摘 要：現(xiàn)代火力發(fā)電廠基于安全控制理念的不斷提升，機(jī)組容量越大自動(dòng)控制功能越全面，一些新的安全控制策略和方法如汽輪機(jī)超速保護(hù)控制（OPC）、調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的超馳控制、機(jī)組的輔機(jī)故障減負(fù)荷（RB）和機(jī)組快速切負(fù)荷FCB）等控制也開(kāi)始廣泛應(yīng)用。熱力生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的根本意義已經(jīng)由簡(jiǎn)單的“減少人工、節(jié)省體力”轉(zhuǎn)變成更為高級(jí)的 “安全控制”以確保生產(chǎn)和設(shè)備的安全。

關(guān)鍵詞：超馳；OPC；RB；FCB

引言

一談起工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化，人們對(duì)其作用通常首先想到就是“減少人工、節(jié)省體力”，這種想法對(duì)于早期的工業(yè)控制應(yīng)該說(shuō)表述基本恰當(dāng)，但對(duì)于現(xiàn)代的工業(yè)裝備，特別近年來(lái)投產(chǎn)的單機(jī)600MW以上容量、超臨界甚至超超臨界參數(shù)的大型火力發(fā)電機(jī)組而言就有定位不準(zhǔn)之嫌了。隨著火力發(fā)電機(jī)組容量增大，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)越來(lái)越高，系統(tǒng)設(shè)備也越來(lái)越多，從而使機(jī)組工藝系統(tǒng)設(shè)備之間更加需要緊密的關(guān)聯(lián)起來(lái)，在機(jī)組的運(yùn)行中，工況的轉(zhuǎn)變速度也隨著機(jī)組容量的增大而變得越來(lái)越快速，進(jìn)而使人工操作的難度大幅提高，尤其是在機(jī)組啟動(dòng)和停運(yùn)以及負(fù)荷的突然變化過(guò)程中，大量的設(shè)備需要啟停切換、參數(shù)需要調(diào)整，操作人員需要在有限的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)應(yīng)的工作。這樣就使操作人員的精神處于高度緊張狀態(tài)、且勞動(dòng)強(qiáng)度、操作風(fēng)險(xiǎn)性也大幅提高，一旦操作不慎就可能發(fā)生不安全事件，更為嚴(yán)重的情況就會(huì)造成巨大得經(jīng)濟(jì)損失。

現(xiàn)代火力發(fā)電廠基于安全控制理念的不斷提升，機(jī)組容量越大自動(dòng)控制功能越全面，一些新的安全控制策略和方法也開(kāi)始廣泛應(yīng)用。熱力過(guò)程高端安全自動(dòng)控制涉及到許多方面，例如汽輪機(jī)控制中的OPC（Over Speed Protection Control-超速保護(hù)控制）、調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的超馳（Override Control-安全轉(zhuǎn)向控制）、機(jī)組的RB（Run Back-輔機(jī)故障減負(fù)荷）和FCB（Fast Cut Back，機(jī)組快速切負(fù)荷）等控制。熱力生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的根本意義已經(jīng)由簡(jiǎn)單的“減少人工、節(jié)省體力”轉(zhuǎn)變成更為高級(jí)的 “安全控制”以確保生產(chǎn)和設(shè)備的安全。

1 OPC控制

OPC是汽輪機(jī)用快速的調(diào)節(jié)機(jī)制抑制轉(zhuǎn)速飛升防止汽輪機(jī)超速跳閘的一種控制方式。正常運(yùn)行中的汽輪發(fā)電機(jī)如果因故突然甩負(fù)荷，過(guò)渡過(guò)程中轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)偏差足以讓汽機(jī)跳閘，這種異常跳閘對(duì)汽輪機(jī)而言無(wú)論在經(jīng)濟(jì)還是安全方面都是一種危害。OPC就是在可控的條件下最大限度地避免汽輪機(jī)發(fā)生無(wú)謂跳閘的安全控制功能?？煽康腛PC控制必須有超速預(yù)測(cè)能力，現(xiàn)代預(yù)測(cè)汽機(jī)超速的實(shí)用方法是將發(fā)電機(jī)負(fù)荷信號(hào)（發(fā)電機(jī)電流）減去折算量綱后的汽輪機(jī)中壓缸入口汽壓，即為機(jī)組瞬間功率不平衡信號(hào)作為超速預(yù)測(cè)量。若功率不平衡信號(hào)等于零，則機(jī)組將保持轉(zhuǎn)速恒定，如果功率不平衡信號(hào)變大（發(fā)電機(jī)負(fù)荷小于中壓缸入口汽壓），預(yù)示汽輪機(jī)將被加速。當(dāng)轉(zhuǎn)速或預(yù)測(cè)超速量至大于規(guī)定值時(shí)，緊急關(guān)閉汽輪機(jī)高壓缸和中壓缸調(diào)門(mén)避免汽機(jī)進(jìn)一步超速，3～5秒后再重新開(kāi)啟，維持汽輪機(jī)繼續(xù)正常運(yùn)行。OPC具有兼顧電網(wǎng)和電廠兩方面運(yùn)行安全的作用，對(duì)電網(wǎng)能夠有效平抑突發(fā)性甩負(fù)荷造成的波動(dòng)，對(duì)電廠能減少汽輪機(jī)超速跳閘的次數(shù)。

2 超馳控制

什么叫超馳控制呢？超馳控制就是當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)事故報(bào)警、信號(hào)偏差過(guò)大、信號(hào)越限、故障等異常時(shí)，控制邏輯將根據(jù)引起事故發(fā)生的信號(hào)將控制系統(tǒng)切手動(dòng)狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)的輸出依據(jù)其特點(diǎn)實(shí)行優(yōu)先增、優(yōu)先減或者禁止增、禁止減等邏輯功能，從而使系統(tǒng)設(shè)備朝著預(yù)先設(shè)定好的安全狀態(tài)動(dòng)作，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。早期的控制系統(tǒng)絕大部分都缺少對(duì)系統(tǒng)內(nèi)、外設(shè)備狀態(tài)的識(shí)別，其安全防護(hù)能力也就不高了。系統(tǒng)中信號(hào)的輸入端有稍偏差，無(wú)論系統(tǒng)內(nèi)部是否出現(xiàn)問(wèn)題或外部生產(chǎn)設(shè)備工作是否異常，控制器就會(huì)發(fā)出動(dòng)作指令。超馳控制的優(yōu)點(diǎn)就在于能有效地改善上述控制系統(tǒng)中的缺點(diǎn)。在系統(tǒng)內(nèi)部，它能夠判斷自動(dòng)控制過(guò)程中，變送器信號(hào)本身的品質(zhì)，還能夠判斷變送器信號(hào)的輸入輸出偏差限值等。自動(dòng)控制系統(tǒng)在檢測(cè)儀表本身出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)的本身已不具有實(shí)際意義，此時(shí)，超馳控制便會(huì)將回路由自動(dòng)控制方式切換到手動(dòng)控制方式；對(duì)于外部系統(tǒng)而言，在自動(dòng)控制儀表正常時(shí)，如果機(jī)組各設(shè)備或運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生異動(dòng)，超馳控制又能夠根據(jù)其判定邏輯改變自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略或運(yùn)行方式，從而使機(jī)組運(yùn)行走向安全，避免危險(xiǎn)工況的發(fā)生。

3 RUN BACK（RB）控制

火力發(fā)電廠除了機(jī)、爐、發(fā)電機(jī)等主要設(shè)備外，還有許多重要的輔機(jī)，如鍋爐的送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)，給水系統(tǒng)的給水泵、循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)水泵等，從安全和經(jīng)濟(jì)方面考慮，這些輔機(jī)通常都是雙套布置，出力各占50%，如果運(yùn)行中某臺(tái)輔機(jī)故障退出，最直接的影響就是機(jī)組帶負(fù)荷能力立刻失去50%。機(jī)組正常運(yùn)行中突然出現(xiàn)這種異常工況運(yùn)行人員如果反應(yīng)不及時(shí)造成停機(jī)停爐的概率相對(duì)較高，而實(shí)踐證明靠人來(lái)實(shí)現(xiàn)大容量機(jī)組（300MW以上）RB工況操作難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高。設(shè)計(jì)和運(yùn)用自動(dòng)控制裝置來(lái)完成機(jī)組的RB功能就成為現(xiàn)代大型火力發(fā)電機(jī)組的一種必然，極大的提高了機(jī)組的運(yùn)行安全水平。

4 FAST CUT BACK（FCB）控制

機(jī)組在應(yīng)對(duì)突發(fā)大幅度甩負(fù)荷的快速反應(yīng)機(jī)制方面代表性的高端功能是FCB。FCB是指運(yùn)行中的機(jī)組在電網(wǎng)故障解列，發(fā)電機(jī)或汽輪機(jī)跳閘，機(jī)組瞬間甩負(fù)荷，而鍋爐側(cè)沒(méi)有主燃料跳閘（MFT）時(shí)，機(jī)組帶廠用電運(yùn)行或“停機(jī)不停爐”的自動(dòng)控制功能。FCB功能的優(yōu)秀實(shí)現(xiàn)能夠給電網(wǎng)帶來(lái)非常多的好處，如2003年8月14日美國(guó)中西部和東北部的大部分地區(qū)及加拿大安大略省發(fā)生的大面積停電事故，此次事故影響人口約5000萬(wàn)，僅僅美國(guó)的停電損失高達(dá)約40億～100億美元。在這次停電事故中暴露出的主要問(wèn)題就是，美國(guó)的電網(wǎng)和各發(fā)電廠之間在整個(gè)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)以及設(shè)備在安全性方面都存在隱患。從上述事件可以看出，發(fā)電廠如果能夠機(jī)組遭遇緊急故障的情況下（不論故障來(lái)源于電網(wǎng)還是來(lái)自于電廠本身），機(jī)組的FCB控制功能能夠優(yōu)秀的實(shí)現(xiàn)，從而使機(jī)組處于“孤島運(yùn)行”方式，那么電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性就能夠得到可靠地保障。

機(jī)組FCB功能的可靠實(shí)現(xiàn)還能夠使電網(wǎng)在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，其對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性有非常大的幫助，具有巨大的社會(huì)效益。對(duì)于電廠方面而言，也能在設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面提供很大的便利。在電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故時(shí)，F(xiàn)CB功能所實(shí)現(xiàn)的“孤島運(yùn)行”的措施，能夠快速恢復(fù)機(jī)組對(duì)電網(wǎng)供電，進(jìn)而在機(jī)組事故停運(yùn)過(guò)程中最有效的減輕金屬應(yīng)力損傷，保證電廠設(shè)備的安全。從以上FCB實(shí)現(xiàn)的功能可以看出，F(xiàn)CS能夠減少機(jī)組誤停、減緩機(jī)組溫差應(yīng)力，并且降低能量損耗。綜上所述，F(xiàn)CB功能能夠提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，還能夠減少電廠的設(shè)備損耗、能量損耗，提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

由多次電廠異常工況的事件可以看出，高端控制技術(shù)在保證電廠高度安全性方面所起的作用是不可替代的，這是因?yàn)槊鎸?duì)突發(fā)故障，機(jī)組立即失去全部負(fù)荷，留給控制的反應(yīng)時(shí)間不足3秒。在如此短的時(shí)間內(nèi)靠人工操作同時(shí)打開(kāi)鍋爐電磁泄放閥、汽輪機(jī)旁路、調(diào)節(jié)鍋爐燃料、給水、汽溫、汽壓并延續(xù)機(jī)組的運(yùn)行，早就超出了人的反應(yīng)極限。而FCB功能則能夠在機(jī)組懸于全停邊緣的瞬間全面地實(shí)現(xiàn)機(jī)組的快速自動(dòng)控制，使機(jī)組朝著安全運(yùn)行的方向調(diào)節(jié)，從而確保機(jī)組的安全運(yùn)行。

FCB功能給電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)的種種好處顯而易見(jiàn)，其主要的表現(xiàn)有以下幾點(diǎn)：（1）在控制機(jī)組脫離緊急故障時(shí)，既能調(diào)節(jié)機(jī)組朝正常的方向運(yùn)行，又能夠保證機(jī)組的熱力參數(shù)在安全的范圍內(nèi)；（2）FCB與MFT比較而言，F(xiàn)CB的觸發(fā)給故障排除提供了機(jī)會(huì)和可能性。無(wú)論是“停機(jī)不停爐”還是僅僅帶廠用電運(yùn)行都能夠使機(jī)組維持著正常的運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)事故原因得到確認(rèn)和消除時(shí)，機(jī)組就能迅速的帶上正常負(fù)荷。如此一來(lái)，機(jī)組運(yùn)行成本和非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)就都得到了有效控制；（3）在熱力機(jī)械壽命方面，若鍋爐快速變工況，例如滿負(fù)荷時(shí)突然發(fā)生MFT，其溫度、壓力波動(dòng)幅度將發(fā)生大幅變化。如果不設(shè)計(jì)FCB功能，那么引起鍋爐MFT的可能性將大幅提高，發(fā)生鍋爐MFT的次數(shù)也會(huì)提高，從而使金屬應(yīng)力變化幅度和次數(shù)隨之增加，降低設(shè)備的熱力機(jī)械壽命。而成功的FCB控制，會(huì)使機(jī)、爐熱力參數(shù)被控制在設(shè)計(jì)得允許范圍內(nèi)，降低設(shè)備應(yīng)力損耗，提高設(shè)備的使用壽命。

當(dāng)然，既然是高端控制必然具備相當(dāng)高度的技術(shù)門(mén)檻，實(shí)現(xiàn)FCB具有一定的技術(shù)難度，主要是被控的運(yùn)行工況嚴(yán)酷，成功的可能僅存瞬息，運(yùn)行參數(shù)趨近紅線，實(shí)際上是在事故邊緣力挽機(jī)組安全。這就要求機(jī)組的各自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠快速、全面的參與其中，并且各自動(dòng)控制系統(tǒng)都要對(duì)控制方式切換、過(guò)程調(diào)節(jié)作出快速準(zhǔn)確的反應(yīng)。

機(jī)組FCB功能的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，能夠提高電網(wǎng)和電廠長(zhǎng)期的安全運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性。但是，高端的自動(dòng)控制技術(shù)需要有安全可靠的工業(yè)設(shè)備作為基礎(chǔ)。因此，要準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)FCB功能，就要做好機(jī)組設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、控制策略、安裝調(diào)試等方面的工作。良好的鍋爐燃燒特性；優(yōu)秀的汽輪機(jī)運(yùn)行性能；可靠快速地電氣系統(tǒng)設(shè)備；容量合適的鍋爐壓力飛升控制設(shè)備，都是其實(shí)現(xiàn)的必要條件。另外，F(xiàn)CB還要求有高端的全過(guò)程、全自動(dòng)熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)與之相輔相成。高級(jí)的工業(yè)設(shè)備要有高端的自動(dòng)控制才能有高度的運(yùn)行安全。

參考文獻(xiàn)

[1]王立地，姚金環(huán).機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)用策略及調(diào)試[J].華東電力，1996（3）：24-28.

[2]王立地，姚金環(huán).國(guó)產(chǎn)300MW機(jī)組新型DEH的特點(diǎn)[J].華東電力，1997（3）：22-25.

[3]姚金環(huán).分散控制系統(tǒng)中的超馳控制[J].華東電力，2000（3）：53.

[4]王立地，姚金環(huán).FCB功能的成功應(yīng)用與一種新的實(shí)現(xiàn)方案[J]. 自動(dòng)化儀表，2004（6）：48-52.

[5]姚金環(huán).對(duì)FCB若干問(wèn)題的探討[J].電力技術(shù)，2007（5）：40-44.

作者簡(jiǎn)介：王繼鵬（1980，10-），男，漢族，陜西西安，工程師，研究方向：熱工自動(dòng)化。