賢建偉

(上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司，上海 200233)

0 引言

快速甩負(fù)荷(fast cut back，F(xiàn)CB)是指機(jī)組在高于某一負(fù)荷之上運(yùn)行時，因內(nèi)部或外部發(fā)生故障與電網(wǎng)解列，瞬間甩掉全部對外供電負(fù)荷，僅維持鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，實現(xiàn)“帶廠用電孤島運(yùn)行”的自動控制功能[1]。FCB 運(yùn)行對機(jī)組尤其是汽輪機(jī)的損傷極大，會縮短機(jī)組壽命。但是，在印度、印尼等電力發(fā)展不足的國家，電網(wǎng)非常薄弱，也很不穩(wěn)定，整個電網(wǎng)和發(fā)電廠的管理還存在很多問題，發(fā)電機(jī)組誤跳或外部原因造成機(jī)組跳閘的機(jī)率很高，出于及早恢復(fù)發(fā)電和減少電網(wǎng)倒送電的目的，普遍要求機(jī)組具備FCB 運(yùn)行能力[2]。海外某燃煤電站350 MW 項目是上海電氣集團(tuán)股份有限公司首次實現(xiàn)FCB 演示試驗的燃煤機(jī)組，其成功經(jīng)驗值得借鑒。

1 機(jī)組情況

機(jī)組為350 MW 國產(chǎn)亞臨界燃煤機(jī)組，具體配置如下。

(1) 鍋爐是上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的SG-1200/17.5-M741 型采用亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、單爐膛、四角切圓燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π 型汽包爐，制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置六臺中速磨煤機(jī)，五用一備。

(2) 汽輪機(jī)是上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的N350-16.7/537/537 型亞臨界、反動式、單軸、一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式機(jī)組。

(3) 發(fā)電機(jī)是上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司生產(chǎn)的QFSN-350-2 型，額定容量412 MVA，額定功率350 MW，冷卻方式為定子繞組水冷，轉(zhuǎn)子繞組及鐵心氫冷。

(4) 旁路采用高、低壓二級串聯(lián)旁路系統(tǒng)，容量為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continuous rating，BMCR)的30 %，用于改善機(jī)組啟動條件、避免再熱器干燒、回收工質(zhì)，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

(5) 鍋爐在燃用設(shè)計煤種時最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷為40 % BMCR，設(shè)計配置兩只主蒸汽壓力泄放閥(pressure control valve，PCV)，泄放流量為20 % BMCR；配有汽包4 個安全門，過熱器出口2個安全門，再熱器入口2個安全門，出口3個安全門。

(6) 給水系統(tǒng)設(shè)置兩臺50 % BMCR 容量的汽動給水泵和一臺25 % BMCR 容量的啟動/備用電動調(diào)速給水泵。給水泵汽輪機(jī)正常工作汽源來自主汽輪機(jī)的四級抽汽，當(dāng)主汽輪機(jī)負(fù)荷降至正常汽源壓力不能滿足要求時切換到備用汽源。

2 機(jī)組配置FCB 功能實施要求

2.1 FCB 功能實現(xiàn)難點

在FCB 工況下，旁路打開，鍋爐快速降負(fù)荷，汽輪機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式，各種主要輔機(jī)如引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、給水泵、循環(huán)水泵等也要維持穩(wěn)定運(yùn)行。因此，為實現(xiàn)FCB 功能，電廠的系統(tǒng)配置會有所不同，協(xié)調(diào)控制的難度也大大增加。

2.1.1 鍋爐側(cè)

(1) 鍋爐PCV 閥控制要單獨設(shè)置FCB 定值區(qū)。FCB 信號一發(fā)出，PCV 閥必須立即觸發(fā)開啟泄壓，以減小蒸汽壓力波動幅度，這樣對給水調(diào)節(jié)、高旁開啟有利，也能最大程度避免超壓。

(2) 給水控制回路的修正。發(fā)生FCB 時鍋爐汽水系統(tǒng)變化劇烈，汽包虛假水位嚴(yán)重且不可避免，對給水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能提出了很高的要求?？刂苹芈吩黾覨CB 造成的汽包壓力波動前饋，還必須新建FCB 狀態(tài)下主汽系統(tǒng)新的數(shù)學(xué)預(yù)估模型和參數(shù)來參與給水控制。

(3)汽包鍋爐燃燒控制要增加FCB 造成汽包壓力波動前饋和高/低加退出運(yùn)行的回路參數(shù)修正。FCB 動作，燃燒系統(tǒng)甩至機(jī)組最大連續(xù)工況(maximum continuous rating，MCR) 的40 %，應(yīng)先穩(wěn)定機(jī)組工況，根據(jù)汽包壓力變化前饋適當(dāng)提前增加燃料，提高蒸汽溫度，汽溫回升后再逐步遞減回40 % MCR 正常工況。

(4) FCB 觸發(fā)后，主、再熱蒸汽減溫水立即快減到0 且閉鎖投運(yùn)減溫水2 min，將煙道擋板再熱器一側(cè)全開，低壓過熱器一側(cè)關(guān)閉，退出鍋爐吹灰器運(yùn)行。

2.1.2 汽輪機(jī)側(cè)

汽輪機(jī)在旁路投運(yùn)的低負(fù)荷工況下有以下運(yùn)行和配置要求。

(1) 增加高排通風(fēng)閥尺寸或容量。鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷和廠用電運(yùn)行時汽輪機(jī)的負(fù)荷不匹配，多余的蒸汽排入旁路，導(dǎo)致低壓旁路壓力(即高排壓力)升高，需打開高排通風(fēng)閥以維持較低的高排壓力。對于常規(guī)不帶FCB 功能的機(jī)組，高排通風(fēng)閥僅承擔(dān)啟動流量，如滿足帶廠用電運(yùn)行，通風(fēng)閥尺寸或容量需增加1 倍以上。

(2) 旁路容量及選型：在機(jī)組重新并網(wǎng)前，要求旁路絕對壓力降低至0.828 MPa 以下，以保證并網(wǎng)后高排逆止門能打開，旁路容量選擇時需要考慮該工況。

(3) 背壓限制：為了防止低壓缸排汽溫度高，廠用電運(yùn)行時需要保持較低的凝汽器背壓值和再熱溫度。

(4) 高、低旁路必須是液壓或氣動控制，具備快開功能，自動調(diào)節(jié)性能良好。日常運(yùn)行期間高、低旁路在熱備用狀態(tài)，F(xiàn)CB 一旦觸發(fā)，高、低旁路立即開啟泄壓，和PCV 閥配合消除鍋爐超壓危險，直至鍋爐主汽壓降至40 % MCR 工況對應(yīng)值后再維持該壓力。

2.1.3 電氣及控制

電氣要修正滅磁邏輯。一般情況下，發(fā)電機(jī)解列后廠用電會切換至備用變壓器，并由勵磁柜進(jìn)行滅磁，發(fā)電機(jī)出口電壓降至0。但FCB 不同，勵磁系統(tǒng)要能快速減磁而非滅磁，必須實現(xiàn)維持發(fā)電機(jī)出口電壓正常及帶廠用電的功能[2]，以維持機(jī)組孤島運(yùn)行。

2.1.4 DCS 控制邏輯

DCS 控制要包含F(xiàn)CB 工況判斷及相關(guān)控制策略，包括汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(digital electric hydraulic control system，DEH)的控制策略。

2.2 機(jī)組優(yōu)化措施

機(jī)組初始設(shè)計并未考慮FCB 功能，為了實現(xiàn)FCB 演示試驗，在設(shè)計上作了一些變更，對DCS邏輯（包括DEH 系統(tǒng)控制邏輯）進(jìn)行了適應(yīng)性優(yōu)化。

2.2.1 設(shè)計方面

(1) 考慮FCB 工況汽輪機(jī)高壓排汽參數(shù)和下游蒸汽流量需求，再熱器冷段(冷再)至輔汽聯(lián)箱管道由φ219×9 mm 優(yōu)化至φ273×11 mm。

(2) 高排通風(fēng)閥原口徑為5.24 cm，用于汽輪機(jī)啟動沖轉(zhuǎn)，但不足以承擔(dān)并網(wǎng)帶負(fù)荷后的高壓缸通流量(高排逆止門未開啟)，經(jīng)計算高排通風(fēng)閥口徑改為20.23 cm。

(3) 鍋爐原設(shè)計配置兩只PCV 閥，需增加一只PCV 閥，排放總流量達(dá)到30 % BMCR。

2.2.2 控制邏輯方面

(1) 增加FCB 判斷條件。

(2) 增加FCB 過程的DEH 控制策略。

(3) 增加FCB 過程的旁路控制策略。

(4) 增加FCB 工況鍋爐主蒸汽壓力控制策略。

(5) 增加FCB 工況燃料控制策略。

3 演示試驗過程及結(jié)果

孤島試驗前，進(jìn)行PCV 閥的開關(guān)試驗、油槍試投；汽機(jī)的交直流油泵、電動給水泵、真空泵和凝結(jié)水泵試運(yùn)；聯(lián)鎖投入；輔汽供汽由四抽和冷再同時供應(yīng)，除氧器加熱改為輔汽加熱；柴油發(fā)電機(jī)試投；廠用電快切檢查試投合格；試驗前方案討論交底，試驗過程注意事項交接、人員預(yù)演等。

機(jī)組負(fù)荷352 MW，僅解除汽包水位保護(hù)功能(退出10 min)，高、低壓旁路閥均為自動控制方式且開度為零，輔汽供汽由四抽和冷再同時供應(yīng)，除氧器加熱改為輔汽加熱，汽包水位調(diào)節(jié)在孤島運(yùn)行信號發(fā)出后由三沖量自動變?yōu)閱螞_量調(diào)節(jié)，在協(xié)調(diào)控制模式下，三臺磨煤機(jī)負(fù)荷設(shè)定為每臺30 t/h，且孤島運(yùn)行信號發(fā)出后自動退出協(xié)調(diào)控制，鍋爐保持90 t/h 的輸煤量。在FCB 信號觸發(fā)10 s 內(nèi)不進(jìn)行手動干預(yù)。

從10:14 開始試驗，到再次并網(wǎng)9 min，閥位變化平穩(wěn)，且汽機(jī)轉(zhuǎn)速和主蒸汽、再熱器溫度未有大的變化，主汽壓力最高達(dá)18.1 MPa，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速最低至2 805 r/min，汽包水位在孤島期間最低-150 mm，最高110 mm。

試驗取得了成功，但對在過程中暴露的一些問題還需引起重視。

(1) 汽動給水泵轉(zhuǎn)速降低幅度較大，維持汽包水位比較困難，應(yīng)關(guān)注FCB 工況下給水泵汽源穩(wěn)定供應(yīng)問題。

(2) PCV 閥開啟后，凝汽器熱井水位偏低，應(yīng)關(guān)注可靠的除鹽水補(bǔ)水措施。

根據(jù)本次試驗，對類似機(jī)組FCB 試驗的建議如下。

(1) 國內(nèi)電網(wǎng)日趨完善，對機(jī)組FCB 功能不做強(qiáng)制性要求，而國外很多國家有明確要求，因此出口機(jī)組應(yīng)當(dāng)從實際需求出發(fā)，在設(shè)計階段就考慮配置相關(guān)功能，否則后期進(jìn)行再改造的投入較高。

(2) FCB 試驗前，機(jī)組需具備一定的條件，鍋爐、汽機(jī)、電氣、主要輔機(jī)等相關(guān)準(zhǔn)備試驗成功后，才能進(jìn)行FCB 試驗，且必須提前做好試驗預(yù)案，人員分工明確、各司其職，操作人員熟悉試驗方案、操作要點及參數(shù)控制范圍，避免誤操作對汽輪機(jī)造成影響。

(3) 提高機(jī)組自動化運(yùn)行水平，F(xiàn)CB 過程中盡量減少人工操作，實現(xiàn)全過程自動控制。

4 結(jié)論

火電機(jī)組FCB 試驗已成為海外項目的基本配置。為實現(xiàn)該功能，滿足海外市場開拓的需要，在出口機(jī)組的設(shè)計階段，就必須將FCB 功能納入初始設(shè)計，增加相應(yīng)的配置和控制邏輯；在調(diào)試階段，綜合考慮FCB 動態(tài)過程，對機(jī)組參數(shù)進(jìn)行針對性的調(diào)整、設(shè)定，為FCB 功能實現(xiàn)做好準(zhǔn)備。

FCB 是一個極端的破壞性工況，在機(jī)組全壽命周期內(nèi)，只有通過提高總體設(shè)計水平，做好與電網(wǎng)的各方面的配合，加強(qiáng)全廠安全質(zhì)量管理和提升機(jī)組運(yùn)行、維護(hù)水平手段，才能降低發(fā)生FCB 的概率，確保機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)營。