循環(huán)流化床機(jī)組FCB功能的邏輯應(yīng)用

劉永剛，張長(zhǎng)春，田正彬

（山西京玉發(fā)電有限責(zé)任公司，山西朔州 037200）

0 引言

快速返回功能 (FCB：Fast Cut Back)[1]為當(dāng)發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，使本機(jī)組不停運(yùn)的一種控制措施。可分為停機(jī)不停爐、機(jī)組維持空負(fù)荷額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行和帶本機(jī)廠用電運(yùn)行3種方式。本文FCB功能指快速甩負(fù)荷至帶本機(jī)廠用電運(yùn)行功能，即發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)或主變壓器高壓側(cè)出現(xiàn)故障時(shí)，瞬間失去對(duì)外供電負(fù)荷的情況下，自動(dòng)快速減負(fù)荷至廠用電，并維持發(fā)電機(jī)帶廠用電運(yùn)行的功能。循環(huán)流化床機(jī)組運(yùn)行中，鍋爐床體內(nèi)積蓄了大量燃料，物料循環(huán)性強(qiáng)，熱慣性大。機(jī)組在FCB過(guò)程中，鍋爐主燃料切斷（MFT）后，床體燃料和循環(huán)物料在風(fēng)機(jī)作用下仍將釋放大量熱能，給機(jī)組帶來(lái)嚴(yán)重危害。即使鍋爐跳閘（BT）后，余熱產(chǎn)生的蒸汽仍能保證汽輪發(fā)電機(jī)組帶廠用電負(fù)荷，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。可見(jiàn)，循環(huán)流化床機(jī)組FCB功能有其自身的特性，不同于煤粉鍋爐機(jī)組。本文介紹了循環(huán)流化床機(jī)組FCB功能試驗(yàn)中的主要邏輯控制，給同類(lèi)機(jī)組實(shí)施FCB功能提供借鑒。

1 試驗(yàn)機(jī)組參數(shù)

a）晉北某電廠機(jī)組為：2×300 MW循環(huán)流化床鍋爐直接空冷機(jī)組，亞臨界，汽包爐，一次中間再熱。鍋爐汽包設(shè)3臺(tái)25.7%鍋爐最大蒸發(fā)量（BMCR）的機(jī)械式安全閥；過(guò)熱器設(shè)2臺(tái)7.8%BMCR容量，整定壓力為19.24 MPa的電氣安全閥（PCV），設(shè)3臺(tái)13.5%BMCR容量的機(jī)械式安全閥。再熱器入口設(shè)3臺(tái)23.4%BMCR容量的機(jī)械式安全閥，出口設(shè)2臺(tái)13.5%BMCR容量的機(jī)械式安全閥。汽機(jī)側(cè)設(shè)高、低壓2級(jí)串連旁路系統(tǒng)，高旁按鍋爐70%BMCR容量的設(shè)置，低旁按110%BMCR容量設(shè)置。汽輪機(jī)為中壓缸啟動(dòng)方式。

b）機(jī)組采用分散控制系統(tǒng)（DCS），主機(jī)控制為新華XDPS400+型。鍋爐設(shè)有爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)（FSSS），能夠完成主燃料切除保護(hù)（MFT）、鍋爐跳閘保護(hù)（BT）等功能；汽輪機(jī)組設(shè)有汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH），具備轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、調(diào)頻、中壓缸啟動(dòng)和汽輪機(jī)自動(dòng)控制等各項(xiàng)功能；能夠?qū)崿F(xiàn)甩負(fù)荷預(yù)判功能（LDA），50%和100%甩負(fù)荷試驗(yàn)，維持機(jī)組額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min空轉(zhuǎn)；具備部分甩負(fù)荷，快關(guān)調(diào)速汽門(mén)；超103%和110%額定轉(zhuǎn)速保護(hù)，超速試驗(yàn)等功能。具有汽輪機(jī)危機(jī)遮斷保護(hù)系統(tǒng)（ETS），輔機(jī)順序控制系統(tǒng)（SCS包括吹灰、除渣、旁路控制等），發(fā)變組和廠用電源的順序控制系統(tǒng)（ECS）等。

2 FCB功能觸發(fā)邏輯的設(shè)置

2.1 FCB觸發(fā)邏輯設(shè)置

在DCS中設(shè)置FCB功能程序，在控制畫(huà)面上設(shè)FCB功能選項(xiàng)按鈕，可選擇 “投入”或“退出”。FCB觸發(fā)：邏輯一，由PLU信號(hào)觸發(fā)；邏輯二，電超速（OPC）信號(hào)觸發(fā)。兩者任意一項(xiàng)滿(mǎn)足均可觸發(fā)FCB功能（見(jiàn)圖1）。

圖1 FCB觸發(fā)邏輯圖

2.1.1 觸發(fā)邏輯一

PLU動(dòng)作觸發(fā)。PLU信號(hào)是中壓缸排汽壓力折算的機(jī)械功與發(fā)電機(jī)輸出的電負(fù)荷進(jìn)行比較，當(dāng)機(jī)械功超出電負(fù)荷30%時(shí)，PLU信號(hào)會(huì)發(fā)出，關(guān)閉高壓、中壓調(diào)門(mén)，使得機(jī)械負(fù)荷趨向和電負(fù)荷相匹配。當(dāng)外網(wǎng)故障時(shí)，發(fā)電機(jī)失去全部外部負(fù)荷，PLU信號(hào)發(fā)出，觸發(fā)FCB。

PLU信號(hào)計(jì)算或傳輸過(guò)程中，存在信號(hào)波動(dòng)，可能導(dǎo)致誤動(dòng)?，F(xiàn)將4個(gè)觸發(fā)條件并列：中壓缸排汽壓力測(cè)點(diǎn)品質(zhì)正常，并網(wǎng)信號(hào)（BR）存在， PLU信號(hào)發(fā)出，機(jī)組轉(zhuǎn)速＞3 030 r/min，避免PLU誤動(dòng)。

2.1.2 觸發(fā)邏輯二

當(dāng)汽機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)某一設(shè)定值時(shí)，OPC信號(hào)輸出，觸發(fā)FCB功能。試驗(yàn)時(shí)，OPC信號(hào)輸出轉(zhuǎn)速設(shè)置為＞3 040 r/min。

當(dāng)汽機(jī)功率高于50%額定負(fù)荷，機(jī)械功率和發(fā)電機(jī)功率之差大于30%時(shí)，PLU信號(hào)才會(huì)輸出。因此，在低負(fù)荷下，PLU不會(huì)觸發(fā)FCB功能，故由OPC信號(hào)來(lái)觸發(fā)FCB，2種觸發(fā)邏輯并列設(shè)置。

2.2 FCB觸發(fā)邏輯轉(zhuǎn)速設(shè)置和LDA功能屏蔽設(shè)置

a）觸發(fā)邏輯一，汽機(jī)轉(zhuǎn)速要求＞3 030 r/min；邏輯二，OPC信號(hào)輸出轉(zhuǎn)速設(shè)置為＞3 040 r/min。原因是：其一，觸發(fā)轉(zhuǎn)速過(guò)高，將進(jìn)一步推高汽機(jī)峰值轉(zhuǎn)速，峰值轉(zhuǎn)速一旦達(dá)到或超過(guò)ETS設(shè)定值，高、中壓主汽門(mén)將會(huì)關(guān)閉，F(xiàn)CB試驗(yàn)失敗。其二，電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值和沖擊負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變化均為±0.2 Hz[2]，頻率波動(dòng)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變動(dòng)范圍在3 000±12 r/min之內(nèi)；當(dāng)電網(wǎng)故障，機(jī)組失去外部負(fù)荷后，汽機(jī)轉(zhuǎn)速快速升高，遠(yuǎn)高于3 012 r/min。因此，將PLU的觸發(fā)轉(zhuǎn)速設(shè)置為＞3 030 r/min，OPC的觸發(fā)轉(zhuǎn)速設(shè)置為＞3 040 r/min，確保在較低的轉(zhuǎn)速下觸發(fā)FCB功能，抑制后續(xù)轉(zhuǎn)速?zèng)_高峰值。FCB過(guò)程中，機(jī)組自帶廠用電，電壓、頻率波動(dòng)范圍寬，對(duì)廠內(nèi)大型電機(jī)存在不利影響，應(yīng)盡量將汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制在2 850～3 150 r/min之間，滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)帶廠用電的頻率需求。

b）在FCB功能試驗(yàn)前，應(yīng)屏蔽機(jī)組甩負(fù)荷預(yù)判（LDA）功能。LDA功能的主要邏輯為：調(diào)節(jié)級(jí)壓力大于30%（即機(jī)組負(fù)荷高于30%額定負(fù)荷），且發(fā)電機(jī)油開(kāi)關(guān)從閉合到斷開(kāi)的瞬間，汽機(jī)尚未超速，LDA動(dòng)作OPC關(guān)閉高、中壓調(diào)門(mén)，負(fù)荷降至零，維持機(jī)組3 000 r/min轉(zhuǎn)速?？梢?jiàn)，LDA功能快于上述2個(gè)FCB邏輯動(dòng)作觸發(fā)。而FCB試驗(yàn)的首要步序就是在高負(fù)荷下，斷開(kāi)變壓器開(kāi)關(guān)，使機(jī)組脫網(wǎng)，失去外部負(fù)荷，恰滿(mǎn)足LDA動(dòng)作條件。因此，試驗(yàn)前，應(yīng)將LDA功能屏蔽。

2.3 FCB功能觸發(fā)信號(hào)設(shè)為2 s脈沖

這一設(shè)置的目的是避免長(zhǎng)信號(hào)壓制其他指令的發(fā)出，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，2 s的脈沖信號(hào)是合適的。

3 FCB觸發(fā)后，主要?jiǎng)幼鲗?duì)象邏輯設(shè)定

FCB功能觸發(fā)后，輸出控制指令，動(dòng)作相關(guān)設(shè)備。其輸出邏輯指令，均為無(wú)延時(shí)動(dòng)作指令。

a）主變壓器高壓送出側(cè)201主開(kāi)關(guān)跳閘。試驗(yàn)開(kāi)始前，需要DCS強(qiáng)制送出主變壓器201開(kāi)關(guān)跳閘信號(hào)，機(jī)組啟動(dòng)FCB試驗(yàn)。FCB動(dòng)作后，要自動(dòng)斷開(kāi)變壓器出線(xiàn)201開(kāi)關(guān)，使機(jī)組和電網(wǎng)斷開(kāi)連接，形成機(jī)組帶廠內(nèi)設(shè)備“孤島”運(yùn)行的條件。

b）汽機(jī)電超速保護(hù)（OPC）動(dòng)作。PLU觸發(fā)時(shí)，需OPC動(dòng)作電磁閥關(guān)閉高、中壓調(diào)節(jié)閥。OPC觸發(fā)時(shí)，OPC會(huì)在FCB動(dòng)作之前或同時(shí)動(dòng)作；此時(shí)，OPC動(dòng)作，屬于冗余設(shè)置，防止FCB拒動(dòng)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，OPC觸發(fā)信號(hào)早于PLU觸發(fā)信號(hào)約500 ms。

c）鍋爐主燃料跳閘保護(hù)（MFT）動(dòng)作，延時(shí)2 s后，鍋爐BT動(dòng)作。根據(jù)循環(huán)流化床蓄熱量較大的特性，鍋爐MFT切斷主燃料供應(yīng)，保留爐側(cè)風(fēng)機(jī)等較大運(yùn)載負(fù)荷，使得汽輪機(jī)制動(dòng)扭矩較大，有效抑制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速飛升幅度。隨著汽機(jī)轉(zhuǎn)速趨穩(wěn)，鍋爐因汽包水位變化而導(dǎo)致鍋爐BT；延時(shí)2 s BT，使得負(fù)荷階梯型下降，轉(zhuǎn)速相對(duì)好控制。

d）發(fā)指令高旁閥開(kāi)度10% 。其目的有二，一是起到暖管的作用；二是為汽輪機(jī)切缸、汽泵用汽和輔汽提供汽源。隨后，高旁開(kāi)度隨負(fù)荷（或壓力）要求進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)。

e）汽泵汽源自動(dòng)切換至再熱器冷段管道供汽。

f）聯(lián)啟電泵，電泵運(yùn)行信號(hào)存在且延時(shí)2 s，發(fā)指令跳閘12汽泵。聯(lián)啟電泵，一是為防止汽泵汽源切換失敗，2臺(tái)汽泵跳閘，造成機(jī)組BT動(dòng)作；其二，為確保鍋爐穩(wěn)定供水。由于抽汽壓力的突降，汽泵汽源自動(dòng)切換至輔助蒸汽或冷再供汽，汽源量存在短暫減小波動(dòng)，自動(dòng)跳閘1臺(tái)汽泵，利于汽源穩(wěn)定，跳停2號(hào)汽泵，形成一汽一電運(yùn)行，確保供水；電泵運(yùn)行平穩(wěn)后，視汽包水位情況停運(yùn)1號(hào)汽泵。

g）發(fā)指令至PCV閥，其動(dòng)作定值在原值基礎(chǔ)上降低3 MPa。

h）輔汽供除氧器調(diào)門(mén)發(fā)出10%開(kāi)度指令。輔汽供除氧器調(diào)門(mén)發(fā)出10%開(kāi)度指令，保證除氧器供汽，確保前置泵入口壓力穩(wěn)定。

i）輔汽汽源自動(dòng)切換至冷再供汽（單機(jī)運(yùn)行工況下）或臨機(jī)輔汽供汽。

4 FCB試驗(yàn)

在進(jìn)行多次FCB相關(guān)各類(lèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完成了機(jī)組高負(fù)荷狀態(tài)下FCB功能試驗(yàn)。2015年10月13日， 1號(hào)機(jī)組功率250 MW，轉(zhuǎn)速3 001 r/min，汽輪機(jī)順閥方式，閥位92%的運(yùn)行狀態(tài)下，進(jìn)行了FCB試驗(yàn)。13日21:21:36，DCS強(qiáng)制輸出主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)信號(hào)，模擬電網(wǎng)故障，機(jī)組失去全部外部負(fù)荷，自動(dòng)切換為帶廠用變運(yùn)行；21:21:36:500，機(jī)組測(cè)得轉(zhuǎn)速為3 087.3 r/min，OPC超速信號(hào)發(fā)出，F(xiàn)CB功能觸發(fā)。同時(shí)，OPC控制電磁閥快速關(guān)閉高壓調(diào)門(mén)和中壓調(diào)門(mén)，負(fù)荷降至30.67 MW；FCB功能同步發(fā)出鍋爐MFT、高旁開(kāi)啟、電泵啟動(dòng)等信號(hào)；隨著負(fù)荷降低，機(jī)組切至中壓缸進(jìn)汽模式，自動(dòng)進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。21:21:39鍋爐BT后，機(jī)組負(fù)荷最終降至8.06 MW。FCB過(guò)程中機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍為121.5～2 920.73 r/min，發(fā)電機(jī)出口電壓波動(dòng)范圍為22.74～23.21 kV，滿(mǎn)足各重要輔機(jī)用電要求。FCB動(dòng)作20 min之后，重新啟動(dòng)爐側(cè)風(fēng)機(jī)，開(kāi)始恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行；21:49:27機(jī)組再次并網(wǎng)，各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定。FCB試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)組孤島運(yùn)行28 min，試驗(yàn)基本取得成功，機(jī)組各項(xiàng)控制功能完善，F(xiàn)CB邏輯準(zhǔn)確無(wú)誤。

5 結(jié)論

a）FCB功能相較于機(jī)組100%甩負(fù)荷試驗(yàn)，對(duì)控制系統(tǒng)的要求更加嚴(yán)格。因此，機(jī)組FCB功能的實(shí)現(xiàn)，不僅提高機(jī)組的自動(dòng)化控制水平和抗突發(fā)事故的處理能力，而且能實(shí)現(xiàn)機(jī)組在電網(wǎng)解列后，帶廠用電“孤島運(yùn)行”的能力,在電網(wǎng)缺陷消除后，使機(jī)組快速恢復(fù)向電網(wǎng)供電。

b）FCB試驗(yàn)的實(shí)施，證實(shí)了該機(jī)組已基本具備FCB功能，驗(yàn)證了FCB控制邏輯、觸發(fā)功能和動(dòng)作邏輯準(zhǔn)確無(wú)誤。對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)負(fù)荷較低，山西省內(nèi)各廠普遍存在單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的情況，F(xiàn)CB功能可在機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，最大限度保障機(jī)組安全，避免全廠停電事故，快速恢復(fù)機(jī)組的運(yùn)行。在當(dāng)前特殊形勢(shì)下，具有重要意義。

c）本次FCB試驗(yàn)尚有許多不足之處，機(jī)組未能進(jìn)行100%滿(mǎn)負(fù)荷試驗(yàn)，并取得相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。FCB觸發(fā)邏輯和動(dòng)作邏輯，尚有改進(jìn)的余地。比如，增設(shè)發(fā)電機(jī)零功率觸發(fā)邏輯[3]，在變壓器出線(xiàn)開(kāi)關(guān)故障或外輸功率為零時(shí)，觸發(fā)FCB功能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院.火力發(fā)電建設(shè)工程機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)導(dǎo)則：DL/T 1270—2013 [S].北京：中國(guó)電力出版社，2014:2.

[2] 中國(guó)電力科學(xué)研究院等.電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差：GB/T15945—2008 [S].北京：中國(guó)電力出版社，2014:2.

[3] 劉麟，楊燕寧.600 MW機(jī)組FCB功能實(shí)現(xiàn) [J].電工技術(shù)，2010(12)：8-9.