超臨界FCB功能機組高壓旁路系統(tǒng)控制策略分析

陳佳麟，高起棟，高巨賢

（寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 銀川750400）

1 FCB功能介紹

FCB工況是指并網(wǎng)機組在電網(wǎng)或線路發(fā)生故障，而機組本身無故障的情況下，機組主變出線開關(guān)跳閘，機組能夠快速降低負荷，實現(xiàn)機組只帶廠用電的“孤島運行”方式。

FCB動作后發(fā)電機迅速甩負荷至廠用電，汽輪機在OPC（超速控制）功能控制下快速關(guān)閉調(diào)門，將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r／min，汽輪機旁路系統(tǒng)控制機組的汽溫和汽壓，維持機組工質(zhì)和能量的平衡，從而保證廠用電在FCB工況下的頻率穩(wěn)定；鍋爐以RB方式快速減負荷，保證一定的最低穩(wěn)燃負荷；使鍋爐蒸發(fā)量不超過旁路的通流量，而后以一定速率下滑至鍋爐熱負荷對應(yīng)下的壓力參數(shù)，同時此壓力定值要兼顧鍋爐的蓄熱要求，防止直流鍋爐轉(zhuǎn)濕態(tài)運行以及溫度下降過快。其它各相關(guān)設(shè)備依據(jù)FCB工況聯(lián)鎖動作，保證系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定。

FCB功能的實現(xiàn)為發(fā)電機組在高度自動化方式下運行提供了安全保障，不僅能使發(fā)電機組在電網(wǎng)故障消除后迅速向電網(wǎng)供電，為電網(wǎng)迅速恢復(fù)故障狀態(tài)提供啟動安全保障，同時FCB功能試驗可以檢驗機組的CCS、DEH、旁路調(diào)節(jié)系統(tǒng)及各自動調(diào)節(jié)子系統(tǒng)在機組甩負荷時的調(diào)節(jié)能力。

FCB動作信號由電氣發(fā)變組零功率保護裝置發(fā)出。即零功率動作（若主變高壓側(cè)功率曾經(jīng)高于300 MW且突變低于30 MW）、發(fā)電機出口斷路器在合位且汽輪機為跳閘及主變高壓側(cè)開關(guān)跳閘三個信號“與”關(guān)系觸發(fā)FCB動作信號。FCB動作信號送至DCS系統(tǒng)控制器，在DCS協(xié)調(diào)控制界面中設(shè)置FCB功能投切開關(guān)。

2 高壓旁路系統(tǒng)的容量選擇

選擇旁路系統(tǒng)型式時應(yīng)考慮機組在電網(wǎng)中承擔(dān)的任務(wù)、運行方式、事故處理方式和再熱器的位置布置等因素。

旁路系統(tǒng)的容量是指機組在額定參數(shù)運行時旁路系統(tǒng)的通流量Do與鍋爐額定蒸發(fā)量Dn的比值，即

式中，K為旁路容量；Do為額定參數(shù)時旁路系統(tǒng)的流量；Dn為鍋爐額定蒸發(fā)量。

旁路系統(tǒng)的容量應(yīng)能滿足機爐允許運行方式的要求，不同的機爐允許運行方式有：啟動模式、最低穩(wěn)燃模式、甩負荷模式等，各模式對旁路系統(tǒng)的要求是不同的。

基本負荷機組運行穩(wěn)定，啟停次數(shù)少，一般可選用系統(tǒng)簡單的旁路系統(tǒng)。對于調(diào)峰機組，負荷變化幅度較大，啟停頻繁，經(jīng)常需要熱態(tài)啟動，應(yīng)選用啟停損失小，便于調(diào)節(jié)的旁路系統(tǒng)，如二級串聯(lián)旁路系統(tǒng)。對于電網(wǎng)要求在機組甩負荷時，要求停機不停爐，汽輪機空轉(zhuǎn)或帶廠用電運行，則應(yīng)選擇汽水能回收，又能保護鍋爐等各部分的旁路系統(tǒng)，這樣對旁路系統(tǒng)的容量要求要大一些。

綜合各種旁路系統(tǒng)的特點，并考慮隨著大容量超臨界及超臨界機組數(shù)量的日益增多和我國用電高峰的峰谷差不斷增大，600 MW級超臨界機組勢必參與調(diào)峰，超臨界機組應(yīng)具有高的靈活性和安全性。綜合考慮，600 MW級超臨界機組的旁路系統(tǒng)以配置二級串聯(lián)旁路系統(tǒng)為宜，容量以30%～50%BMCR為宜。根據(jù)有關(guān)專家對600 MW 超臨界參數(shù)汽輪機旁路系統(tǒng)的容量計算：35%BMCR容量的旁路系統(tǒng)能滿足冷、熱態(tài)啟動的要求；45%～50%BMCR容量的旁路系統(tǒng)能滿足極熱態(tài)啟動的要求；要想實現(xiàn)機組甩負荷后帶廠用電運行或停機不停爐運行（若鍋爐不投油的最低穩(wěn)燃負荷為40%BMCR），則需要85%BMCR容量的旁路系統(tǒng)。

寧東發(fā)電公司的汽輪機旁路系統(tǒng)采用高、低壓二級串聯(lián)布置方式，包括100%BMCR容量液動高壓旁路、65%BMCR容量液動低壓旁路和25%BMCR容量的氣動啟動旁路，旁路系統(tǒng)裝置由旁路閥、噴水調(diào)節(jié)閥、噴水隔離閥等組成。其旁路系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 旁路系統(tǒng)示意圖

由于選用了100%大容量高壓旁路閥，故主蒸汽管道不設(shè)置安全閥和PCV閥。再熱器熱段出口管道上共裝設(shè)12只彈簧安全閥，再熱器安全閥總排量按照100%BMCR和高旁減溫水量的綜合考慮設(shè)計。安全閥全部布置于再熱器出口末端，當(dāng)安全閥動作時，可保證有全部流量的再熱蒸汽流經(jīng)再熱器受熱面，使得再熱器受熱面不會干燒。

3 FCB功能機組高旁系統(tǒng)控制策略分析

旁路系統(tǒng)主要的功能是協(xié)調(diào)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽與汽輪機用汽量之間的不平衡。高壓旁路系統(tǒng)主要用于控制鍋爐能夠適應(yīng)冷態(tài)、溫態(tài)或熱態(tài)機組啟動；保證汽水正常循環(huán)；滿足運行中的事故處理。高壓旁路的運行方式主要有四種，分別為“啟動模式”、“定壓模式”、“跟隨模式”和“停機模式”。根據(jù)機組所處的運行階段高旁壓力控制可分為8個階段：最小閥位－建壓模式－沖轉(zhuǎn)定壓－正常壓力保護模式－FCB工況－汽機跳閘工況－MFT工況—事故保護工況。高壓旁路啟動曲線如圖2。

3．1 最小閥位模式

圖2 高壓旁路啟動曲線

鍋爐點火前，汽機未并網(wǎng)，鍋爐未MFT，當(dāng)旁路系統(tǒng)投入自動后，高旁在最小閥控模式，預(yù)暖旁路保證一定的通流（10%）。

3．2 建壓模式

鍋爐點火開始后，高旁會開啟到最小閥位10%并暫時保持不動。隨著燃燒，主蒸汽壓力上升，旁路控制系統(tǒng)按照鍋爐蒸汽產(chǎn)量增加快慢而自動開始上調(diào)主汽壓力設(shè)定值，壓力設(shè)定速率與調(diào)門開度大小、控制壓力大小以及大機冷熱狀態(tài)均有關(guān)，若壓力上升過快，旁路適當(dāng)開啟，使壓力參數(shù)平穩(wěn)上升至依據(jù)冷、熱、極熱態(tài)自動判斷出的沖轉(zhuǎn)壓力定值。

3．3 沖轉(zhuǎn)定壓

汽輪機采用定壓沖轉(zhuǎn)方式，在汽機沖轉(zhuǎn)過程中旁路維持主汽壓力為沖轉(zhuǎn)壓力（溫冷態(tài)8 Mpa，極熱態(tài)9 Mpa）8 MPa不變；運行人員可依據(jù)工況通過改變偏置改變沖轉(zhuǎn)壓力。

3．4 正常壓力保護模式

汽機并網(wǎng)后，旁路主蒸汽壓力設(shè)定值在協(xié)調(diào)側(cè)壓力定值附加1．5 MPa定值作為本方壓力保護定值，此時真實壓力定值隨動實際壓力，并禁降。隨著實際壓力變化，旁路逐步關(guān)閉；當(dāng)已并網(wǎng)后，高壓旁路已關(guān)閉或主汽流量＞10%后，壓力定值附加0．5 MPa定值，進入壓力跟蹤模式，實時監(jiān)視主汽壓力，保護主汽壓力不會飛升（以0．4 MPa／min高于實際壓力0．5 MPa）、保護主汽壓力不會高于協(xié)調(diào)側(cè)壓力定值1．5 MPa。

3．5 FCB時高旁保護工況（FCB時并網(wǎng)信號消失）

FCB動作后，鍋爐進行甩負荷，若末級過熱器出口過熱蒸汽壓力值高于18 MPa，高旁壓力調(diào)節(jié)閥快速開啟，若無高旁切手動模式條件，高旁自動投入自動；反之若末級過熱器出口蒸汽壓力低于18 MPa，鍋爐側(cè)保持當(dāng)前負荷，高旁壓力調(diào)節(jié)閥依據(jù)流量開度曲線，超弛動作到一定開度，而后自動投入自動方式。投入自動后的高旁處于FCB工況滑壓模式，壓力設(shè)定值將以0．36 MPa／min的速率下調(diào)至目標(biāo)值14．2 MPa，若末級過熱器出口蒸汽壓力低于16 MPa，F(xiàn)CB工況的高旁滑壓狀態(tài)復(fù)位結(jié)束，高旁壓力定值保持在16 MPa，運行人員也可以手動修正壓力定值。高、低壓旁路系統(tǒng)均提供了定壓模式，可以在任何工況強切至定壓模式。

3．6 汽輪機跳閘時高旁保護工況

汽輪機跳閘后，鍋爐50%RB，若末級過熱器出口壓力高于18 MPa，高旁快開（5 s脈沖），若無高旁自動切除條件，高旁自動投入自動；若末級過熱器出口壓力低于18 MPa，鍋爐側(cè)保持當(dāng)前負荷，高旁依據(jù)流量開度曲線，超弛動作一定開度，而后自動投入自動。高旁壓力設(shè)定值將以0．36 MPa／min的速率下調(diào)至目標(biāo)值14．2 MPa。若末級過熱器出口壓力低于16 MPa，汽輪機跳閘高旁保護工況復(fù)位結(jié)束，保持復(fù)位時壓力定值，運行人員可通過高旁壓力偏置修正定值。

3．7 MFT時高旁保護工況

鍋爐MFT后，若當(dāng)前主汽流量＞10%，高旁快開（5s脈沖），若無高旁自動切除條件，高旁自動投入自動，高旁壓力設(shè)定值將保持當(dāng)前壓力設(shè)定值。高旁控制指令全關(guān)后，該工況復(fù)位，高旁壓力設(shè)定值重新以0．48 MPa／min的速率回調(diào)至實際壓力，并進入壓力跟蹤模式，保證高旁全關(guān)。

3．8 高旁系統(tǒng)的保護功能

3．8．1 高旁閥設(shè)置保護開及保護關(guān)（長信號）功能，保護開優(yōu)先

（1）高旁保護關(guān)功能

高旁保護關(guān)后將高旁閥切至手動模式，并超馳關(guān)閥門。高旁保護關(guān)條件：當(dāng)本側(cè)高旁閥后蒸汽溫度1、2取均值大于427℃且非壞質(zhì)量時，延時15 s后高旁保護關(guān)動作。

（2）高旁保護開功能

高旁保護開后跟蹤實際高旁閥位反饋5 s，而后自動投入自動。高旁保護開條件：

a．發(fā)電機出口開關(guān)不在合位且末過壓力高于18 MPa，脈沖5 s；

b．汽機跳閘且末過壓力高于18 MPa，脈沖5 s；

c．末級過熱器出口蒸汽壓力高于其壓力定值5 MPa且壓力高于15 MPa，脈沖5 s；

d．末級過熱器出口蒸汽壓力高于29 MPa且非壞質(zhì)量，長信號；

e．MFT且主汽流量大于260 t／h，脈沖5 s；

f．FCB動作且末過壓力高于18 MPa，脈沖5 s；

g．高旁安全柜保護發(fā)生，長信號。

3．8．2 高旁閥超弛開功能（3 s脈沖）

超弛開動作，高旁自動投自動，超弛目標(biāo)值以每秒20%的速率開至主汽流量（調(diào)節(jié)級主汽流量和熱負荷折算主汽流量取大值）所對應(yīng)開度位置。超弛動作優(yōu)先級低于高旁保護開動作。超馳開動作條件如下：

a．發(fā)電機出口開關(guān)信號不在合位，脈沖3 s；

b．汽機跳閘，脈沖3 s；

c．FCB動作，脈沖3 s。

3．9 高旁系統(tǒng)控制條件

自動切除條件：被控壓力壞質(zhì)量；本側(cè)高旁調(diào)閥故障；高旁閥快關(guān)條件；

閉鎖增：本側(cè)高旁閥后蒸汽溫度1、2取平均值后大于320℃且非壞質(zhì)量時；延遲15 s；

自動投自動：高旁閥快開或超弛開條件。

3．10 高旁溫度控制

高旁噴水調(diào)節(jié)閥通過控制噴水量來實現(xiàn)對高旁后溫度的控制。溫度設(shè)定值由高旁后壓力隨動，增加旁路門前壓力和壓力調(diào)門對減溫閥的前饋控制。

高旁壓力調(diào)閥快開條件，高旁溫度調(diào)閥超弛開。

高旁壓力調(diào)閥關(guān)或快關(guān)，高旁溫度調(diào)閥超弛關(guān)。

高旁溫度調(diào)閥低2．5%聯(lián)鎖開關(guān)高旁減溫水氣動截止閥。

自動切除條件：被控溫度壞質(zhì)量；本側(cè)高旁減溫閥故障；高旁閥快關(guān)；高壓旁路閥位置反饋不開（2%）脈沖1 s。

自動投自動：高旁閥投自動脈沖1s；高旁閥已開（＞2%）脈沖1 s。

4 結(jié)束語

寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司高壓旁路控制系統(tǒng)經(jīng)機組點火、沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、帶負荷、額定負荷，以及FCB、汽機跳閘等事故工況的檢驗，高壓旁路控制系統(tǒng)的最小閥位、建壓模式、沖轉(zhuǎn)定壓、正常壓力保護模式、FCB工況、汽機跳閘工況、MFT工況等各部分控制功能均安全穩(wěn)定、動作可靠，相應(yīng)的壓力和溫度控制精度均滿足運行要求，完全實現(xiàn)了機組旁路全程控制，并能在事故工況下保證機組安全穩(wěn)定。

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