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汽轮机旁路系统
第八章旁路系统
大型中间再热机组均为单元制布置，为了便于机组启停、事故处理及特殊要求的运行方式，解决低负荷运行时机炉特性不匹配的矛盾，根本上均设有旁路系统。
所谓的旁路系统是指锅炉所产生的蒸汽局部或全部绕过汽轮机或再热器，通过减温减压设备〔旁路阀〕直接排入凝汽器的系统。
1．旁路系统的作用
1）缩短启动时间，改善启动条件，延长汽轮机寿命
2）溢流作用：
即协调机炉间不平衡汽量，溢流负荷瞬变过程中的过剩蒸汽。
由于锅炉的实际降负荷速率比汽机小，剩余蒸汽可通过旁路系统排至凝汽器，使机组能适应频繁启停和快速升降负荷，并将机组压力部件的热应力控制在适宜的范围内
3）保护再热器：
在汽轮机启动或甩负荷工况下，经旁路系统把新蒸汽减温减压后送入再热器，防止再热器干烧，起到保护再热器的作用
4）回收工质、热量和消除噪声污染：
在机组突然甩负荷〔全部或局部负荷〕时，旁路快开，回收工质至凝汽器，改变此时锅炉运行的稳定性，减少甚至防止平安阀动作
2．机组旁路系统型式
1）两级串联旁路系统
由高压旁路和低压旁路组成，这种系统应用广泛，特点是高压旁路容量为锅炉额定蒸发量的30％～40％，对机组快速启动特别是热态启动更有利。
2）两级并联旁路系统
由高压旁路和整机旁路组成，高压旁路容量设计为10％～17％，其目的是机组启动时保护再热器，整机旁路容量设计为20％～30％，其目的是将各运行工况〔启动、电网甩负荷、事故〕多余蒸汽排入凝汽器，锅炉超压时可减少平安阀动作或不动作。
3）三级旁路系统
由高压旁路、低压旁路和整机旁路组成，其优点是能适应各种工况的调节，运行灵活性高，突降符合或甩负荷时，能将大量的蒸汽迅速排往凝汽器，以免锅炉超压，平安阀动作。
但缺点是设备多、系统复杂、金属耗量大、布置困难等。
4）大旁路系统
锅炉来的新蒸汽绕过汽轮机高、中、低压缸经减温减压后排入凝汽器，其优点是系统简单、投资少、方便布置、便于操作；缺点是当机组启动或甩负荷时，再热器内没有新蒸汽通过，得不到冷却，处于干烧状态。
3．旁路容量选择
旁路系统容量是指额定参数时旁路系统的通流量与锅炉额定蒸发量的比值，
即：
K=Do/Dn×100％
式中K－旁路容量
Do－额定参数时旁路系统的流量
Dn－锅炉额定蒸发量
旁路系统的容量应能满足机炉允许运行方式的要求，不同的机炉允许运行方式对旁路容量的要求是不同的。
1）启动要求
汽轮机在冷态、热态或温态启动时，汽缸金属温度分别在不同的温度水平上，为了满足汽轮机不同状态的启动要求，使蒸汽参数与汽缸金属温度匹配，防止过大的热应力，要求旁路系统满足一定的通流量，来提高主、再热蒸汽温度和压力。
尤其是在热态启动时，汽缸金属温度很高，为提高蒸汽参数必须有很大的旁路容量。
对于采用中压缸启动方式的机组，为保证负荷切换时稳定过渡，高压旁路容量还应选的大一些。
因此，为满足机组启动要求，旁路系统容量应在30％～50％以上。
2）锅炉最低稳定负荷的要求
对于停机不停炉的运行工况，旁路应能排放锅炉最低稳定负荷的蒸汽量。
在自然循环锅炉中，负荷降低，水冷壁中工质流量减小，其最低负荷受到水循环被破坏的限制；对于工质一次上升的直流炉，为了保证锅炉蒸发受热面、过热器和再热器受热面必要的冷却，锅炉最低负荷对旁路也有一定的要求。
目前从满足锅炉最低负荷要求旁路系统容量按30％进展考虑。
图8－1旁路系统示意图
3）甩负荷的要求
汽轮机甩负荷以后，可以选择不同的运行方式，如停机即停炉、停机不停炉、带厂用电运行或汽轮机维持空转等。
假设要求锅炉过热器平安阀不动作，那么旁路系统的容量应足够大，通常设置为100％的高压旁路，假设允许锅炉过热器平安阀瞬时动作，那么旁路容量主要按锅炉最低稳燃负荷考虑，可选择30％～50％。
4）低压旁路的选择
在选择低压旁路时，应考虑对再热器流动状态的干扰尽可能小，并保持凝汽器工况稳定。
当汽轮机甩负荷时，如不希望再热器平安阀动作，那么低压旁路的容量应为100％，假设再热器平安阀允许瞬间开启，那么低压旁路的容量可取为60％～70％。
4．高压旁路
高压旁路系统装置由高压旁路阀〔高旁阀〕、喷水调节阀、喷水隔离阀等组成。
（1）技术标准
表8－1高压旁路技术标准
技术参数名称
单位
设计工况
冷态启动
温态启动
热态启动
极热态
高
压
蒸汽
旁
路
阀
入口蒸汽压力
MPa〔a〕
8.73
8.73
10
14
入口蒸汽温度
℃
538
390
440
450
485
入口蒸汽流量
t/h
781
260
260
330
335
出口蒸汽压力
MPa〔a〕
1.21
1.21
出口蒸汽温度
℃
307
～220
～230
～240
～260
出口蒸汽流量
t/h
295
292
371
378
进/出口管道设计压力
MPa〔a〕
进/出口管道设计温度
℃
548/320
高压喷水调节阀
计算压力
MPa〔a〕
计算温度
℃
111
111
111
111
111
计算流量
t/h
减温水管道设计压力
MPa〔a〕
34
减温水管道设计温度
℃
250
（2）高旁阀构造
高旁阀兼有减温减压、调节、截止的作用。
新蒸汽由上部管道引入阀进口滤网，经阀头至阀出口滤网，蒸汽由于缩放作用而减压，减温水从阀下部减温水喷嘴进入，高温蒸汽被减温后进入阀后连接收道。
见图6－2。
（3）高压旁路控制
高旁阀的执行机构为气动，在失气时，阀门处于关闭状态并自动闭锁。
高旁减温水调节阀根据高旁压力和蒸汽温度进展调节，同时承受低旁开度和主蒸汽压力的修正，在高旁未开的情况下减温水调节阀强关。
高压旁路的控制功能：
1）主蒸汽压力达高限时，快速开启高旁阀防止锅炉超压。
2）主蒸汽压力增长速率开启。
当压力增长速率超过第一值时，高旁阀调节开启，超过第二值时快速开启，保证主蒸汽压力变化平稳。
3）接到汽轮机跳闸或发电机解列信号时，高旁阀迅速开启。
4）高旁减温水压力达高限时，快速关闭高旁阀。
高旁阀后的蒸汽温度达高限时，快速关闭高旁阀。
01－阀座；02－阀盖；03－阀进口滤网；04－阀出口滤网；
05－阀体；06－阀杆；07－阀头；08－减温水喷嘴；
图8－2高压旁路阀示意图
5．低压旁路
低压旁路系统装置由低压旁路阀〔低旁阀〕、喷水调节阀、喷水隔离阀、凝汽器入口减温减压器等组成。
（1）技术标准
表8－2低压旁路技术标准
技术参数名称
单位
设计工况
冷态启动
温态启动
热态启动
极热态
低
压
蒸
汽
旁
路
阀
入口蒸汽压力
MPa〔a〕
入口蒸汽温度
℃
566
340
400～420
425
465
入口蒸汽流量
t/h
826
160
176
214
215
出口蒸汽压力
MPa〔a〕
0.6
0.6
0.6
0.6
出口蒸汽温度
℃
171
171
171
171
171
出口蒸汽流量
t/h
177
204
256
265
技术参数名称
单位
设计工况
冷态启动
温态启动
热态启动
极热态
进/出口管道设计压力
MPa〔a〕
进/出口管道设计温度
℃
573/250
低压喷水调节
阀
计算压力
MPa〔a〕
3
3
3
3
计算温度
℃
5
计算流量
t/h
17
28
42
52
减温水管道设计压力
MPa〔a〕
减温水管道设计温度
℃
150
注：
表中的低压旁路阀、低压喷水调节阀的容量均为低压旁路的总容量。
（2）低旁阀构造
低旁阀与高旁阀同样，兼有减温减压、调节、截止的作用。
低旁阀构造见图6－3。
01－阀座；02－阀盖；03－阀进口滤网；04－阀出口滤网；
05－阀体；06－阀杆；07－阀头；08－减温水喷嘴；
图8－3低压旁路阀示意图
（3）三级减温减压器
采用三级减压、一次喷水减温的构造形式。
图6－4为三级减温减压器示意图。
MPa。
在壳体内壁沿圆周方向均布设有4个雾化喷嘴，从凝结水系统来的减温水雾化后与蒸汽充分混合汽化到达减温的目的。
经过第一级减温减压后的蒸汽通过壳体内锥形喷网上的数个小孔，进展第二次临界膨胀降压，扩散到减温减压器后部区域，使蒸汽进一步扩容降压到0.1a，使蒸汽最终扩散到整个凝汽器区域。
旁路投入时，减温喷水必须同时投入，否那么将导致进入凝汽器内的蒸汽温度超过允许值，对减温减压器和凝汽器造成损害。
喷水源取自凝结水杂用系统，设计压力为MPa，总喷水量约t/h，喷水经过滤后通过喷水调节阀接入减温减压器，以防喷孔堵塞。
减温减压器的喷水系统中的喷水控制阀应与低压旁路阀动作信号联锁，当低压旁路阀动作时，喷水控制阀相应动作，喷入冷却水。
图6－4三级减温减压器示意图
（4）低压旁路控制
低旁阀的执行机构为气动，在失气时，低旁阀处于关闭状态并自动闭锁。
低压旁路最终是将蒸汽排入凝汽器。
但当凝汽器故障时，必须立即切断向凝汽器的排汽，低旁减温水调节阀根据低旁的压力和蒸汽温度进展调节，在低旁未开的情况下减温水调节阀强关。
低旁控制功能如下：
1）根据汽轮机调节级压力，来维持再热蒸汽的压力与机组负荷匹配。
2）再热蒸汽升压率超过规定值时，快速开启低压旁路阀，维持再热蒸汽压力平稳上升。
3）凝汽器压力达高限〔即真空低〕时，快速关闭低旁阀，保护凝汽器。
4）凝汽器温度达高限时，快速关闭低旁阀，保护凝汽器。
5）凝汽器水位达高限时，快速关闭低旁阀，保护凝汽器。
6）低压旁路减温水压力低时，迅速关闭低旁阀。
6．机组旁路系统运行
旁路系统能否正常运行，直接影响机组的运行可靠性，旁路系统的运行方式与汽轮机的运行方式密切相关。
旁路阀的操作机构有气动、液动和电动三种。
气动操作机构采用厂用压缩空气系统的气源，系统简单，动作时间一般为2～3S，由于系统不用可燃工质因而对机组没有高温着火的威胁；液动操作机构的特点是动作迅速、开启时间短〔一般1～2S〕，但系统较复杂，运行费用和维护工作量大，特别是布置在高温管道区的操作装置必须采取有效的防火措施；电动操作机构力矩小，动作时间长〔一般需40S〕，但操作维护简单，工作可靠，它只能起到机组启动调节功能的作用，不能作为平安阀使用。
气动操作介于液动操作和电动操作之间，同时具备两种系统的优点，动作时间能满足锅炉平安阀的需求，又没有液动机构的复杂系统和维护工作量，本机组的旁路阀采用气动操作机构。
高压旁路的运行有四种运行方式，分别为“启动模式〞、“定压模式〞、“跟随模式〞、“停机模式〞。
（1）
旁路启动
图8－5高压旁路启动曲线
操作员选择“启动模式〞或来自DCS的“Boilerfireon〞〔锅炉点火〕信号激活高压旁路进入“启动模式〞。
高压旁路的“启动模式〞下旁路压力设定有三种状态，分别为“Minpressure〞〔最小压力模式〕、“pressureRamp〞〔升压模式〕和“Restart〞〔重启模式〕。
当旁路压力设定处于“Minpressure〞〔最小压力模式〕或“pressureRamp〞〔升压模式〕时，高压旁路就产生“启动模式〞信号。
在锅炉升压时，如果发生锅炉燃烧不稳定，燃料下降将关闭高压旁路阀，锅炉升压中断，激活“Restart〞〔重启模式〕；在“Restart〞〔重启模式〕下，压力设定一直跟随主蒸汽压力，经调整锅炉燃烧稳定后，主蒸汽压力开场增大，重新开启高压旁路阀，翻开旁路阀压力仍小于汽轮机的冲转压力Psyne，压力设定继续处于“pressureRamp〞〔升压模式〕，假设大于汽轮机的冲转压力Psyne，“启动模式〞自动解除，机组旁路自动进入“定压模式〞。
当锅炉点火时，主蒸汽压力低于最小设定值，压力设定处于“Minpressure〞〔最小压力模式〕，高旁系统要有少量蒸汽，以防止再热器干烧，高旁阀就有一定的开度Ymin＝10％并保持该最小开度直至主蒸汽压力最小设定值Pmin为止；维持压力最小设定值Pmin，高旁阀的开度随着锅炉燃烧量的增加而开大，直到预先设定的开度值Yramp＝30％并维持这开度；随锅炉燃烧量的继续增加，主蒸汽压力上升到大于最小设定值Pmin时进入“pressureRamp〞〔升压模式〕，高旁阀继续维持设定的开度值Yramp＝30％，至汽轮机的冲转压力Psyne，“启动模式〞自动解除，机组旁路自动进入“定压模式〞，随着汽轮机高压调阀的开度增大，高旁阀逐渐关小维持主蒸汽压力直至全关。
一旦高旁阀全关，高压旁路系统即自动转入“跟随模式〞，处于热备用状态。
根据机组启动状态确定冲转前再热蒸汽的压力，低压旁路阀在再热蒸汽压力小于低旁压力最小设定值Pmin时一直处于关闭状态，把低旁压力设定设为“自动〞，在“自动〞方式下，低旁压力设定有汽机中压缸第一级压力产生，低旁阀的开度根据低旁压力设定和热再实际压力的比拟通过比例积分得到，同时承受低旁最大压力Pmax=0.5MPa限制；机组接带负荷后，为了维持再热蒸汽压力与机组负荷匹配，低旁阀逐渐关小，到达一定负荷高旁阀关闭后低旁阀也全关。
高压旁路启动曲线见图8－5。
（2）旁路切换
经5％初负荷暖机后，开场由中压缸进汽转入高压缸进汽，这种进汽方式的切换被称为旁路的切换过程。
旁路的切换过程的操作如下：
1）继续增大中压调阀及高旁路阀的开度，使之处于全开状态，当中压调阀接近全开时，紧急排放阀关闭；与此同时减小低旁阀的开度，以使再热蒸汽压力保持在一定的范围。
2）开启高压调阀使主汽进入高压缸，关闭高压缸通风阀，开启高排逆止阀；增大高压调阀的开度，继续升负荷，因为主汽压力维持在设定值，此时高压旁路阀开度减小。
3）高压调阀控制进汽，中压缸启动方式完成。
此时，中压调阀全开，低旁阀全关。
为防止高压缸末级叶片过热，尽可能快地增大高压调节阀的开度，使进入高压缸的蒸汽流量与进入中压/低压缸的蒸汽流量相等。
旁路的切换区曲线图如图8－6。
旁路的切换完毕点的负荷值直接影响锅炉和汽机在启动过程中的稳定性。
为了防止高压缸末级叶片过热，必须保证高压缸有足够的流量，应尽可能增大高压调节阀的开度，故负荷要在很短时间内从5％初负荷升至旁路的切换完毕点。
假设切换点负荷太高时，锅炉燃烧率变化跟不上，造成主汽压力偏低，手动干预锅炉燃烧率，那么容易造成主汽压力过大，超过高压旁路的压力设定使高旁阀一直处于开启状态；但切换点负荷也不能过低，因为高压缸的进汽受限，要求高压缸进汽温度与低压缸金属温度之间的偏差要控制在一定的范围内，要求高压缸排汽压力必须高于再热蒸汽压力的设定值，防止出现高压缸小流量高背压而导致高压缸末级叶片过热，同时保证高排逆止阀能顺利翻开，否那么，高排逆止阀不能开启而导致中压缸启动失败。
（3）正常运行
在汽机带负荷正常运行，高压缸接收全部蒸汽，高压旁路阀已关闭，进入“跟随模式〞；旁路压力设定设在“自动〞，压力设定值为实际主汽压力加上一个差压“dP〞〔0.5MPa〕，以保证高压旁路阀关闭。
（4）停机时旁路运行方式
当机组方案停运时，检查高压旁路阀在“自动〞且DEH的“HPTurbineloaded〞〔高压缸启动后〕信号存在，机组处于正常运行，操作员选择“停机模式〞，高压旁路压力设定跟随主蒸汽压力，锅炉压力一旦增大高压旁路阀就会开启。
汽机打闸或手动开启高压旁路阀，“停机模式〞自动解除，机组旁路自动进入“定压模式〞；随着锅炉燃料的逐渐减少，旁路也逐渐关小；当锅炉灭火旁路阀关闭，旁路压力设定自动切到“跟随模式〞。
图8－6旁路切换区曲线
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