660MW超超臨界機組快速甩負荷控制策略及試驗

郭萌，何亞剛，顧玉春，俞基安，蘇乾

(1.中國能建西北電力建設工程有限公司，西安市710032；2.國電建投內蒙古能源有限公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市017209)

660MW超超臨界機組快速甩負荷控制策略及試驗

郭萌1，何亞剛1，顧玉春2，俞基安2，蘇乾2

(1.中國能建西北電力建設工程有限公司，西安市710032；2.國電建投內蒙古能源有限公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市017209)

快速甩負荷功能對于維持電網及大型火電廠穩定運行具有重要的意義,布連電廠660 MW超超臨界機組快速甩負荷(fast cut back,FCB)試驗時，通過合理調整磨煤機跳閘次序及時間間隔，以及合理控制一、二次風和引風，能夠維持良好的爐膛負壓及鍋爐的正常燃燒。探討了對高、低壓旁路的控制方式，以及汽溫、汽壓、凝汽器及除氧器水位等重要參數的控制策略，結果顯示，各主要參數波動幅度小并能夠迅速穩定，驗證了控制策略的合理性和邏輯功能設計的完善性，為超超臨界機組快速甩負荷試驗提供經驗借鑒。

動力機械工程；超超臨界機組；快速甩負荷(FCB)；控制策略

0 引 言

機組快速甩負荷(fast cut back，FCB)通常指機組正常運行時，因內部或外部電網故障與電網解列，瞬間甩掉全部對外供電負荷，并維持自帶廠用電或者停機不停爐的自動控制功能，俗稱“小島運行”。隨著國民經濟的快速發展，社會對電力的需求越來越大。電網容量日趨龐大，其安全性也受到嚴峻考驗。近年來，世界各國都加強了對電力系統可靠性的關注，制定了各種應對大停電的措施。除加強電網建設外，發電廠機組快速甩負荷功能已引起越來越高的關注。目前，國內真正實現FCB功能的超(超)臨界機組除外高橋二期、三期外，多數文獻中的試驗都事先采取了一系列的措施[1-6]，或者僅在中低負荷下實現FCB功能，方法值得商榷，距離實用尚有一定的距離。此外，FCB試驗控制策略與機組類型及系統配置密切相關，探索不同類型機組的試驗方法對于提高我國火電機組控制性能、電網系統穩定及國際競爭力，具有非常重要的意義。國電建投內蒙古能源有限公司布連電廠采用1×100%容量汽動給水泵組，鍋爐在國內首次采用空氣預熱器、送風機、一次風機、引風機、增壓風機單列布置方式。高壓旁路系統采用100%容量，并設置了65%容量低壓旁路+100%容量可調式再熱器安全閥的組合配置，來保證熱力系統的工質平衡和空冷凝汽器水位穩定。結合本機組的系統配置特點，對FCB控制策略進行調整和優化，本文對FCB試驗時鍋爐的燃燒系統、煙風系統、汽水系統的主要參數的變化進行分析，重點探討調整與控制的原則方法。

1 機組主要設備和系統配置

國電建投布連電廠鍋爐選用北京巴布科克·威爾科克斯有限公司設計、制造的B&WB-2082/28-M型超超臨界、螺旋上升、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、緊身封閉的Ⅱ型鍋爐，鍋爐配有不帶循環泵的內置式啟動系統。鍋爐設計煤種和校核煤種均為當地煤礦的煙煤。鍋爐采用中速磨直吹式制粉系統，前后墻對沖燃燒方式，配置B&W公司雙調風旋流燃燒器及NOx噴口。鍋爐尾部設置分煙道，采用煙氣調溫擋板調節再熱器出口汽溫。鍋爐尾部采用單列布置，鍋爐豎井下設置1臺三分倉回轉式空氣預熱器。

鍋爐主要參數：過熱蒸汽流量2 082 t/h；過熱蒸汽出口壓力28.0 MPa；過熱蒸汽溫度605 ℃，再熱蒸汽流量1 755 t/h；再熱蒸汽進/出口壓力6.102/5.882 MPa；再熱蒸汽進/出口溫度370/603 ℃；給水溫度297 ℃，保證熱效率94%；鍋爐排煙溫度118.3 ℃。

汽輪機采用由上海電氣集團股份有限公司汽輪機廠自主設計、制造，型式為一次中間再熱、單軸、三缸兩排汽、直接空冷凝汽式，設計背壓為12 kPa，型號為ZKN660-27/600/600的汽輪機，調速系統采用數字式電液調節系統(digital electro-hydraulic control system，DEH)。所配發電機選用上海電機廠生產的QFSN-660-2型水-氫-氫冷卻式發電機。

旁路系統配置高、低壓二級串聯旁路系統，高壓旁路容量為2×50% 鍋爐最大蒸發量(boiler maximum continue rate，BMCR)，低壓旁路為2×32.5% BMCR。取消過熱器安全門，設置了4×25% BMCR容量的可調式再熱器安全門。

給水系統設置1×100% BMCR容量的汽動給水泵，2臺機組共用1×30% BMCR容量的電動定速給水泵，用于機組啟動。凝結水系統設置2臺全容量凝結水泵，1運1備。每臺機組設置1套1拖2的變頻調速裝置。機組發生FCB時備用凝結水泵啟動，以維持機組的工質平衡。

電氣一次系統采用發電機、變壓器單元接線，接入廠內500 kV配電裝置，電廠一期出2回線，均接至500 kV布日都變電站。電氣主接線采用3/2斷路器接線，2個完整串，1個半串，其中第1、2串各接有1回主變壓器500 kV進線和1回500 kV出線，不完整串為降壓變壓器500 kV進線串。啟動/備用電源由500 kV配電裝置引接1回500 kV電源，經1臺500/110 kV和1臺110/10.5 kV的變壓器降壓后作為2臺機組的備用電源。發電機出口不設斷路器，正常的并網、解列操作在主變壓器高壓側斷路器上實現，發電機與主變壓器采用離相封閉母線相連接，發電機采用自并勵靜止勵磁系統。每臺機組設置1臺高壓廠用變壓器，高壓廠用變壓器高壓側與發電機封閉母線連接，每臺高壓廠用變壓器的低壓側帶2段10 kV廠用母線，每段母線配置1套10 kV母線快切裝置，實現10 kV廠用母線電源的正常并聯切換和事故狀態下的串聯切換。每臺機組配置1臺1 300 kW的柴油發電機，作為事故保安電源。

2 FCB控制策略及邏輯

FCB包括3種類型：(1)因內部或外部電網故障，如低頻、失步等，引發線路開關跳閘，機組與系統解列，汽輪發電機帶廠用電運行，即狹義FCB功能；(2)發電機發生某些故障，如定冷水溫高、氫溫高、發電機過電壓等，聯鎖發電機跳閘，但汽輪機維持轉速3 000 r/min；(3)汽輪機本身故障跳閘或發電機-變壓器組故障聯鎖汽輪機跳閘，汽輪發電機停止運行，鍋爐維持最小負荷旁路運行，即停機不停爐FCB。因狹義FCB試驗實現難度最大，而廣義的FCB功能全面，有效緩解超超臨界啟動時引起的固體顆粒侵蝕問題，因此本電廠采用廣義的FCB功能。

對于FCB試驗而言，目前尚無明確的國際標準和國內標準可以遵循和借鑒，所以試驗方案和結果評估存在一定分歧。甩負荷試驗和FCB試驗從汽輪機超速控制的角度看僅相差廠用電負荷，其比例較小，鍋爐調整、汽水平衡等控制策略基本一致，但是，FCB作為實施難度極高而且風險極大的一項試驗，涉及機、爐、電、熱等專業，對于機組是最嚴峻的綜合考驗。而從試驗目的來看，甩負荷實驗僅僅用于考核汽輪機在發電機甩負荷下汽輪機數字電液調節系統和轉速控制系統的動態特性；FCB試驗的目的是考核在電網突發事故的情況下，機組能否快速甩負荷并轉入孤島運行。由于這種突發事故通常不會有任何先兆，因此，FCB試驗時機組應處于全真運行工況，試驗前不應對機組運行工況或控制系統采取任何臨時性干預措施，在試驗時唯一的操作就是將電氣主開關拉閘。但對試驗過程中是否允許人為干預，業界內有較大爭議。筆者認為由于快速甩負荷試驗過程中工況突變量較大，擾動值遠遠超過15%額定負荷(economical continuous rating，ECR)，類似于“階躍干擾”，諸如主汽壓力、給水流量、凝汽器水位、除氧器水位，爐膛負壓等重要參數變化劇烈，有可能切至手動并報警，如果不及時人為采取措施，可能發生保護動作導致機組停運，以致試驗中斷。因此，必要的手動干預可視為允許的操作程序。

2.1 FCB控制策略

快速甩負荷試驗采用電氣人員手動斷開發電機并網開關，跳滅磁開關，使機組與電網解列，甩去全部負荷。參考甩負荷試驗大綱的要求，試驗按50%及100%額定負荷2級依次進行。試驗前進行有關試驗準備工作，主要有以下項目：甩50%負荷時，試驗前10 s開始倒計時，不進行任何操作，倒計時至“0”時由電氣人員斷開發電機并網開關，解列后視壓力自動調整高、低旁開度。甩100%負荷時，試驗前10 s開始倒計時，不進行任何操作，倒計時至“0”時由電氣人員斷開發電機并網開關，自動停運上層D(或B)磨煤機，調整各磨煤機給煤量至42～43 t/h，10 s后停E磨煤機，鍋爐保留3臺磨煤機運行，總煤量130 t/h。根據水煤比，自動調整給水流量，水煤比宜控制在6.5～7.5之間，根據中間點溫度調整給水流量偏置；自動方式下根據壓力調整高、低旁開度(不做手動干預)，同時根據給煤量自動調節風量。

2.2 FCB控制邏輯

首先FCB觸發條件，FCB信號可用母線開關的狀態，汽輪機甩負荷(QB11斷路器和QB13斷路器均斷開)，汽輪機跳閘；或出現電網故障而母線開關未斷開的情況，機組負荷突降發出甩負荷信號。

其次根據本機組100% BMCR的高壓旁路和65% BMCR低壓旁路的配置，對于鍋爐而言，當FCB動作時，利用RB功能回路減少燃料量、總風量、給水流量，跳磨并保留3臺磨煤機運行，以100% BMCR/min的速率快速將鍋爐出力降至目標負荷45% BMCR。FCB時目標負荷按45%的額定負荷調整，即維持鍋爐在最小穩態直流模式運行又考慮一定裕度，減少鍋爐擾動，避免由干態轉濕態運行，又考慮低旁容量，減少對排汽裝置的熱沖擊。FCB脈沖信號觸發180 s后自動復位，鍋爐主控切換為手動，輸出置45% BMCR，燃料主控為自動[7-11]。在控制邏輯上還進行如下設計：

(1)機、爐、電大聯鎖，當FCB功能切除時，鍋爐、汽輪機、發電機(主變)采取相互聯鎖跳閘的橫向大聯鎖保護方式。當FCB功能投入時，機、爐、電采取單向聯鎖方式，鍋爐跳閘后，聯跳汽輪機及發電機(主變)。當汽輪機跳閘時，向后跳發電機(主變)，但不向前聯跳鍋爐。而當發電機故障時則聯跳主變出線開關并滅磁開關，但不聯跳汽輪機及鍋爐。特別是當系統或主變出線故障時，只跳主變出口開關，不聯跳爐、機、電。

(2)小汽輪機及輔汽汽源切換：1)冷再至輔汽調閥投自動，保持定值控制；2)輔汽至除氧器進汽氣動蝶閥，保護開；3)輔汽到小機調試用汽電動門，保護開；4)小汽機高壓進汽電動門，保護開；5)冷再至輔汽調閥和輔汽至除氧器進汽調節閥的關斷門，保護開；6)除氧器進汽調節閥投自動，保持定值控制。

(3)FCB動作后，為了防止鍋爐主汽壓超壓，高、低旁路要迅速自動快開。快開約10 s后，高旁閥切到壓力控制方式，控制主汽壓力至20 MPa，低旁控制再熱蒸汽壓力至1.7 MPa(熱態沖機壓力并保證小機供汽穩定)。

(4)DEH收到FCB信號后，立刻切至轉速控制模式，維持汽輪機3 000 r/min。

(5)2號高加繼續投入運行，提高給水溫度及工質回收，其它加熱器關閉抽汽。高加仍在投入，系統設計2號高加到除氧器的疏水管道。超馳開啟2號高加至除氧器的疏水閥，關閉1號高加來疏水和去3號高加的疏水調閥，并控制好2號高加水位，以免水位過高切除2號高加(將2號高加疏水至除氧器調閥、2號高加緊急疏水調閥投自動，2號高加緊急疏水調閥水位設定值為2號高加疏水至除氧器調閥設定值加20 mm)。

(6)凝結水泵在FCB后將變頻運行的出力調至最大，根據當時的需要凝結水泵工頻備用聯鎖啟動。

3 FCB時主要參數的調整及變化

快速甩負荷過程中機組的運行工況調整幅度極大，機組的主要參數會產生極大波動，如控制不當，可能導致鍋爐壓力過高安全門動作，過熱器、再熱器溫度突變，鍋爐燃燒不穩或者爐膛負壓波動過大而鍋爐保護動作停爐等。

3.1 燃燒的控制

燃燒控制包括燃料、二次風量、一次風量及爐膛負壓等重要參數的調整，對于超超臨界機組的甩負荷試驗至關重要，決定著試驗時鍋爐側控制的成功與否。燃燒控制主要考慮燃燒穩定及防止爐膛負壓過大波動2個因素。

燃燒控制包括燃油(或等離子)以及燃煤的控制，對于快速甩負荷試驗，因其目標負荷大于鍋爐的最低穩燃負荷，合理的方法是不投燃油或者等離子，僅靠燃煤量的調整保證爐內燃燒。這樣既能避免投油(或等離子)等復雜操作，也可以避免因投油造成的爐膛負壓波動等隱患，保證試驗的安全及經濟性。對于燃煤量的控制，配置低容量旁路系統的超臨界機組通常采用的做法是在甩負荷時鍋爐側手動MFT(main fuel trip)，利用鍋爐余熱及蓄能保證汽輪機供汽，試驗完成后機組恢復周期長，操作復雜，費用較高。而對配置高容量旁路系統的超臨界機組應結合鍋爐低負荷穩燃工況、最低直流負荷工況以及變負荷時對機組運行穩定的擾動確定。

50%快速甩負荷試驗。機組運行工況:總煤量126.5 t/h，二次風量959.6 kNm3/h(本文風量均為0 ℃、1標準大氣壓下的風量)，一次風量452.9 kNm3/h，省煤器出口煙氣氧量8.85%。試驗前10 s開始倒計時，整個試驗過程中，不進行任何操作，維持鍋爐燃燒、風量等運行狀態，從記錄的一次風量、二次風量、爐膛負壓以及氧量等重要參數的數據源及曲線來看，各參數基本維持原狀態，鍋爐燃燒狀態未發生顯著變化。

100%快速甩負荷試驗。機組運行工況:總煤量231.5 t/h，二次風量1 631.8 kNm3/h，一次風量529.3 kNm3/h，省煤器出口煙氣氧量4.42%。試驗前10 s開始倒計時，不進行任何操作，倒計時至“0”時，自動停D(或B)磨煤機，并調整運行各磨煤機給煤量至42～43 t/h，10 s后，自動停E磨煤機，鍋爐保留3臺磨煤機運行，總煤量130 t/h，總煤量調整變化曲線如圖1所示。隨燃煤量的變化，一次風機動葉開度由89.9%調整至71.6%，一次風量隨之由529.3 kNm3/h調整至365.8 kNm3/h；二次風機動葉調整相對緩慢，開度由64.0%調整至37.1%，二次風量由1 608.5 kNm3/h調整至1 180.1 kNm3/h，調整變化過程如圖2、3所示。隨燃煤總量和風量的大幅調整，爐膛負壓亦出現顯著波動，最低降至-499.0 Pa，然后升高，最大僅為493.9 Pa，然后恢復至正常負壓，波動范圍控制在±500 Pa范圍內，如圖4所示，遠低于同類型試驗相關指標，而且在試驗過程中觀察，爐內燃燒穩定，未發生異常。證明試驗中燃燒、風量以及負壓等參數的控制策略科學合理。

圖1 100%負荷FCB試驗總給煤量的調整曲線

圖2 100%負荷FCB試驗風機動葉的調整曲線

圖3 100%負荷FCB試驗一二次風量的調整曲線

圖4 100%負荷FCB試驗爐膛負壓的變化曲線

3.2 主汽、再熱蒸汽參數的控制

超(超)臨界鍋爐熱慣性遠小于汽包鍋爐的，鑒于超(超)臨界鍋爐快速甩負荷后目標負荷較高的特點，為確保整個試驗過程鍋爐不超壓，盡量保證相關安全閥不啟座排汽，減少工質損失，并根據系統設計的泄壓手段合理控制鍋爐壓力。由于本機組僅配置高、低壓二級串聯旁路系統，高壓旁路容量為2×50% BMCR，低壓旁路為2×32.5% BMCR，取消過熱器安全門，設置了4×25% BMCR容量的可調式再熱器安全門。為防止全容量高壓旁路保護快開對汽壓的劇烈擾動，根據機組甩負荷前的運行負荷，進行分段控制。當075%時，高旁超馳開至75%，然后轉入壓力控制模式。低壓旁路，保護全開后轉入壓力控制模式。對于50%甩負荷試驗，主汽壓力參數17.77 MPa遠低于額定參數27.94 MPa，鍋爐自身具備一定的升壓裕量，甩負荷后，高旁保護開至50%，低旁保護全開，主汽壓力在2 s內略有上升，最高至18.46 MPa，然后逐步降低。對于100%甩負荷試驗，主汽壓力參數25.19 MPa，接近額定主汽蒸汽參數，鍋爐本身的升壓裕量很小，甩負荷后，高旁保護開至100%，低旁保護全開，開度調整如圖5所示，主汽壓力在1 s內迅速上升至26.19 MPa，然后逐步降低(見圖6)，在并網時壓力達到15.59 MPa。對于再熱汽壓，由試驗前的5.70 MPa快升至6.06 MPa逐步回落，在并網時壓力達到2.47 MPa，考慮到試驗過程中汽泵的汽源，將再熱蒸汽壓力控制在2.5 MPa左右較為合適。

機組甩負荷后，盡管給水流量和燃料量存在大幅度的調整，但鍋爐仍保持相當大的燃料量，不宜采取常規煤粉爐甩負荷試驗時全關減溫水調門和電動門的方法，否則可能造成汽溫的大幅波動，尤其是正常運行減溫水量較大時。圖7為100%負荷FCB試驗主汽及再熱蒸汽溫度變化情況，由圖7可知，甩100%負荷時，主汽溫度、再熱汽溫波動幅度均較小，主汽溫度與再熱汽溫變化趨勢基本一致，小幅下降后有所回升。主汽溫度由576.2 ℃逐漸下降至540.4 ℃，再次并網后上升到591.9 ℃，再熱汽溫同步由562.4 ℃逐漸下降至520.6 ℃，再次并網后上升到560.3℃。產生這種變化，主要是由于過熱、再熱汽溫具有對流特性，甩負荷后，隨著燃料量的降低，過熱、再熱汽溫隨之有所降低。考慮到試驗過程中，給水以及凝結水系統的波動較大，對于減溫水量擾動較大的的情況，可進行一定量的預控調節，整個試驗中保證汽溫變化平穩即可。

快速甩負荷后，注意監視汽機轉速及各參數，尤其是注意高排溫度及低排溫度的變化，保證機組可以在孤島狀態下安全運行較長時間。待汽機轉速及各參數穩定，并網接帶負荷后，控制在5～10 min內將機組負荷帶至50% ECR(額定負荷)左右，然后逐步調整各參數至正常范圍。

圖5 100%負荷FCB試驗高旁及低旁開度調整曲線

圖6 100%負荷FCB試驗主汽及再熱蒸汽壓力變化曲線

圖7 100%負荷FCB試驗主汽及再熱蒸汽溫度變化曲線

3.3 水系統的平衡控制

正常運行時，汽動給水泵的汽源取自汽輪機四段抽汽。機組快速甩負荷時，主汽輪機各段抽汽壓力迅速回落，汽泵汽源迅速切換至高壓汽源，同時高低壓旁路保護快開后，投用大量的減溫噴水，凝結水流量、給水流量隨燃料量調整均有大幅的調整，這些因素嚴重影響水系統的平衡。低壓旁路系統需要耗用大量凝結水的減溫水，甚至達到800～900 t/h，從而導致凝結水壓降低，除氧器入口流量大幅下降。對于空冷機組，因空冷系統容量較大，凝結水回收需要一定時間，排汽裝置的水位快速上升800 mm左右，這和水冷機組的區別較大。在鍋爐給水流量較高的情況下，除氧器補水不及，造成除氧器水位由2 120 mm降低至1 248 mm，幅度較大，如圖8所示。因此，除氧器水箱作為整個汽水循環中主要的蓄水和緩沖環節，設計時適當考慮增大其容量有利于FCB試驗。

圖8 100%負荷FCB試驗凝汽器及除氧器水位變化曲線

4 結 語

國電建投布連電廠一期工程660 MW超超臨界機組采用單系列風煙系統及100%給水泵配置，經過精心設計控制策略，在無人工干預的全真狀況下，成功實施FCB功能試驗，各項參數均在合理范圍內，各主輔設備運行安全平穩。設計FCB功能的機組從系統配置上需考慮大容量旁路系統、除氧器容量、小機汽源切換方式等，同時跳磨邏輯、風量控制、旁路快開及水系統等控制邏輯對于試驗過程的影響至關重要。該試驗為超(超)臨界空冷機組快速甩負荷相關試驗提供了經驗借鑒。

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(編輯：張小飛)

ControlStrategyandExperimentalStudyofFCBin660MWUltra-SupercriticalUnits

GUO Meng1, HE Yagang1, GU Yuchun2, YU Ji’an2, SU Qian2

(1. Northwest Power Construction Corporation, China Energy Engineering Group, Xi’an 710032, China;2. Guodian & Jiantou Inner Mongolia Energy Investment Co., Ltd., Erdos 017209, Inner Mongolia Autonomous Region, China)

The function of fast-cut back (FCB) is very important to maintain the stable of power grid and large thermal power plant. In the FCB test of 660 MW ultra-supercritical units in BuLian Power Plant, the normal combustion of boiler and the good furnace pressure could been maintained very well through the reasonable adjustment of coal mill trip order and intervals, as well as the coordination control of primary air, secondary air and induced air. The control method of HP and LP bypass, steam temperature and pressure, water level of condenser and deaerator were also discussed. The results show that the main parameters are fluctuated slightly and can be quickly stabilized. The rationality of control strategy and the integrity of logic function design are verified, which can provide references for the FCB test of ultra-supercritical units.

power and mechanical engineering; ultra supercritical; fastcut back (FCB); control strategy

TM 311

： A

： 1000-7229(2014)09-0097-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.018

2014-03-06

：2014-04-27

郭萌(1974)，男，碩士，高級工程師，主要從事火電機組調整與試驗研究工作，E-mail：guomeng1974@sohu.com;

何亞剛(1978)，男，學士，工程師，主要從事火電機組調整與試驗研究工作;

顧玉春(1963)，男，學士，高級工程師(教授級)，主要從事能源方面管理工作;

俞基安(1964)，男，學士，高級工程師，主要從事火電機組管理工作;

蘇乾(1978)，男，學士，高級工程師，主要從事火電機組基建管理工作。