聯(lián)合循環(huán)電廠“孤島運(yùn)行”的分析

王力 鳳思琪

摘 要：結(jié)合燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠孤島運(yùn)行的應(yīng)用，從電廠的基本配置出發(fā)，分析孤島運(yùn)行時(shí)各工藝系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、以及設(shè)備的安全運(yùn)行模式。同時(shí)，孤島運(yùn)行除了對(duì)電廠各工藝系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)有特殊要求，對(duì)電廠控制系統(tǒng)的控制邏輯以及自動(dòng)化響應(yīng)水平也有很高的要求。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化;孤島運(yùn)行;機(jī)組快速甩負(fù)荷;分散控制系統(tǒng)（DCS）

中圖分類號(hào)：TK08 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）18-0163-02

0 引言

對(duì)于一些電網(wǎng)不穩(wěn)定的國(guó)家和區(qū)域，尤其是一些海外電廠項(xiàng)目和一些自備電廠項(xiàng)目，會(huì)根據(jù)需求考慮孤島運(yùn)行模式，而孤島運(yùn)行模式從電廠前期規(guī)劃、設(shè)計(jì)、設(shè)備采購(gòu)、調(diào)試、運(yùn)行等環(huán)節(jié)都要做出充分的考慮，因此孤島運(yùn)行模式的安全性受到越來(lái)越多的關(guān)注和重視。但目前國(guó)內(nèi)采用孤島運(yùn)行的電廠并不多，也沒(méi)有相關(guān)規(guī)程規(guī)范對(duì)孤島運(yùn)行做出具體規(guī)定。近期在工作中，接觸到一個(gè)東南亞地區(qū)的聯(lián)合循環(huán)電廠項(xiàng)目，設(shè)置了孤島運(yùn)行模式，本文以此燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠為例對(duì)孤島運(yùn)行方式進(jìn)行簡(jiǎn)單分析及探討。

1 “孤島運(yùn)行”的定義

孤島運(yùn)行，即機(jī)組快速甩負(fù)荷至帶廠用電運(yùn)行，也就是我們常說(shuō)的FCB（Fast Cut Back）。FCB的基本功能是：機(jī)組在正常運(yùn)行（無(wú)MFT、汽機(jī)跳閘、發(fā)電機(jī)跳閘）工況下，由于系統(tǒng)外部原因造成電網(wǎng)瓦解時(shí)，機(jī)組FCB功能將自動(dòng)投入，快速甩負(fù)荷帶廠用電運(yùn)行，并在電網(wǎng)許可的情況下，重新并網(wǎng)向系統(tǒng)供電。機(jī)組孤島運(yùn)行期間，要求保證運(yùn)行參數(shù)在安全范圍內(nèi)，不引起保護(hù)動(dòng)作，不危及設(shè)備安全。

對(duì)于不同類型的電廠，孤島運(yùn)行模式的復(fù)雜程度不同，燃機(jī)的機(jī)組相對(duì)于燃煤機(jī)組簡(jiǎn)單一些，當(dāng)與電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，有燃機(jī)的電廠，不論是單循環(huán)還是聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，都可以切換到只有燃機(jī)進(jìn)行。同時(shí)，孤島運(yùn)行需要電廠控制系統(tǒng)快速自動(dòng)化響應(yīng)，在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)工藝系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)配置，周全考慮控制邏輯。

2 某燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠基本配置

2.1 機(jī)組配置

采用1套“三拖一”多軸布置燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，3臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī);3臺(tái)燃機(jī)發(fā)電機(jī);3臺(tái)無(wú)補(bǔ)燃、雙壓、臥式余熱鍋爐;1臺(tái)蒸汽輪機(jī)、1臺(tái)汽機(jī)發(fā)電機(jī)及其相關(guān)的輔助設(shè)備。電廠燃料為天然氣;全廠聯(lián)合循環(huán)機(jī)組凈出力約為260MW。電廠3D模型如圖1所示。

2.2 主要熱力系統(tǒng)

2.2.1 高壓蒸汽、低壓蒸汽及旁路系統(tǒng)

余熱鍋爐向汽輪機(jī)提供高壓蒸汽和低壓蒸汽，高壓及低壓蒸汽系統(tǒng)均為單元制系統(tǒng)。設(shè)置了一套高壓旁路系統(tǒng)，高壓旁路系統(tǒng)為100%余熱鍋爐高壓蒸汽容量，旁路出口接至凝汽器;設(shè)置了一套低壓旁路系統(tǒng)，低壓旁路系統(tǒng)為100%余熱鍋爐低壓蒸汽容量，旁路出口接至凝汽器。

2.2.2 高、低壓蒸汽及旁路管道的疏水系統(tǒng)

高、低壓蒸汽管道上設(shè)計(jì)足夠的疏水點(diǎn)，防止汽輪機(jī)進(jìn)水。從鍋爐出口到汽輪機(jī)的管路低點(diǎn)設(shè)置疏水點(diǎn)，并將疏水分別就近接到本體疏水?dāng)U容器或大氣式疏水?dāng)U容器。高、低壓蒸汽管的疏水管配置全行程氣動(dòng)操作的疏水閥。

2.2.3 凝結(jié)水系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)2×100%容量的立式凝結(jié)水泵和1臺(tái)軸封蒸汽冷卻器。每臺(tái)凝結(jié)水泵的容量按照旁路投運(yùn)時(shí)的最大凝結(jié)水量設(shè)計(jì)，正常運(yùn)行時(shí)1臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用。系統(tǒng)還設(shè)置1臺(tái)的凝結(jié)水補(bǔ)水箱和2×100%容量的凝結(jié)水輸送泵。

2.2.4 給水系統(tǒng)

給水泵把低壓汽包里的給水經(jīng)高壓給水操作臺(tái)輸送至高壓省煤器。每臺(tái)余熱鍋爐系統(tǒng)設(shè)置2×100%的電動(dòng)調(diào)速給水泵。采用液力耦合器進(jìn)行調(diào)速，以滿足機(jī)組啟動(dòng)和各種工況下的需要。給水泵一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。

2.2.5 供水系統(tǒng)

采用帶機(jī)力通風(fēng)冷卻塔的二次循環(huán)冷卻方式，補(bǔ)給水源為河水。循環(huán)水系統(tǒng)水源為經(jīng)過(guò)凈水站處理后的河水，循環(huán)水系統(tǒng)向凝汽器、水環(huán)式真空泵和閉式水熱交換器提供冷卻水，使機(jī)組在設(shè)計(jì)考核工況下正常運(yùn)行。循環(huán)水采用帶機(jī)力通風(fēng)冷卻塔的二次循環(huán)供水系統(tǒng)方式，配置兩臺(tái)一用一備的主循環(huán)水泵、兩臺(tái)一用一備的汽機(jī)輔機(jī)冷卻水泵、兩臺(tái)一用一備的燃機(jī)輔機(jī)冷卻水泵和3座機(jī)力通風(fēng)冷卻塔。

2.3 燃料供應(yīng)及燃燒系統(tǒng)

主燃料和備用燃料都是天然氣，廠內(nèi)設(shè)置天然氣調(diào)壓處理站，用以清除天然氣中的固體顆粒雜質(zhì)及液滴，并配置流量計(jì)對(duì)天然氣進(jìn)行精確計(jì)量，并將天然氣加熱至合適溫度，以滿足燃?xì)廨啓C(jī)的要求。

2.4 電氣系統(tǒng)

本期3臺(tái)燃機(jī)和1臺(tái)汽機(jī)均采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線，接入本期廠內(nèi)66kV配電裝置。66kV配電裝置采用雙母線接線型式，出線3回。含1個(gè)燃機(jī)主變進(jìn)線間隔、1個(gè)汽機(jī)主變進(jìn)線間隔、3個(gè)出線間隔、2個(gè)母線設(shè)備間隔和1個(gè)母聯(lián)間隔。66kV配電裝置采用戶外全封閉式組合電器（GIS）。燃機(jī)和汽機(jī)發(fā)電機(jī)出口均裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB）。

2.5 控制系統(tǒng)

采用一套分散控制系統(tǒng)（DCS）作為全廠主要的監(jiān)視及控制手段。余熱鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)及相關(guān)輔機(jī)等由分散控制系統(tǒng)（DCS）集中控制。燃機(jī)通過(guò)自身專用控制裝置對(duì)其啟動(dòng)、停止和運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視和控制。對(duì)于輔助廠房，大部分系統(tǒng)由分散控制系統(tǒng)（DCS）直接進(jìn)行操作和監(jiān)視。

3 孤島運(yùn)行方式說(shuō)明

3.1 進(jìn)入孤島運(yùn)行條件及運(yùn)行要求

當(dāng)外網(wǎng)故障，燃機(jī)主變高壓側(cè)斷路器跳閘時(shí)，進(jìn)入孤島運(yùn)行工況。

設(shè)計(jì)考慮孤島運(yùn)行工況如下：在孤島運(yùn)行時(shí)，只有燃機(jī)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)6.6kV工作A、B兩段均由燃機(jī)高廠變帶，6.6kV工作段之間的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)閉合;電負(fù)荷的性質(zhì)為“連續(xù)、長(zhǎng)期”，具體負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間參見(jiàn)“孤島運(yùn)行電負(fù)荷清單”;需考慮汽輪機(jī)及余熱鍋爐，使用廠用交流電源安全停機(jī);進(jìn)入孤島運(yùn)行方式的燃機(jī)需快速匹配廠用負(fù)荷的大小;需密切注意控制燃機(jī)轉(zhuǎn)速在規(guī)定的范圍內(nèi)，嚴(yán)防機(jī)組超速，維持安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 燃料、熱力系統(tǒng)運(yùn)行

3.2.1 燃料系統(tǒng)運(yùn)行

天然氣系統(tǒng)是按照燃機(jī)的滿負(fù)荷用氣量設(shè)計(jì)的，當(dāng)發(fā)生孤島運(yùn)行時(shí)，燃機(jī)將會(huì)降負(fù)荷運(yùn)行，天然氣系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)生變化，根據(jù)燃機(jī)降負(fù)荷后需要的天然氣量自動(dòng)調(diào)整，調(diào)壓站系統(tǒng)的安全閥不開(kāi)啟，調(diào)壓站系統(tǒng)維持燃機(jī)入口壓力要求。

3.2.2 燃機(jī)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行

由于本工程閉式水系統(tǒng)設(shè)置有兩臺(tái)互為備用的燃機(jī)單循環(huán)閉式泵和兩臺(tái)互為備用的聯(lián)合循環(huán)閉式泵，發(fā)生孤島運(yùn)行時(shí)，僅一臺(tái)燃機(jī)單循環(huán)閉式泵運(yùn)行，滿足燃機(jī)冷卻水系統(tǒng)需求。

輔機(jī)冷卻水部分也單獨(dú)設(shè)置有兩臺(tái)互為備用的單循環(huán)輔機(jī)冷卻水泵和兩臺(tái)互為備用的聯(lián)合循環(huán)輔機(jī)冷卻水泵，發(fā)生孤島運(yùn)行時(shí)，僅一臺(tái)單循環(huán)輔機(jī)冷卻水泵運(yùn)行。

3.2.3 潤(rùn)滑油系統(tǒng)運(yùn)行 及汽輪機(jī)循環(huán)水及冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行

當(dāng)發(fā)生孤島運(yùn)行汽輪機(jī)安全停運(yùn)時(shí)，汽輪機(jī)的潤(rùn)滑油系統(tǒng)汽輪機(jī)完全停運(yùn)后停運(yùn)潤(rùn)滑油系統(tǒng)。汽輪機(jī)的循環(huán)水及冷卻水系統(tǒng)繼續(xù)但要減負(fù)荷運(yùn)行，各個(gè)設(shè)備的用水量滿足設(shè)備機(jī)械冷卻要求，待汽輪機(jī)完全停運(yùn)后，根據(jù)排汽缸溫度停運(yùn)汽輪機(jī)循環(huán)水及冷卻水系統(tǒng)的輔助設(shè)備。

3.3 供水系統(tǒng)和化學(xué)水處理系統(tǒng)的運(yùn)行

當(dāng)發(fā)生孤島運(yùn)行汽輪機(jī)安全停運(yùn)時(shí)，機(jī)力塔、主循環(huán)水泵、汽機(jī)輔機(jī)循環(huán)水泵和燃機(jī)輔機(jī)冷卻水要正常運(yùn)行，待汽輪機(jī)完全停運(yùn)后再停運(yùn)機(jī)力塔、主循環(huán)水泵和燃機(jī)輔機(jī)冷卻水泵。

孤島運(yùn)行時(shí)，除鹽水用量減少，補(bǔ)給水處理系統(tǒng)可以保持除鹽水箱液位在一定范圍，低液位時(shí)除鹽水設(shè)備投運(yùn)，高液位時(shí)除鹽水設(shè)備停運(yùn)。（高液位可設(shè)為4米，低液位設(shè)為2米）。循環(huán)水加藥系統(tǒng)和化學(xué)加藥系統(tǒng)都根據(jù)實(shí)際需求間斷運(yùn)行。

3.4 電氣系統(tǒng)

3.4.1 發(fā)變組保護(hù)孤島運(yùn)行內(nèi)容

主變高壓側(cè)外部發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作于解列，跳主變高壓側(cè)斷路器，此時(shí)發(fā)電機(jī)帶廠用電運(yùn)行。 發(fā)電機(jī)在低頻、失步等情況下，發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作解列，跳主變高壓側(cè)斷路器，此時(shí)發(fā)電機(jī)帶廠用電運(yùn)行。發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作后，需要進(jìn)行手動(dòng)復(fù)歸。

3.4.2 電氣系統(tǒng)的孤島運(yùn)行控制

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，跳高壓側(cè)斷路器，發(fā)汽機(jī)甩負(fù)荷命令，汽機(jī)不帶負(fù)荷。由電氣SCADA系統(tǒng)將主變高壓側(cè)斷路器跳閘信號(hào)經(jīng)遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)發(fā)至調(diào)度，通知電網(wǎng)機(jī)組已經(jīng)解列。機(jī)組成功進(jìn)入孤島運(yùn)行方式后，DCS根據(jù)負(fù)荷及轉(zhuǎn)速偏差以及轉(zhuǎn)速穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間判斷機(jī)組是否已經(jīng)進(jìn)入孤島穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)運(yùn)行人員確認(rèn)后，通過(guò)DCS給升壓站發(fā)孤島方式穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)并傳至電網(wǎng)。升壓站收到電網(wǎng)并網(wǎng)指令后，進(jìn)行同期并網(wǎng)操作，并網(wǎng)后機(jī)組根據(jù)電網(wǎng)指定的發(fā)電量穩(wěn)定運(yùn)行。

孤島運(yùn)行工況發(fā)生時(shí)，發(fā)電機(jī)出口斷路器不動(dòng)作，滅磁開(kāi)關(guān)不跳閘，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)（AVR）快速減磁，維持機(jī)端電壓穩(wěn)定，不切換廠用電，由發(fā)電機(jī)通過(guò)高廠變自帶廠用負(fù)荷。

3.5 控制邏輯

當(dāng)所有52L開(kāi)關(guān)全部斷開(kāi)，也即是全部從電網(wǎng)分離，此時(shí)電廠進(jìn)入孤島模式。當(dāng)發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，燃機(jī)應(yīng)該確保負(fù)荷的供給;廠用電負(fù)荷可能在0MW至4.2MW，燃機(jī)控制系統(tǒng)要確保轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性;再次并網(wǎng)將使用52L開(kāi)關(guān)，通過(guò)SPEEDTRONIC而不是GCP來(lái)實(shí)現(xiàn);DCS提供一個(gè)目標(biāo)負(fù)載模擬信號(hào)給燃機(jī)。

3.6 孤島運(yùn)行轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行方式

當(dāng)電廠接到外網(wǎng)恢復(fù)信號(hào)后，可從孤島運(yùn)行方式開(kāi)始向正常運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程跟機(jī)組單循環(huán)向聯(lián)合循環(huán)過(guò)程轉(zhuǎn)換方式一致。

4 結(jié)語(yǔ)

具有FCB功能的機(jī)組在廠側(cè)或外網(wǎng)事故發(fā)生時(shí)相比于MFT能夠大大的減少電廠的損失，節(jié)約電廠的運(yùn)行成本，同時(shí)也有助于整個(gè)電網(wǎng)在可能的最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，降低電網(wǎng)事故損失，對(duì)于提高機(jī)組的可利用率和經(jīng)濟(jì)性、降低電網(wǎng)事故損失和社會(huì)影響、以及降低電廠運(yùn)行成本、保護(hù)電廠主設(shè)備和降低設(shè)備損耗、提高自身競(jìng)爭(zhēng)力等方面，都有重要影響。

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