì)流量，t／h；h1、hw、hR分別為泄漏蒸汽焓、減溫水焓和減溫減壓后的工質(zhì)焓，kJ／kg。

3 解決方案

3.1 常規(guī)方案

旁路閥在運行中多次出現(xiàn)上述受損情況，一般僅采用簡單修復或者整體更換的應對措施。

對于閥門密封面損傷較輕的情況，常用的解決方案主要是聯(lián)系閥門制造廠對閥門密封面的研磨處理。但經(jīng)過多次修復后，閥門密封面中的硬質(zhì)合金將減少甚至全部磨損，造成閥門無法使用，正常運行中閥門仍會存在泄漏等故障。

對于閥門密封面損傷嚴重的情況，無法利用研磨進行妥善處理，也無修復的價值，需要對閥芯和閥座進行整體更換。但由于閥門空間內(nèi)十分狹小，閥座是焊接在閥體上，需使用專用車床來完成閥座切割工作，更換后閥座后還需要焊接、研磨等工作，工作量較大，耗費的時間也較長。同時，旁路系統(tǒng)的管道材質(zhì)為F92，不允許進行多次焊接和熱處理，這也在很大程度上限制了閥芯閥座的整體更換次數(shù)。在多次對旁路閥進行解體檢修和更換閥芯后，發(fā)現(xiàn)檢修效果維持的時間仍不長，機組投運一個星期后均會發(fā)生泄漏。

本電廠也提出了對旁路閥內(nèi)部構件進行改造的解決方法，但生產(chǎn)廠家未能提供合適的改造方案，同時也不能夠保證在改造后閥門不發(fā)生泄露，因此該方案未加以實施。

總體而言，現(xiàn)有的常規(guī)處理方法不能夠及時且有效地處置旁路閥受損等情況，嚴重影響了機組的正常生產(chǎn)過程。因未能夠徹底地解決閥門長期且極易受損的既定事實，不僅增加了機組的設備檢修和運行維護成本，同時也影響到了機組的安全可靠性。

3.2 解決方案的提出及效果

3.2.1 解決方案的提出

針對旁路閥所存在的問題和現(xiàn)有處理方法的不足，應該將解決思路轉(zhuǎn)向旁路系統(tǒng)流程的改進等方面。

闞山發(fā)電廠旁路系統(tǒng)設計是35%BMCR的啟動旁路，旁路閥具備快開快關功能，但是機組正常運行時僅使用了閥門的快關功能，在鍋爐超壓時，旁路閥不參與主蒸汽的調(diào)壓作用。不難看出，旁路閥的作用僅體現(xiàn)在機組的啟停機階段，因此可以通過在閥前增設緩沖裝置來阻止高溫高壓蒸汽與旁路閥的直接接觸，以改善旁路閥的工作環(huán)境，從而降低旁路閥的故障率。

基于以上改進思路，在旁路閥前設置一套隔離閥門（隔離閥），在機組正常運行時，關閉隔離閥，以保證旁路系統(tǒng)有效隔絕，從而改善旁路閥的工作環(huán)境。在機組的啟動和停機階段，當指令要求開啟旁路閥時，隔離閥先于旁路閥開啟；當指令關閉旁路閥時，隔離閥在旁路閥之后關閉，這樣可以保證旁路閥的功能正常實現(xiàn)。通過合理的閥門控制系統(tǒng)調(diào)整，可以保證旁路閥的正常功能不受影響。

3.2.2 解決方案的實施及效果

通過對旁路系統(tǒng)現(xiàn)場管道的布置形式和增加閥門后支吊架受力情況進行細致分析，最后確定在汽輪機旁路閥前的母管上增加一只隔離閥。增加隔離閥后的旁路系統(tǒng)如圖5所示。

闞山發(fā)電廠已有的2臺機組旁路系統(tǒng)均按照上述方案進行了改造，目前兩臺機組旁路系統(tǒng)在未投入減溫水情況下，旁路閥后溫度維持在38℃左右。在機組滿負荷運行時，也對旁路隔離閥和旁路閥進行了開關試驗，閥門開關靈活，能夠保證旁路系統(tǒng)的安全運行。這提高了機組的運行安全可靠性程度。

因很好地避免旁路閥密封面受損，主蒸汽漏量減少了約7t／h，由此可增加的機組發(fā)電出力ΔP可按式（3）進行計算，由此機組的熱耗率Δq和發(fā)電煤耗率Δb等經(jīng)濟性指標降低量可由式（4）和式（5）得出。

式中：h0為排汽焓；h′0為飽和凝結水焓，kJ／kg；B為機組的燃煤消耗量，kg／s。

經(jīng)計算，減少7t／h主蒸汽的泄露量，機組的熱耗率可降低29.3kJ／kW·h，減少煤耗0.36%，約1g／kW·h，若機組的年運行小時按照5 500h進行計算，每臺機組的年節(jié)煤量將達到3 128.4t左右。僅降低煤耗這一項，即可帶來非?？捎^的經(jīng)濟效益，同時也將降低各類污染物的排放量。

4 結語

旁路閥作為流體調(diào)節(jié)控制設備，是汽輪機旁路系統(tǒng)的重要組分部分。根據(jù)闞山發(fā)電廠的運行經(jīng)驗，旁路閥在投產(chǎn)不久均發(fā)生密封面磨損和蒸汽泄漏等故障，嚴重影響了機組的運行經(jīng)濟性，也威脅到機組的安全穩(wěn)定運行。

常用對密封面進行研磨或整體更換閥芯閥座等處理方式并不能對該問題進行徹底解決。對此，提出了一種在旁路閥前增設隔離閥的流程改進措施，改善了旁路閥的工作環(huán)境，避免了高溫高壓蒸汽對旁路產(chǎn)生直接沖擊，降低了旁路閥的故障率。根據(jù)改進后的設備檢測，旁路閥能保持良好的運行狀態(tài)，能改善機組啟停特性。同時通過降低因旁路閥受損所造成的蒸汽泄漏，可提高機組的熱效率，機組的發(fā)電煤耗能降低約1g／kW·h，帶來可觀的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

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