超超临界1000MW机组汽轮机启动方式及旁路系统选择探讨
1000MW Class Ultr a- Super cr itical Steam Turbine Star t- up and Bypass System Fashion Discuss
秦文学, 魏永志
( 华电国际电力股份有限公司,山东济南250001)
摘要: 对邹县发电厂1000MW超超临界机组汽轮机启动方式和旁路系统的配置方式进行了技术分析和经济比较, 通过
比较高压缸启动和中压缸的启动方式, 分析高压一级大旁路和两级旁路的安全性、经济性, 最终确定了邹县发电厂
1000MW超超临界机组汽轮机启动方式采用带高压一级简化大旁路的高压缸启动方式。
关键词: 1000MW超超临界机组汽轮机; 启动方式; 旁路系统
Abstr act: This article discussed Zouxian Power Plant 1000MW Class Ultra- Supercritical steam turbine start- up and bypass
system configure manner, by compare high pressure vat and low pressure vat start- up fashion, analysed technique and economy
between one stage big by- pass and two stage by- pass. Finally confimy high- pressue vat start - up and one stage big bypass
fashion.
Key words: 1000MW; Class Ultra- Supercritical steam turbine; start- up fashion; by- pass system
中图分类号: TK26 文献标识码: B 文章编号: 1007- 9904( 2006) 03- 0009- 04
前言
邹县发电厂四期工程2×1000MW超超临界机组, 在设计阶段, 由于汽轮机厂与锅炉厂在机炉匹配方面对汽轮机的启动方式和旁路系统的选择认识存在着分歧, 汽轮机启动方式和旁路方式的选择出现了几次反复, 通过详细的调研分析、技术论证和经济比较, 最终确定了汽轮机启动方式采用带高压一级简化大旁路的高压缸启动方案。
1 邹县电厂2×1000MW 超超临界机组启动方式及旁路选择问题的提出邹县电厂2×1000MW工程汽轮机由东方汽轮机厂与日立公司合作生产, 为超超临界、一次中间再热、四缸四排汽、单轴、双背压、凝汽式汽轮机。锅炉由东方锅炉公司与BHK、BHDB 合作生产, 为超超临界, 变压直流炉、单炉膛、一次再热、平衡通风、前后墙对冲燃烧、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。东方汽轮机厂从九十年代初开始研究、
分析大型机组中压缸启动, 日立亚临界600MW 中压缸启动方式已在邹县5#、6# 机上及内蒙古大唐托克托发电厂一期工程上经过运行实践。东汽厂基于上述因素在邹四工程1000MW超超临界汽轮机设计初期推荐中压缸启动方式, 但日立和BHK 公司表示在1000MW 等级超超临界参数机组上与BHK 的中压缸启动方式的匹配尚属首次, 其成熟的1000MW超超临界机组的启动方式是带高压一级大旁路的高压缸启动方式, 日立已投运的超超临界1000MW 机组因仅配10%～20%一级旁路, 故也只能采用高压缸启动, 如与BHK 匹配的常陆那珂电厂。日立的汽轮机由于其选材的原因, 壁厚较大,因金属热应力的因素其对匹配蒸汽的温度变化率要求较高, 从而导致启动时间较长, 由此提出了机组启动方式及旁路该如何选择的问题。
2 机组启动方式及旁路选择简介
机组的启动方式按带旁路和不带旁路的启动分为: 带旁路的高中压缸联合启动、中压缸启动、高压缸启动和不带旁路的高压缸启动方式。为适应电网对机组快速启动的要求并减少汽轮机本体金属寿命的消耗, 现在的大容量、高参数机组基本都采用带旁路的启动方式。
带旁路的启动系统为适应不同的启动方式又分为: 高、低压两级串联旁路和高压一级大旁路。
高、低压两级串联旁路适用于高中压缸联合启动和中压缸启动方式, 高压一级大旁路适用于高压缸启动方式。高、低压两级串联旁路如图1 所示, 高压一
HP IP LP
锅炉
冷凝器
通风阀
图1 高、低压两级串联旁路

级大旁路如图2 所示。
汽机旁路系统主要是协调锅炉和汽机用汽量之间的不平衡。在机组启动期间, 对过热器和再热器系统预热、加快启动速度。在机组甩负荷时, 将剩余蒸汽通过旁路系统, 使锅炉瞬变过渡工况运行稳定, 达到改善启动和带负荷特性, 减少机组的寿命消耗, 提高运行的安全性和经济性。
3 中压缸启动与高压缸启动方式的技术比较
3.1 邹四工程中压缸启动与高压缸启动对旁路系统的要求
(1) 关于中压缸启动方式
机组旁路系统型式: 汽机高、低压两级串联旁路。
机组旁路系统容量: 高旁的容量为锅炉最大出力(BMCR) 40 %, 低旁的容量为高旁的蒸汽流量与喷水流量的和。旁路容量应考虑适当的裕量( 不低于旁路容量的5 %) 。
机组旁路数量: 高压旁路为两路( 传统为一路,因本机组容量下高旁的容量为锅炉最大出力(BMCR)40 %的一个旁路, 各制造厂均无制造业绩,所以本工程暂按两个并联的20 %的高压旁路考虑) ,低压旁路为两路。
(2) 关于高压缸启动方式
机组旁路系统型式: 汽机高压一级大旁路。
机组旁路系统容量: 高旁的容量为锅炉最大出力(BMCR) 25 %( 制造厂推荐为30%, 计算为23%,加上裕量为25%) 。旁路容量应考虑适当的裕量( 不低于旁路容量的5 %) 。
机组旁路数量: 高压旁路一路( 经咨询本机组容量下旁路的容量为锅炉最大出力(BMCR) 25 %的一个旁路, 制造厂是有业绩的) 。
3.2 技术比较
( 1) 机组启动时间(min)
由上表可以看出除“极冷态启动”以外其他各启动工况, 中压缸启动方式的机组启动时间稍短于
高压缸启动方式。
(2) 系统配置
启动工况
中压缸
启动方式
高压缸
启动方式
时间差值
( 中压- 高压)
1 锅炉点火到汽机冲转时间
极冷态启动～650 650 0
冷态启动100 200 - 100
温态启动60 80 - 20
热态启动35 60 - 25
极热态启动12 32 - 20
2 汽机冲转到发电机同步时间(min)
极冷态启动360 185 +175
冷态启动145 185 - 40
温态启动40 40 0
热态启动15 20 - 5
3 发电机同步到机组带满负荷时间(min)
极冷态启动275 265 +10
冷态启动230 265 - 35
温态启动130 170 - 40
热态启动80 105 - 25
4 锅炉点火到机组带满负荷时间( 总的时间)
极冷态启动1285 1100 +185
冷态启动475 650 - 175
温态启动230 290 - 60
热态启动130 185 - 55
极热态启动94 157 - 63
极热态启动15 20 - 5
极热态启动67 105 - 38
中压缸启动方式高压缸启动方式
1
2
系统为两级串联旁路, 且高压旁路阀为两个, 低压旁路阀为两个, 系统复杂, 布置困难。( 设计院已按较复杂的布置进行了设计)系统为高压一级大旁路, 且高压旁路阀为一个, 无低压旁路, 系统简单, 布置方便。
为配合中压缸启动, 机组配有高压缸排汽通风系统(VV阀) 和预暖系统( 倒暖阀) 。有预暖系统。启动工况
中压缸
启动方式
高压缸
启动方式
时间差值
( 中压- 高压)
锅炉点火到汽机冲转时间(min)
极冷态启动～650 650 0
冷态启动100 200 - 100
温态启动60 80 - 20
热态启动35 60 - 25
极热态启动12 32 - 20
从系统配置的角度, 高压一级大旁路的高压缸启动方式比两级串联旁路的中压缸启动方式大大简化。
(3) 锅炉再热器干烧问题
由于中压缸启动方式, 锅炉再热器始终有蒸汽流量, 且能满足再热器不干烧的最小流量要求, 所以不存在再热器干烧的问题。
在本期工程上, 东锅厂和BHK 公司已提供有关资料证明本工程的再热器材料材质的选择能够满足高压缸启动的要求, 既锅炉再热器能满足干烧的要求。
(4) 运行业绩
日立已投运的超超临界1000MW 机组均采用高压缸启动。日立公司在日本国内的1000MW 超超临界机组均为双轴汽轮机: 高、中压缸一个轴系;两个低压缸一个轴系。本工程为单轴系汽轮机( 高压转子重24.2 吨, 中压转子重28.8 吨, A 低压转子重78.5 吨, B 低压转子重78.8 吨, 发电机转子重105 吨) 。从汽机冲转到发电机同步( 3000r/min) , 整个轴系和各轴段均将通过其临界转速。
3.3 小结
高压一级大旁路系统简单(投资少), 在启动时需要严格控制锅炉的燃烧率,另外, 再热管道的暖管升温较困难, 对机组热态启动不利,此类旁路适用带基本负荷的机组。
目前国内已投运的采用一级大旁路系统的超临界机组有绥中发电厂800MW 超临界机组, 后石600MW 超临界机组及南京电厂300MW 超临界机组等。主蒸汽经减压减温后直接排入凝汽器。绥中电厂锅炉由原苏联红色锅炉制造厂生产, 再热器可以干烧, 不需要介质冷却。后石电厂锅炉由MHI KOBE SHIPYARD &MACHINERY WORKS 公司生产, 汽轮发电机组采用日本三菱公司生产的超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽凝汽式机组。正在设计中的汕头( 600MW 超临界) 、太仓( 600MW 超临界) 电厂也采用一级大
旁路系统。
中压缸启动的优点主要体现在主蒸汽和再热蒸汽温度与汽轮机转子、汽缸的温度的匹配上,对于经常热态与极热态启动机组适宜采用中压缸启动方式。但其系统复杂, 投资大。
4 中压缸启动与高压缸启动的经济性比较
4.1 初投资对比
设置有高、低压两级串联旁路的中压缸启动模式比设置有高压一级大旁路的高压缸启动模式初投资两台机组多出$1500 万元～$2000 万元( 暂取$1700 万元) 。这样每台机组多出约$850 万元/每台。
采用最小年费用比较法, 计算公式如下:
A=P·I (1+I)n/((1+I)n- 1)+R+S=0.08549P+R+S
A—年费用
P- - 初投资
R - - 年运行费( 含电费、检修维护
费) ,
n—经济生产年( 20 年)
I- - 年利率( 贷款) 取0.0576
S- - 系统费用, 此处取零。
所以可以计算出设置有高、低压两级串联旁路的中压缸启动模式比设置有高压一级大旁路的高压缸启动模式初投资年费用多出约$ 74 万元/每台.年。
4.2 锅炉年运行费用( 耗油) 差值
锅炉点火到汽机冲转期间, 锅炉只能投油, 不能投粉。汽机冲转到30%BMCR 负荷, 何时投粉还未确定。所以暂按锅炉点火到汽机冲转时间来计算耗油量差值。

机组启动时间
中压缸启动方式高压缸启动方式
1 锅炉再热器不干烧
锅炉再热器干烧, 对锅炉
再热器的材料要求高。
机组年平均启停次数:
极冷态启动1 次/年
冷态启动1 次/年
温态启动2 次/年
热态启动3 次/年
极热态启动1 次/年
计算出机组每年从锅炉点火到汽机冲转采用中压缸启动比高压缸启动少用时235 分钟, 约4 小时。锅炉燃油系统最大进油量74.8t/h, 最小进油量10t/h, 系统最大回油量10t/h。从锅炉点火到汽机冲转锅炉用油量按25t/h 计, 0 号轻柴油价格按$3411 元/t。
这样可以算出每台机组每年采用中压缸启动比高压缸启动省油$34 万元。
4.3 小结
设置有高、低压两级串联旁路的中压缸启动模式比设置有高压一级大旁路的高压缸启动模式初投资每台机组多出约$850 万元。折算成初投资年费用则为$ 74 万元/每台.年。
每台机组每年采用中压缸启动比高压缸启动省油$34 万元/每台.年。
这样对比本工程若采用设置有高、低压两级串联旁路的中压缸启动模式比采用设置有高压一级大旁路的高压缸启动模式的年总费用( 包括初投资) 多出$ 40 万元/每台.年。
5 结论
( 1)在技术安全性
高压缸启动和中压缸启动方式对于1000MW超超临界机组均是可行、适用的。高压缸启动和中压缸启动分两个技术流派, 在美国及日本, 多采用25%容量以下的小旁路, 仅用于机组启动阶段, 有的甚至不配旁路, 超临界机组基本上采用高压缸启动, 小旁路配置。日立已投运的超超临界1000MW机组均采用高压缸启动。在欧洲, 旁路配置多采用大旁路, 甚至采用100%容量的高、低压旁路配置。采用高中压联合启动或中压缸启动。中压缸启动方式的机组启动时间短于高压缸启动方式( 除“极冷态启动”以外) , 在蒸汽温度与汽轮机转子、汽缸的温度的匹配上,在温态、热态与极热态启动方式采用中压缸启动优点突出, 但中压缸启动方式在极冷态启动工况相对于高压缸启动没有多少优点。
( 2) 经济上: 从两种启动方式需用的旁路系统配置看, 高压缸启动只需配置高压一级大旁路, 中压缸启动需配置二级串联旁路( 两路高旁、两路低旁配置) , 高压缸启动方式旁路系统配置大大简化,比中压缸启动方式的系统配置节省了初期投资。设置有高、低压两级串联旁路的中压缸启动模式比设置有高压一级大旁路的高压缸启动模式初投资每台机组多出约$850 万元。综合比较设置有高、低压两级串联旁路的中压缸启动模式比采用设置有高压一级大旁路的高压缸启动模式的年总费用( 包括初投资) 多出$ 40 万元/每台.年。
( 3) 检修维护方面: 从国内许多多数电厂旁路系统的运行、检修和维护经验看, 旁路系统越复杂,其安全、可靠性越差, 检修维护量越大。山东省内许多电厂出现过旁路系统故障、导致机组无法启动的事例。
( 4) 鉴于以上分析, 邹县四期2×1000MW 超超临界机组汽轮机启动方式确定为带高压一级简化大旁路的高压缸启动方式。旁路系统选择仅考虑机组启动的功能, 不考虑满足机组甩负荷等要求, 为启动简化旁路, 高旁的容量选择为25 %BMCR( 锅炉最大额定出力) 。□
参考文献:
[1] 冯伟忠, 1000MW 级火电机组旁路系统作用及配置
[J] 《中国电力》超临界机组汽轮机启动方式及旁路系统选择探讨.pdf