1 000 MW機組FCB功能系統(tǒng)配置及控制策略

吳公寶

（珠海市鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519055）

0 引言

FCB（快速切負(fù)荷）是當(dāng)汽輪機或發(fā)電機甩負(fù)荷時使鍋爐不停運的一種控制措施。根據(jù)FCB后機組的不同運行要求，可分為機組帶廠用電單獨運行和停機不停爐2種運行方式，在電網(wǎng)恢復(fù)正常、具備送電條件時迅速恢復(fù)向電網(wǎng)送電，為其他機組提供啟動電源，促進電網(wǎng)盡快恢復(fù)正常供電。由于國內(nèi)電網(wǎng)的容量巨大，水電、火電等相互并存，因此沒有特別強調(diào)火電機組的FCB功能。2008年3月，國內(nèi)首次百萬千瓦超超臨界機組FCB試驗在上海外高橋第三發(fā)電廠7號機組取得成功，為其他大型火電機組實現(xiàn)FCB功能提供了經(jīng)驗。

為避免由于熱力、電氣系統(tǒng)配置不當(dāng)，導(dǎo)致機組FCB發(fā)生后存在汽機低負(fù)荷連續(xù)運行、給水溫度驟降、廠用電失去等風(fēng)險，機組FCB功能對蒸汽系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、給水系統(tǒng)等配置有較高要求，特別是新建大型火電機組，通過選用100%容量旁路、觸發(fā)機組RB（快速減負(fù)荷）、2號高壓加熱器（以下簡稱“高加”）不退出運行等熱力及電氣系統(tǒng)、控制策略、運行方式的改進，可確保機組較好地實現(xiàn)FCB功能。

1 主要設(shè)備概況

汽輪機為哈爾濱汽輪機廠設(shè)計制造的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽N1000-28/600/620型汽輪機，鍋爐為東方鍋爐廠設(shè)計制造的∏型直流爐，前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱，最大連續(xù)蒸發(fā)量2 880 t/h，主蒸汽壓力29.4 MPa，主蒸汽溫度605℃，再熱蒸汽出口壓力5.87 MPa，再熱蒸汽出口溫度623℃。發(fā)電機為哈爾濱電機廠設(shè)計制造的水氫氫、靜態(tài)勵磁汽輪發(fā)電機，額定功率1 008 MW，額定容量1 120 MVA，額定電壓27 kV。汽輪機DEH（數(shù)字電液控制系統(tǒng)）采用美國艾默生Ovation系統(tǒng)，汽輪機ETS（跳閘保護系統(tǒng)）采用ABB Symphony plus系統(tǒng)。

2 熱力系統(tǒng)配置

2.1 旁路裝置及再熱器

采用“三用閥”旁路系統(tǒng)，由100%容量的高壓旁路（以下簡稱“高旁”）、70%容量的低壓旁路（以下簡稱“低旁”）組成。高旁布置于鍋爐房內(nèi)主蒸汽聯(lián)箱出口，經(jīng)減溫減壓后接至再熱冷段蒸汽管道，減溫水取自高加出口，代替鍋爐過熱器安全閥。高旁出口壓力5.895 MPa，溫度400℃，流量3 334 t/h，高旁閥出口蒸汽管道采用A69121/4CrCl22材料。每臺機組設(shè)2套低旁，從汽輪機中壓缸入口前由再熱蒸汽2根支管分別接出，經(jīng)減溫減壓后接至凝汽器。低旁減溫水由凝結(jié)水系統(tǒng)引來，低旁出口至凝汽器最大容量按2 735 t/h選型。鍋爐不設(shè)置過熱器安全閥，再熱器系統(tǒng)配置4只100%容量的可調(diào)式安全閥，全部布置于再熱器出口處。旁路不設(shè)置單獨的控制系統(tǒng)，除了就地配置的安全門控制回路外，其它所有的調(diào)節(jié)和控制納入DCS（分散控制系統(tǒng)）。

2.2 給水泵汽輪機

采用1臺100%容量中高速給水泵汽輪機，最大出力為3 024 t/h，轉(zhuǎn)速范圍為2 542～4 711 r/min，功率53 MW。汽輪機與給水泵直接相連，采用四段抽汽或冷再汽源供給。正常運行時，汽動給水泵汽源取自四段抽汽，F(xiàn)CB時四段抽汽快速關(guān)斷，給水泵汽輪機汽源采用外切換方式自動切換為輔汽或冷再，為防止高壓再熱蒸汽竄入主汽輪機抽汽口，在汽源的切換過程中先切斷四段抽汽，再打開再熱蒸汽閥。給水泵汽輪機汽源切換如圖1所示。該方式容易導(dǎo)致給水泵汽輪機短時間缺汽，使給水泵轉(zhuǎn)速相應(yīng)下降并造成鍋爐短暫缺水，繼而出現(xiàn)水冷壁出口溫度迅速上升的情況，通過采用冷再到給水泵汽輪機高壓主汽門前電動截止門正常運行保持全開、優(yōu)化給水泵汽輪機閥位曲線等方式可以防范此情況的發(fā)生。

圖1 給水泵汽輪機汽源切換示意

2.3 除氧器

除氧器是整個汽水循環(huán)中主要的蓄水和緩沖環(huán)節(jié)。FCB工況下，高旁需要大量的減溫水進行冷卻，因此除氧器水箱的貯水量要加大。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為2 880 t/h，除氧器容量需要滿足6 min的BMCR（鍋爐蒸發(fā)量），因此除氧器水箱的貯水量為 2 880×6/60=288 m3。

考慮到輔助蒸汽聯(lián)箱的容量以及供汽速度要求，供汽方式采用再熱冷段蒸汽經(jīng)調(diào)節(jié)閥直接進除氧器。鍋爐滿負(fù)荷時甩負(fù)荷，低壓加熱器（以下簡稱“低加”）切除，根據(jù)凝結(jié)水流量、焓值以及冷再焓值，并維持VWO（閥門全開）工況除氧器出口溫度計算，除氧器緊急汽源量為 457.66 t/h，而安全閥的最大釋放量不小于除氧器的最大進汽量，因此，在除氧器設(shè)置2只8″的彈簧全啟式安全閥，并預(yù)留2個10″的彈簧全啟式安全閥接口，除氧器允許的冷再接口的最大進汽量為650 t/h。8″安全閥排放量各項參數(shù)如表1所示。

2.4 凝結(jié)水系統(tǒng)

為保護凝汽器不超溫，F(xiàn)CB時熱再蒸汽通過低旁時需要大量的減溫水，凝結(jié)水泵容量的選擇要考慮100%THA（熱耗率驗收）工況FCB時低旁的減溫水量，每臺機組設(shè)置2×100%電動凝結(jié)水泵，F(xiàn)CB時連鎖啟動第2臺備用凝結(jié)水泵，從而滿足在此工況下低旁減溫水量的要求。主廠房內(nèi)不設(shè)凝結(jié)水補水箱和補水泵，機組啟動上水和正常補水直接由化學(xué)水處理車間的補水泵提供?；瘜W(xué)水處理車間設(shè)有3 000 m3的除鹽水箱共3個，正常運行除鹽水補水泵2臺（100 m3/h，帶變頻）、啟動除鹽水補水泵2臺（450 m3/h），以滿足2臺機組正常運行和啟動補水的需要。100%負(fù)荷FCB工況下，快速啟動1臺除鹽水補水泵向凝汽器、除氧器補水，同時快速啟動備用凝結(jié)水泵和凝汽器熱井補水系統(tǒng)，避免除氧器及凝汽器熱井水位保護動作引起汽輪機跳閘。

表1 8"安全閥排放量參考數(shù)據(jù)

3 電氣系統(tǒng)的工藝及控制要求

發(fā)電機出口不設(shè)置GCB（出口斷路器），且起動/備用電源通過500 kV系統(tǒng)直接引接。在FCB工況下，主變壓器（以下簡稱“主變”）高壓側(cè)500 kV斷路器跳開，機組與系統(tǒng)解列。同時，發(fā)電機負(fù)荷迅速下降至與廠用電負(fù)載平衡并達到穩(wěn)定，實現(xiàn)停網(wǎng)不停電功能。

為實現(xiàn)FCB條件下發(fā)電機帶廠用電系統(tǒng)運行功能，電氣系統(tǒng)工藝及控制需滿足以下要求：

（1）安穩(wěn)裝置切機指令指向主變高壓側(cè)500 kV斷路器，不指向發(fā)變組保護外部跳閘，以保證機組與電網(wǎng)解列時正確觸發(fā)FCB邏輯。

（2）發(fā)變組設(shè)置零功率保護，以反映正向功率突降情況，同時發(fā)出機組FCB信號，各系統(tǒng)按照FCB邏輯進行快速調(diào)節(jié)，保證汽輪機和鍋爐在較低負(fù)荷水平下運行。

（3）發(fā)變組保護設(shè)置FCB信號出口，F(xiàn)CB信號由發(fā)電機零功率保護信號及主汽門位置構(gòu)成，即在發(fā)電機零功率保護動作且汽輪機主汽門仍然在開位時，認(rèn)為機組進入FCB狀態(tài)。

（4）發(fā)變組保護能正確區(qū)分外部電網(wǎng)故障和發(fā)電機異常運行。當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部故障時，保護正確動作；當(dāng)外部電網(wǎng)故障時，發(fā)變組保護跳開主變高壓側(cè)500 kV斷路器，發(fā)出FCB信號。

（5）發(fā)電機帶廠用電運行時，勵磁系統(tǒng)滅磁開關(guān)不跳閘，因此發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)需快速減至初始值，以維持發(fā)電機機端電壓穩(wěn)定。同時，發(fā)電機過電壓保護適當(dāng)放大，防止發(fā)電機在快速甩負(fù)荷時過電壓保護動作，而造成FCB失敗。

（6）機組FCB時，閉鎖廠用電切換，避免因500 kV系統(tǒng)失壓造成廠用電切換失敗，同時保持廠用電系統(tǒng)由發(fā)電機出口高壓廠用變壓器供電，以提供發(fā)電機功率輸出點。

（7）機組FCB信號可靠返回，以保證在FCB過程中出現(xiàn)發(fā)電機內(nèi)部故障時能可靠停機。

4 100%負(fù)荷FCB工質(zhì)平衡計算分析

旁路運行時，大部分蒸汽通過低旁在凝汽器內(nèi)冷卻后形成工質(zhì)循環(huán)鏈，此外還有給水泵汽輪機、除氧器、2號高加使用冷段蒸汽并回收。

4.1 高旁閥減壓及高旁噴水量計算

高旁BMCR工況下動作壓力為29.4×1.05=30.87 MPa，旁路入口溫度偏差5℃，溫度為610℃，焓值為3 470.42 kJ/kg，高旁入口流量為2 880 t/h。當(dāng)減溫水未正常投入時，高旁減壓至6.78 MPa（高排壓力的1.15倍），閥后溫度降為524℃（是焓為3 470.42 kJ/kg，壓力為6.78 MPa時對應(yīng)的溫度）。

高旁工質(zhì)平衡滿足：高旁入口的蒸汽流量×調(diào)節(jié)閥后出口的焓+高旁的噴水量×高旁噴水的焓=（高旁的噴水量+調(diào)節(jié)閥后出口的流量）×噴水后的焓。

根據(jù)高旁入口的蒸汽流量2 880 t/h，蒸汽焓值3 470.42 kJ/kg；高旁噴水溫度300℃；高旁噴水壓力32 MPa；高旁噴水焓值1 327.86 kJ/kg；高旁噴水后的溫度為370℃和400℃；高旁噴水后的壓力為6.78 MPa和6.78 MPa；高旁噴水后的焓值為3 081.33 kJ/kg和3 163.36 kJ/kg，計算得到：噴水后溫度在370℃時所需要的噴水量為639.1 t/h；噴水后溫度在400℃時所需要的噴水量為481.8 t/h。

4.2 低旁噴水量計算

根據(jù)低旁入口參數(shù)為5.483 MPa，620℃，3 709.69 kJ/kg；低旁出口參數(shù)為0.8 MPa，180℃，2 792.44 kJ/kg，2 735 t/h；噴水參數(shù)為3.0 MPa，34℃，145.16 kJ/kg，可反推出低旁入口蒸汽流量2 031.2 t/h，噴水量為703.8 t/h。

4.3 工質(zhì)平衡分析

表2所示為機組100%負(fù)荷FCB工況下的工質(zhì)平衡計算結(jié)果。

表2 100%負(fù)荷FCB工況下工質(zhì)平衡t/h

從表2可以看出，滿負(fù)荷工況下FCB時，將有431 t/h蒸汽通過再熱系統(tǒng)安全門排放到大氣，需要向系統(tǒng)補水方能維持工質(zhì)循環(huán)鏈。

5 控制策略設(shè)計

5.1 FCB工況控制策略

主變電網(wǎng)側(cè)故障或異常時，電氣系統(tǒng)通過邏輯判斷觸發(fā)FCB動作信號，DCS系統(tǒng)接收FCB觸發(fā)信號，協(xié)調(diào)系統(tǒng)切換至基本控制方式；RB回路動作，鍋爐目標(biāo)負(fù)荷50%，聯(lián)起汽輪機入口的啟動小旁路；DEH將汽輪機轉(zhuǎn)入帶負(fù)荷的轉(zhuǎn)速控制方式、定速目標(biāo)3 000 r/min，帶廠用電運行；旁路系統(tǒng)轉(zhuǎn)入壓力控制模式，按設(shè)定壓力曲線調(diào)整主/再熱蒸汽，打開高/低旁系統(tǒng)。FCB工況啟動曲線如圖2所示。

圖2 FCB工況啟動曲線

5.2 控制邏輯優(yōu)化

FCB試驗前必須完成邏輯修改及仿真試驗、熱工控制參數(shù)優(yōu)化調(diào)整試驗、旁路功能驗證試驗、變負(fù)荷試驗、機組75%和100%負(fù)荷的甩負(fù)荷試驗等，對機組熱力系統(tǒng)及自動控制能力進行驗證。具備FCB功能的機組，需要對協(xié)調(diào)、旁路、給水、凝結(jié)水、RB和DEH等系統(tǒng)的控制策略進行設(shè)計及優(yōu)化。

（1）FCB動作后，鍋爐主控切手動，目標(biāo)值降低到50%，觸發(fā)機組RB。

（2）FCB時，將壓力控制模式下主汽壓力設(shè)定值提高，有利于控制中間點溫度下降幅度，也有利于控制高旁減溫后的溫度、再熱器壓力。

（3）DCS判斷機組FCB觸發(fā)后，聯(lián)鎖發(fā)出給水泵汽輪機汽源切換指令，自動打開冷再至給水泵汽輪機汽源。

（4）FCB動作后，聯(lián)鎖啟動第2臺凝結(jié)水泵，如果采用變頻泵，將自動提升運行變頻泵頻率至50 Hz。

（5）FCB動作后，聯(lián)鎖啟動第3臺真空泵。

（6）FCB動作后，除氧器水位調(diào)節(jié)閥關(guān)小一定開度，保證低旁減溫水壓力。

（7）FCB動作后，聯(lián)鎖自動打開凝汽器水幕噴水氣動閥，降低高壓缸排汽溫度。

（8）FCB動作后，閉鎖高加進出口三通閥跳閘，至FCB復(fù)位后恢復(fù)，高加保護定值維持原值不變。

（9）FCB發(fā)生后，2號高加投入運行，有效利用冷再汽源，防止給水溫度大幅度下降。

（10）DCS判斷機組FCB動作后，自動完成除氧器汽源切換，此工況下如果除氧器設(shè)計采用冷再汽源加熱，冷再到除氧器的調(diào)壓閥要求有快開功能，且在結(jié)構(gòu)上具有安全功能，除氧器壓力升高，閥門即能可靠自動閉鎖。

（11）FCB動作后，將凝汽器補水水位設(shè)定值適當(dāng)提高，提前補水。

（12）DEH側(cè)并網(wǎng)邏輯增加主變出口開關(guān)狀態(tài)情況判斷。

（13）電氣系統(tǒng)發(fā)出FCB請求時，DEH側(cè)觸發(fā)FCB動作信號。

（14）FCB動作后，各高、低加危急疏水調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖打開一定開度并投入自動。

（15）FCB 動作后， 短時間（1 min）屏蔽 1 號、3號高加水位高連鎖，切除2號高加的保護。

（16）高加危急疏水閥在FCB時，自動開至某一位置。

（17）FCB時，輔助蒸汽供軸封調(diào)門延時約10 s，自動開啟約30%并投自動。

（18）電氣側(cè)送來的FCB觸發(fā)信號設(shè)置，如果有3個信號則進行三取二運算。

（19）當(dāng)電氣系統(tǒng)發(fā)出FCB請求或汽輪機跳閘時，DCS側(cè)觸發(fā)FCB動作信號；FCB動作一段時間后或鍋爐MFT（主燃料跳閘），F(xiàn)CB自動復(fù)位。

（20）FCB動作后，旁路快開后直接投入壓力控制模式，并將壓力控制模式下的主汽壓力設(shè)定值提高1.5 MPa，有利于控制中間點溫度下降幅度，也有利于控制高旁減溫后的蒸汽溫度及再熱器壓力。

6 結(jié)語

機組FCB工況下發(fā)生MFT后，機組過熱蒸汽、再熱蒸汽壓力和溫度發(fā)生劇變，容易造成鍋爐省煤器、水冷壁、過熱器、再熱器、主蒸汽和再熱汽管道氧化皮脫落引起鍋爐爆管，影響機組安全，降低機組使用壽命。

（1）具備FCB功能的機組可減少鍋爐MFT的發(fā)生次數(shù)，實現(xiàn)停機后快速重啟機組及并網(wǎng)，縮短機組啟動時間，增加機組可利用率，降低機組啟動成本，減少停機電量損失，對發(fā)電廠和電網(wǎng)均有利。

（2）FCB時需要確保旁路減溫水閥門、危急疏水閥門、輔助蒸汽閥門等關(guān)鍵設(shè)備的工作可靠和布置合理。比如：旁路噴水減溫系統(tǒng)閥門可采用安全門（流開型），以避免閥門打不開造成旁路閥后超溫超壓；高旁減溫水取主給水電動門后逆止門后管道，即使發(fā)生給水泵汽輪機跳閘導(dǎo)致鍋爐MFT，仍然能夠利用省煤器到給水泵出口這段管路之間的給水冷卻降溫。

（3）再熱（冷段）蒸汽管道采用ASTMA672B70 CL32電熔焊鋼管，ASME規(guī)范規(guī)定的溫度上限值是427℃，不能滿足減溫水故障情況下的高旁出口蒸汽溫度的要求。根據(jù)外高橋第三發(fā)電廠的經(jīng)驗，高旁出口管道連接采用合并后接入冷再熱蒸汽管道的方式，合并后出口的蒸汽溫度可以控制在生產(chǎn)廠家規(guī)定的480℃以下（高旁出口蒸汽設(shè)計溫度為380℃），并且高旁噴水減溫閥采用安全型閥門（流開型），確保高旁減溫水不斷水。

1 000 MW燃煤火電機組實現(xiàn)FCB功能，雖然需要適當(dāng)提高主/輔機設(shè)備的容量、參數(shù)和材質(zhì)，但是FCB動作后成功避免機組一次冷啟動，節(jié)約的燃料費、人工費、材料費等可達200萬元。

我國電網(wǎng)容量大，發(fā)生大面積崩潰的可能性很小，發(fā)電廠全壽命期內(nèi)發(fā)生單元機組與電網(wǎng)解列機組帶廠用電孤島運行的可能性較小，但大容量旁路的設(shè)置可以實現(xiàn)發(fā)電機、汽輪機故障跳閘時停機不停爐，鍋爐穩(wěn)定在一定負(fù)荷運行，待故障排除后汽輪機可在最短時間內(nèi)再啟動，顯著提升機組的運行安全性和電力輸送的保障能力。