寧海電廠1 000 MW機(jī)組RB與FCB控制策略的設(shè)計和應(yīng)用

吳永存，朱介南

（浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江省寧波市，315612）

0 引言

輔機(jī)故障減負(fù)荷（run back，RB）的功能是當(dāng)主要輔機(jī)故障跳閘造成機(jī)組實(shí)發(fā)功率受到限制時，強(qiáng)制將機(jī)組負(fù)荷減到運(yùn)行輔機(jī)所能承受的負(fù)荷目標(biāo)值。該功能在國內(nèi)外的大型火力發(fā)電機(jī)組上已有較多的應(yīng)用[1-10]，但由于機(jī)組主設(shè)備以及匹配輔機(jī)的特性等原因，機(jī)組的RB功能設(shè)計仍存在不完善之處，應(yīng)用上仍然存在一些缺陷。因此，目前RB功能試驗仍然為一種高風(fēng)險的試驗，運(yùn)行中RB功能失敗而引起機(jī)組主燃料跳閘（main fuel trip，MFT）的事件仍時有發(fā)生。在寧海電廠二期2×1 000MW擴(kuò)建工程建設(shè)過程中，結(jié)合機(jī)組主要設(shè)備和系統(tǒng)配置的特點(diǎn)，在RB功能設(shè)計過程中，不但考慮了磨煤機(jī)的跳閘次序、間隔對主汽溫的影響和RB過程中對爐膛負(fù)壓產(chǎn)生較大擾動的影響，而且對引風(fēng)機(jī)負(fù)壓控制采用了前饋控制策略，同時進(jìn)行了國內(nèi)首臺凝結(jié)水泵RB試驗，通過優(yōu)化RB試驗順序，分解試驗內(nèi)容，確認(rèn)風(fēng)險點(diǎn)，減小試驗風(fēng)險。另外，設(shè)計了適合機(jī)組運(yùn)行的快速甩負(fù)荷（fast cutback，F(xiàn)CB）停機(jī)不停爐功能，其鍋爐出力目標(biāo)值既考慮了減少鍋爐擾動，避免鍋爐由干態(tài)轉(zhuǎn)入濕態(tài)運(yùn)行，也考慮了低旁容量，減少對凝汽器的熱沖擊需求。根據(jù)實(shí)際試驗結(jié)果，對控制策略進(jìn)行優(yōu)化后成功投入運(yùn)行。

1 機(jī)組主要設(shè)備和系統(tǒng)配置

寧海電廠二期擴(kuò)建工程2×1 000MW超超臨界燃煤機(jī)組，汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)有限公司和西門子聯(lián)合設(shè)計制造的N1000-26.25/600/600（TC4F）型超超臨界、一次中間再熱、凝汽式單軸、四缸四排汽汽輪機(jī)；鍋爐選用上海鍋爐廠有限公司引進(jìn)A lstom-Power公司Boiler Gmbh技術(shù)生產(chǎn)的SG3091/27.56-M 54X型超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐；旁路采用Siemens公司的高、低壓旁路二級串聯(lián)配置，高壓旁路容量是100％鍋爐最大蒸發(fā)量（boiler maximum rate，BMCR），低壓旁路容量是65％BMCR；配置2臺50％BMCR容量的汽動給水泵，不設(shè)電動給水泵；熱控分散控制系統(tǒng)（distribution control system，DCS）、數(shù)字電調(diào)系統(tǒng)（digitalelectro-hydraulic control system，DEH）系統(tǒng)采用西門子有限公司生產(chǎn)的SPPA-T3000裝置。

2 RB與FCB邏輯設(shè)計

2.1 RB邏輯設(shè)計

RB邏輯可以分為RB信號觸發(fā)回路，最大、最小允許負(fù)荷回路，RB速率回路，RB動作回路和FCB回路等。

2.1.1 RB邏輯回路激活的基本條件

（1）機(jī)組負(fù)荷大于500MW；

（2）燃料主控投自動；

（3）給水主控投自動；

（4）RB子環(huán)投入。

上述4個條件同時成立時，RB邏輯回路激活。

2.1.2 RB信號觸發(fā)回路

本回路納入RB的輔機(jī)包括磨煤機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、空氣預(yù)熱器、汽動給水泵、凝結(jié)水泵、FCB停機(jī)不停爐等。假設(shè)當(dāng)前機(jī)組為滿負(fù)荷1 000MW運(yùn)行，這些輔機(jī)可帶110％的負(fù)荷，鍋爐主控的指令上限為105％，則選小模塊（M in）出來的值為單元機(jī)組的實(shí)發(fā)功率100％。當(dāng)某臺輔機(jī)故障，假設(shè)送風(fēng)機(jī)B跳閘，則選小模塊輸出值變?yōu)?5％。由于選大模塊（Max）的2個輸入，一個是此時的機(jī)組最大允許負(fù)荷（Max1）55％，另一個是選小模塊的輸出經(jīng)速率限制（V≯，用SPC/SWF表示）后的值，設(shè)為M in-1-SWF。顯然受到速率限制的值在一段時間內(nèi)要大于55％，即M in-1-SWF＞Max1，二者的差為負(fù)；在送風(fēng)機(jī)B跳閘之前，本差值為正，現(xiàn)在為負(fù)，Max塊產(chǎn)生RB信號XV04。圖1為RB信號觸發(fā)回路示意圖。

寧海電廠二期工程采用單元機(jī)組的實(shí)發(fā)功率、鍋爐主控指令、機(jī)組最大允許負(fù)荷三個信號進(jìn)行比較判斷，同時采用各輔機(jī)的跳閘信號進(jìn)行驗證，提高了RB邏輯動作的準(zhǔn)確性，能防止由于煤質(zhì)變差導(dǎo)致燃料量大幅波動或類似于加熱器解列引起實(shí)發(fā)功率短暫上升誤發(fā)RB。表1為機(jī)組RB觸發(fā)條件、速率及目標(biāo)負(fù)荷表。

表1 機(jī)組RB觸發(fā)條件、速率及目標(biāo)負(fù)荷表Tab.1 List of RB condition, action speed and target loads

2.1.3 最大/最小允許負(fù)荷產(chǎn)生回路

未發(fā)生RB時，最大鍋爐允許負(fù)荷為110％，設(shè)定鍋爐指令上限為105％；當(dāng)RB發(fā)生時，最大允許負(fù)荷由于小于機(jī)組實(shí)發(fā)功率，鍋爐主控指令將通過SPC/SWF塊按一定的速率降至規(guī)定負(fù)荷。寧海電廠二期在鍋爐性能考核試驗時機(jī)組負(fù)荷的最大出力到1 100MW，為利于節(jié)能減排，擬向浙江省電力調(diào)度所申請將機(jī)組負(fù)荷的最大出力提高到1 050MW，此時設(shè)定鍋爐指令上限為106％比較合適。

最小允許負(fù)荷是由5臺給煤機(jī)的最小出力加上投油時的燃油量形成的。當(dāng)發(fā)生RB時，RB信號會按邏輯跳磨，直至磨的出力與RB規(guī)定的負(fù)荷相當(dāng)。

2.1.4 RB速率限制回路

本回路的功能是產(chǎn)生與某臺輔機(jī)跳閘引起RB時所對應(yīng)的降負(fù)荷的速率。不同輔機(jī)引起的RB速率是不同的，其原理是如送風(fēng)機(jī)B跳閘引起送風(fēng)機(jī)帶負(fù)荷能力發(fā)生突降時，鍋爐主控指令與其產(chǎn)生的值的差值將為一個大于0的值，該值與0相比較后產(chǎn)生邏輯“1”，將速率限制值切為相應(yīng)的變化率，如50％/m in、100％/ min等（見表1）。若RB期間有多臺輔機(jī)跳閘，則RB按最大速率、最小目標(biāo)負(fù)荷去降機(jī)組負(fù)荷。

2.1.5 RB動作回路

RB發(fā)生后，RB邏輯回路執(zhí)行如下：

（1）機(jī)組由協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（coordinated control system，CCS）方式切至汽輪機(jī)跟隨（turbine follow，TF）方式，DEH遙控自動撤出，負(fù)荷指令跟蹤當(dāng)前負(fù)荷值。

（2）鍋爐指令跟蹤機(jī)組最大允許出力（即目標(biāo)負(fù)荷），達(dá)到快速減少燃料量的目的。

（3）DEH由限壓方式切至初壓方式，汽機(jī)主控先跟蹤實(shí)際主汽壓力，然后切到壓力控制方式，按照CCS給出的滑壓設(shè)定值經(jīng)過RB速率限制器自動控制。

（4）停止熱值校正。

（5）氧量校正自動撤出，跟蹤實(shí)際氧量。

（6）延時7m in后，給水焓值控制器閉鎖焓增（即不會因焓值而減少給水）。

（7）除磨煤機(jī)外，其他輔機(jī)設(shè)備發(fā)生RB時，將按A、F、E的順序，每隔10 s停1臺磨煤機(jī)，最終維持3臺磨煤機(jī)運(yùn)行。

（8）一、二次風(fēng)，燃燒器擺角和給水流量等調(diào)節(jié)系統(tǒng)也將根據(jù)燃料量的變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以維持鍋爐的主要運(yùn)行參數(shù)。

2.1.6 一次風(fēng)機(jī)RB動作回路一次風(fēng)機(jī)RB時還增加如下邏輯：（1）保護(hù)開一次風(fēng)機(jī)動葉。

（2）B、C、D、E磨煤機(jī)冷風(fēng)調(diào)節(jié)擋板跳出自動，并開10 s。

（3）順序跳A、F、E磨煤機(jī)間隔時間由10 s改為2 s。

（4）由于在RB發(fā)生的后期或復(fù)位后容易引起分離器出口溫度快速上升，因此2m in后增加給水90 t/h。2.1.7 RB邏輯復(fù)位回路

RB邏輯復(fù)位回路分為手動復(fù)位和自動復(fù)位兩種。手動復(fù)位的條件是RB信號觸發(fā)5min后，且壓力設(shè)定值速率限制塊輸入、輸出偏差小（如果偏差過大會造成旁路跟蹤溢流B模式動作，高壓旁路快速打開后進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)），運(yùn)行人員可以通過手動復(fù)位按鈕手動復(fù)位。自動復(fù)位的條件是RB信號觸發(fā)5min后，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷和目標(biāo)負(fù)荷在一定偏差范圍內(nèi)，同時主汽壓力與滑壓設(shè)定值也在一定偏差范圍內(nèi)自動復(fù)位。

2.2 FCB邏輯設(shè)計

由于寧海電廠二期配置了100％BMCR高壓旁路和65％BMCR低壓旁路，因此對于鍋爐而言，汽輪機(jī)跳閘只是類似某臺輔機(jī)跳閘，將鍋爐出力限制在不超過低壓旁路通流能力，即能保持鍋爐連續(xù)運(yùn)行。所以進(jìn)行一定的邏輯判斷后利用RB功能回路，以100％BMCR/m in的速率快速將鍋爐出力降至目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)停機(jī)不停爐的FCB功能。

FCB回路在發(fā)電機(jī)或線路開關(guān)跳閘時，除了通過RB邏輯回路減少燃料量、總風(fēng)量、給水量，跳磨并保留3臺磨煤機(jī)，最終鍋爐主控輸出為45％BMCR外，在控制邏輯上還進(jìn)行如下設(shè)計。

（1）機(jī)、電、爐大聯(lián)鎖采用單向聯(lián)鎖方式，即：MFT聯(lián)跳汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)；汽輪機(jī)跳閘連跳發(fā)電機(jī)，不跳鍋爐，但為了防止再熱器干燒，在煤量大于120 t/h且高旁未打開時MFT；發(fā)電機(jī)跳閘時不聯(lián)跳鍋爐、汽機(jī)，只聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)及滅磁開關(guān)，同樣為了防止再熱器干燒，在煤量大于120 t/h且高旁未打開時MFT。

（2）旁路在收到FCB信號后，進(jìn)入C模式（旁路的停機(jī)不停爐模式），快開高、低旁路，然后切到壓力控制方式，按照CCS給出的滑壓設(shè)定值自動控制。

（3）DEH在收到FCB信號后，立刻切到轉(zhuǎn)速控制方式，自動維持3 000 r/m in，如果帶廠用電，則在轉(zhuǎn)速設(shè)定上疊加負(fù)荷的轉(zhuǎn)速偏差。

（4）2號高加繼續(xù)運(yùn)行，汽源來自高旁，其他加熱器則關(guān)閉抽汽。

（5）由于冷再不直接到除氧器，因此此時除氧器的汽源切至輔汽供汽。

（6）凝結(jié)水補(bǔ)水泵和凝結(jié)水泵根據(jù)流量來判斷是否聯(lián)鎖啟動備用泵。

（7）汽動給水泵的汽源切換至輔助蒸汽供應(yīng)。

鍋爐出力目標(biāo)值確定是從以下2個方面考慮的：一方面為減少鍋爐擾動，并避免鍋爐由干態(tài)轉(zhuǎn)入濕態(tài)運(yùn)行，目標(biāo)負(fù)荷要求保持較高；而另一方面需考慮低旁容量，并減少對凝汽器的熱沖擊，目標(biāo)負(fù)荷應(yīng)稍微低些。綜合上述因素，把負(fù)荷目標(biāo)值定為45％。

3 試驗和實(shí)例驗證

寧海電廠二期2×1 000MW機(jī)組經(jīng)過近1年的考驗，無論試驗還是實(shí)際動作都驗證了RB、FCB邏輯功能的完善性，機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)都能得到較好控制，各參數(shù)與保護(hù)動作定值還有較大的裕量。

3.1 一次風(fēng)機(jī)RB試驗

2009年9月13日22：19：35，6號機(jī)組在協(xié)調(diào)方式下，負(fù)荷975 MW穩(wěn)定運(yùn)行，磨煤機(jī)B、C、D、E、F運(yùn)行，主汽壓力26.3 MPa，總煤量為348 t/h，爐膛負(fù)壓-126 Pa，主汽流量2 859 t/h，過熱汽溫599℃。就地手動停6B一次風(fēng)機(jī)，大屏報警顯示“PA TRIP”及“RB”。22：19：36磨煤機(jī)F自動跳閘，2 s后E磨自動跳閘，機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷450MW，減負(fù)荷率為200％/m in，汽壓快速下降，調(diào)門下關(guān)，一次風(fēng)壓最低至5.71 kPa，磨煤機(jī)一次風(fēng)量最低跌至90 t/h，一次風(fēng)機(jī)A在RB觸發(fā)瞬間動葉超遲開至最大開度后參與自動調(diào)節(jié)，燃料量迅速減至160 t/h，負(fù)荷降至474MW，主汽壓降至13.7 MPa，爐膛負(fù)壓最低-1 532 Pa，過熱汽溫554℃。22：47：25，汽壓、負(fù)荷減至目標(biāo)值，RB自動復(fù)歸。圖3為一次風(fēng)機(jī)RB試驗主要參數(shù)趨勢圖。

3.2 100％甩負(fù)荷的FCB試驗

2009年9月29日23：32：00進(jìn)行了5號機(jī)組甩100％負(fù)荷試驗，試驗時機(jī)組負(fù)荷1 004MW，模擬量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)全部投入。在發(fā)電機(jī)出口開關(guān)拉開后，機(jī)組FCB觸發(fā)，跳第1臺制粉系統(tǒng)，延時10 s跳第2臺制粉系統(tǒng)，煤量迅速降至184 t/h。主蒸汽溫度最低550℃，爐膛負(fù)壓最低至-1.452 kPa，最高至468 Pa，隨后趨于穩(wěn)定。從整體而言，在快速減負(fù)荷期間，鍋爐燃燒情況良好，不用投油或投運(yùn)等離子點(diǎn)火裝置助燃。

DEH通過甩負(fù)荷識別模塊快關(guān)調(diào)門，并從負(fù)荷控制轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制，既預(yù)防了汽輪機(jī)超速，又能在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，維持汽輪機(jī)空負(fù)荷（或帶廠用電）運(yùn)行。此次100％甩負(fù)荷試驗，主機(jī)轉(zhuǎn)速最高至3 154 r/m in，最低至2 964 r/min，并在40 s內(nèi)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。8m in后甩負(fù)荷試驗結(jié)束，啟動發(fā)電機(jī)程控并網(wǎng)，并在15min內(nèi)將負(fù)荷重新升至480MW，這充分體現(xiàn)了FCB停機(jī)不停爐的功能。圖4為100％甩負(fù)荷試驗主要參數(shù)趨勢圖。

3.3 5A給水泵RB事件

2010年4月7日21：03：00，5號機(jī)組負(fù)荷905MW，主汽壓力25.11 MPa，主汽溫度598.87℃，爐膛壓力-160.12 Pa，給水流量2 503 t/h，燃料量333.08 t/h，風(fēng)量2 572 t/h，機(jī)組處于自動發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）和一次調(diào)頻投入方式。由于就地振動大，5A給水泵出口電動門故障，觸發(fā)給水泵RB，A/F磨跳閘。31m in 20 s后，負(fù)荷降至541MW，主汽壓力降至15.93MPa，RB自動復(fù)歸。在整個RB過程中，主蒸汽溫度最低559℃，爐膛負(fù)壓最高347 Pa、最低-1.503 kPa，給水流量最低1 487 t/h，其他運(yùn)行參數(shù)也均未達(dá)到保護(hù)動作值。RB結(jié)束時負(fù)荷保持在541.71MW。圖5為5A給水泵RB事件主要參數(shù)趨勢圖。

4 結(jié)語

寧海二期工程經(jīng)過精心設(shè)計、優(yōu)化調(diào)試，使RB、FCB功能投入運(yùn)行后，對機(jī)組的設(shè)備故障跳閘起到了很好的保護(hù)作用，完全滿足在主要輔機(jī)或發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)跳閘后沒有人工干預(yù)的情況下，快速、自動減負(fù)荷且保持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的要求，減少了鍋爐MFT動作次數(shù)，對確保超超臨界塔式鍋爐水冷壁安全及防止氧化皮的生成和剝落都有明顯的作用。

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