火力發(fā)電機(jī)組快速甩負(fù)荷功能設(shè)計(jì)方案研究

宋洪濤，楊立征

(中國華電工程(集團(tuán))有限公司，北京 100035)

0 引言

火力發(fā)電機(jī)組的快速甩負(fù)荷FCB(Fast Cut Back)是指機(jī)組因外部電網(wǎng)故障或內(nèi)部發(fā)電機(jī)－變壓器組故障導(dǎo)致機(jī)組主變壓器出線開關(guān)跳閘，瞬間甩掉全部對(duì)外供電負(fù)荷并維持發(fā)電機(jī)帶機(jī)組廠用電運(yùn)行(俗稱小島運(yùn)行)的功能。FCB功能的最大優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電時(shí)，機(jī)組可在電網(wǎng)故障消除后最短時(shí)間內(nèi)向系統(tǒng)重要負(fù)荷和系統(tǒng)內(nèi)其他電廠提供啟動(dòng)用電，是盡快恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行的首選方案。

2001年北美州地區(qū)大停電事件發(fā)生以后，世界各國對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性要求越來越高。我國電力行業(yè)設(shè)計(jì)、采購、施工 EPC(Engineer，Procure，Construction)總承包商在海外投標(biāo)項(xiàng)目中經(jīng)常需要面對(duì)FCB功能要求，在一些國家FCB甚至已經(jīng)成為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。雖然我國在20世紀(jì)80年代后引進(jìn)的部分火電機(jī)組配置了FCB功能，但很長一段時(shí)間小島運(yùn)行方式一直不被電力行業(yè)人士所看好。由于FCB功能在電廠運(yùn)行中的實(shí)用率較低，設(shè)計(jì)和調(diào)試中又存在很多問題，國內(nèi)設(shè)計(jì)中具有FCB功能的機(jī)組不多，能夠真正實(shí)現(xiàn)FCB功能的電廠更少，目前只有上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司等少數(shù)電站真正具有FCB功能。國內(nèi)的設(shè)計(jì)單位對(duì)FCB功能所要求的系統(tǒng)配置、設(shè)備選型和控制組態(tài)等方面還缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為配合國內(nèi)電力行業(yè)總承包商執(zhí)行海外EPC合同，避免由于FCB功能要求所導(dǎo)致的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，本文主要針對(duì)機(jī)組FCB的設(shè)計(jì)提供一些建議，與電力設(shè)計(jì)同行共勉。

1 FCB工況運(yùn)行過程概況

火力發(fā)電機(jī)組從正常工作狀態(tài)進(jìn)入到FCB工況運(yùn)行，需要經(jīng)歷FCB的投入、帶機(jī)組廠用電穩(wěn)定運(yùn)行和機(jī)組重新并網(wǎng)升負(fù)荷3個(gè)主要階段。

FCB工況投入的第1個(gè)階段是非常重要的階段，該階段的主要運(yùn)行目標(biāo)是汽輪機(jī)能夠維持3000 r/min的轉(zhuǎn)速，鍋爐能夠順利從正常運(yùn)行狀態(tài)降至不投油的最低穩(wěn)燃負(fù)荷狀態(tài)，保持機(jī)組工質(zhì)平衡，避免機(jī)組的任何保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致停機(jī)，任何機(jī)組停機(jī)都意味著FCB運(yùn)行失敗。由于鍋爐的熱慣性較大，動(dòng)作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于汽輪機(jī)的響應(yīng)速度，因此，機(jī)組至少需要5min才能進(jìn)入FCB工況的第2個(gè)階段。

FCB工況的第2個(gè)階段是一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行階段，汽輪發(fā)電機(jī)組通過中壓缸進(jìn)汽帶廠用電運(yùn)行。該階段的工作重點(diǎn)是維持中壓進(jìn)汽的壓力和溫度，避免汽輪機(jī)高壓缸運(yùn)行超溫和低壓缸排汽壓力過高。FCB工況是汽輪發(fā)電機(jī)組極其惡劣的運(yùn)行工況，對(duì)設(shè)備具有較大的損傷，通常該階段的運(yùn)行時(shí)間宜控制在30min之內(nèi)。由于還沒有法規(guī)明確規(guī)定FCB工況的運(yùn)行數(shù)據(jù)，EPC總承包商在海外項(xiàng)目談判的過程中也缺少法律依據(jù)，總承包合同通常要求適當(dāng)延長該時(shí)段，但最長運(yùn)行時(shí)間應(yīng)控制在2 h以內(nèi)，以避免機(jī)組可能存在的額外損傷。

FCB工況的第3個(gè)階段是外網(wǎng)故障消除，機(jī)組由FCB工況切換到并網(wǎng)發(fā)電的階段。該階段的工作目標(biāo)是調(diào)整鍋爐和汽輪機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，保持工質(zhì)平衡，汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)汽，將機(jī)組推進(jìn)到正常熱態(tài)啟動(dòng)模式，避免汽輪機(jī)的任何設(shè)備損失和保護(hù)動(dòng)作。

2 主機(jī)設(shè)備的運(yùn)行方式和要求

FCB工況是火力發(fā)電機(jī)組極為惡劣的運(yùn)行工況，該工況對(duì)鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組以及主要熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都提出了許多特殊的要求。EPC總承包商應(yīng)在主機(jī)選型階段就充分注意到FCB功能要求的特殊性，充分與主機(jī)制造商進(jìn)行FCB方案的研究和交流，只有在確認(rèn)主機(jī)供應(yīng)商具備設(shè)計(jì)和制造FCB機(jī)組能力的基礎(chǔ)上，才能簽署技術(shù)協(xié)議和供貨合同。

在合同執(zhí)行階段，汽輪機(jī)供應(yīng)商應(yīng)首先明確機(jī)組在FCB 3個(gè)不同階段進(jìn)汽參數(shù)和流量的要求，包括FCB各個(gè)階段壓力、溫度、負(fù)荷和流量的變化曲線以及FCB運(yùn)行工況對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的壽命影響分析。鍋爐制造商將根據(jù)汽輪機(jī)的要求，完善鍋爐快速甩負(fù)荷的設(shè)計(jì)方案，以保證鍋爐的運(yùn)行參數(shù)與汽輪機(jī)相匹配，保持機(jī)組工質(zhì)平衡，避免主燃料跳閘(MFT)保護(hù)動(dòng)作。在鍋爐和汽輪機(jī)方案研究的基礎(chǔ)上，由電力設(shè)計(jì)院牽頭進(jìn)行研究，確定機(jī)組旁路系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)、鍋爐給水系統(tǒng)和凝結(jié)水系統(tǒng)的基本配置和主要附屬設(shè)備選型，最終匯總形成完整的FCB運(yùn)行方案。

3 工藝系統(tǒng)的配置和設(shè)備選型

3．1 汽輪機(jī)高、低壓旁路系統(tǒng)容量的選擇

我國目前設(shè)計(jì)的大部分火電機(jī)組不考慮FCB功能，機(jī)組配置的旁路系統(tǒng)的容量為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)的35%左右，這種旁路系統(tǒng)的主要功能是滿足機(jī)組啟動(dòng)要求。當(dāng)機(jī)組在FCB工況下運(yùn)行時(shí)，由于進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽大幅度減少或切斷，原來進(jìn)入高壓缸的蒸汽通過高壓旁路排放，原來進(jìn)入中壓缸的蒸汽通過低壓旁路排放，鍋爐出力在發(fā)生FCB時(shí)必須快速降至旁路能通過的最大流量。由于鍋爐的熱慣性較大、燃料系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢，容量為35%左右BMCR的旁路系統(tǒng)不能滿足機(jī)組FCB的要求。

通常FCB開始時(shí)汽輪機(jī)高壓調(diào)速汽門需要瞬間關(guān)閉，連鎖控制旁路系統(tǒng)瞬間開啟，鍋爐一次蒸汽通過旁路系統(tǒng)排放以維持運(yùn)行，建議汽輪機(jī)選用容量為100%BMCR的高壓旁路系統(tǒng)，并替代鍋爐過熱器安全閥排放功能，取消鍋爐過熱器安全門。汽輪機(jī)低壓旁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量應(yīng)綜合考慮鍋爐不投油的最低穩(wěn)定工況、FCB工況的工質(zhì)回收和平衡、凝汽器的投資、除氧器水位控制等因素，建議采用容量為60%～80%BMCR的低壓旁路系統(tǒng)，并在再熱系統(tǒng)設(shè)置可調(diào)節(jié)式安全門，建議再熱系統(tǒng)安全門的容量按照100%BMCR主蒸汽流量加噴水流量考慮。

3．2 鍋爐給水泵的選擇

火力發(fā)電機(jī)組FCB功能對(duì)鍋爐給水泵的選擇可能影響較大，建議在工程設(shè)計(jì)的起始階段能夠根據(jù)合同要求或與業(yè)主交流的情況確定FCB時(shí)汽輪機(jī)最大運(yùn)行工況，該工況通常為100%最大連續(xù)運(yùn)行(TMCR)工況，特殊工程也可能根據(jù)業(yè)主要求而選擇100%閥門全開(VWO)工況。FCB時(shí)汽輪機(jī)最大運(yùn)行工況應(yīng)作為給水泵選型的校核工況之一，以滿足在該工況下鍋爐給水和高壓旁路噴水的流量要求。當(dāng)機(jī)組采用汽動(dòng)給水泵時(shí)，根據(jù)上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)采用具有特殊內(nèi)切換功能的專用小汽輪機(jī)，以保證給水泵汽輪機(jī)正常工況驅(qū)動(dòng)汽源(主汽輪機(jī)抽汽)和低負(fù)荷工況驅(qū)動(dòng)汽源(冷再熱蒸汽)的快速切換，避免在FCB工況下小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)汽源切換滯后所導(dǎo)致的鍋爐缺水、水冷壁出口溫度迅速升高、汽動(dòng)給水泵跳閘或鍋爐MFT保護(hù)動(dòng)作。

3．3 汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)配置和設(shè)備選擇

當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組從正常運(yùn)行切換到FCB工況時(shí)，所有汽輪機(jī)抽汽都將在瞬間停止，汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)中只有使用高壓缸排汽(冷再熱蒸汽)作為汽源的高壓加熱器和除氧器能夠維持運(yùn)行。由于機(jī)組低壓旁路的容量通常為60%～80%BMCR，在FCB工況起始階段再熱系統(tǒng)安全門將開啟，以維持再熱系統(tǒng)蒸汽壓力，造成系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的部分流失。為減少系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)流失，維持工質(zhì)平衡，建議在合理的范圍內(nèi)盡量增大該高壓加熱器的容量。加熱器供應(yīng)商應(yīng)明確進(jìn)水溫度快速降低、加熱蒸汽流量增加對(duì)加熱器結(jié)構(gòu)的影響，確保加熱器安全、穩(wěn)定運(yùn)行。除氧器的正常工作汽源為汽輪機(jī)抽汽，但在FCB工況下應(yīng)迅速切換到冷再熱蒸汽。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮設(shè)置再熱冷段到除氧器的FCB工況專用管線并配置快速開啟式調(diào)節(jié)閥和超壓閉鎖裝置。除氧器在FCB起始工況瞬時(shí)的進(jìn)、出水位差較大，為防止除氧器水位急劇波動(dòng)和下降，建議適當(dāng)增加除氧器的容積，通常為鍋爐BMCR工況下7min左右的蒸發(fā)量。

3．4 凝結(jié)水和凝結(jié)水補(bǔ)水系統(tǒng)配置和設(shè)備選擇

火力發(fā)電機(jī)組通常以單元制系統(tǒng)配置2×100%容量或3×50%容量的凝結(jié)水泵，F(xiàn)CB工況時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)快速連鎖啟動(dòng)備用凝結(jié)水泵，加大凝結(jié)水流量，以滿足低壓旁路噴水和維持除氧器水位穩(wěn)定的要求。凝結(jié)水補(bǔ)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力應(yīng)能夠滿足FCB工況的運(yùn)行要求，凝結(jié)水儲(chǔ)存水箱的容量應(yīng)充分考慮FCB工況的工質(zhì)流失量，凝結(jié)水補(bǔ)水系統(tǒng)的輸送能力應(yīng)考慮FCB工況時(shí)的流量變化。

4 控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)理念

火力發(fā)電機(jī)組要成功實(shí)現(xiàn)FCB功能，除上述汽輪機(jī)、鍋爐和主要工藝系統(tǒng)設(shè)備選型有變化以外，同樣也對(duì)機(jī)組控制和運(yùn)行方式提出了更高的要求，是火電機(jī)組控制設(shè)計(jì)理念的一次更新。

FCB是機(jī)組在電網(wǎng)故障情況下由正常運(yùn)行狀態(tài)瞬間轉(zhuǎn)為帶廠用電負(fù)荷的運(yùn)行工況。通常這種電網(wǎng)故障是突發(fā)性的，不會(huì)有任何先兆。為確保FCB功能的實(shí)現(xiàn)，機(jī)組應(yīng)完全進(jìn)入FCB模式的自動(dòng)控制，任何人工干預(yù)都將導(dǎo)致FCB功能切換失敗。

機(jī)組應(yīng)采用單向連鎖保護(hù)方式，當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)只切斷主變壓器出口開關(guān)，鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)不產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，使機(jī)組連鎖保護(hù)模式能夠適應(yīng)機(jī)組FCB的要求。根據(jù)上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建議設(shè)置發(fā)電機(jī)出口斷路器(GCB)，以便在FCB工況時(shí)由發(fā)電機(jī)帶廠用電進(jìn)行小島運(yùn)行，但在發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，機(jī)組將廠用電自動(dòng)切換至備用變壓器。

汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)控制回路切換到轉(zhuǎn)速控制，將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min。分散控制系統(tǒng)(DCS)主要控制鍋爐按照快減負(fù)荷(RB)控制方式快速減至最低穩(wěn)燃負(fù)荷，控制旁路系統(tǒng)快速開啟，根據(jù)FCB各個(gè)階段要求控制給水系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)和凝結(jié)水系統(tǒng)的參數(shù)和流量。

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