國產660MW超臨界發電機組FCB試驗研究

高先鵬 鄒包產 劉新龍

（1.大唐彬長發電有限責任公司，陜西 咸陽 713602；2.華北電力科學研究院（西安）有限公司，西安 710065；3.西北電力設計院，西安 710065）

近年來，隨著國家發展對于電網安全和發電品質需求的不斷提高，電網也對于新投產入網的大型火電機組提出了更高的要求。鑒于當前我國的大型火電工藝系統日趨完善和發展成熟，發電設備可靠性顯著提高，為增強火電機組的競爭力，廠級單位對于發電自動控制技術也提出了更高的要求，發電機組快切負荷FCB（FAST CUT BACK）功能日趨受到廠級單位的重視。本文依據寧夏京能寧東電廠兩臺660MW機組成功的FCB試驗，分析總結實現FCB功能的一些合理化設計，并提供試驗過程參數為同類型機組試驗提供參考。

寧夏水洞溝發電廠2×660MW工程系新建電廠，本期工程建設2×660MW國產超臨界表面式間接空冷燃煤發電機組。鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠有限公司生產的660MW鍋爐，為超臨界參數變壓運行螺旋管圈加垂直管直流爐，單爐膛、一次中間再熱、采用切圓燃燒方式、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊結構Π型鍋爐、室內布置燃煤鍋爐，鍋爐采用緊身封閉。汽機由哈爾濱汽輪機廠供貨，為超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、表凝式間接空冷汽輪機。發電機由哈爾濱汽輪發電機有限公司制造、提供，型號為QFSN-660-2，冷卻方式為水、氫、氫冷卻方式。

1 FCB試驗控制難點

1.1 汽輪機轉速控制

當廠級單位脫網甩負荷發生時，汽輪機功率與發電機負荷不平衡，極有導致汽輪機超速。為防止汽輪機超速，一旦FCB觸發必須在第一時間全力保證轉速飛升在安全范圍內。這就要求電氣FCB信號判斷安全可靠，并且要以最快速度送至汽輪機數字電液控制系統DEH（Digital Electro-Hydraulic Control System）系統進行超速保護控制OPC（Over speed Protection Control）動作，轉入汽機轉速的閉環控制；電氣側FCB邏輯判斷至DEH系統OPC回路，控制系統的運算周期需要＜100ms。

1.2 鍋爐超壓預想

FCB試驗相當于僅保持汽機一定微通流的快速甩負荷試驗。FCB動作后汽機調門在OPC作用下快關，而后待OPC復位后再保持一定開度。而鍋爐具有較大的蓄熱和慣性，鍋爐甩負荷后產汽能力下降還需要一定過程時間，此時機爐負荷將嚴重的不平衡，因此鍋爐必須具備100%的泄壓能力，防止鍋爐超壓危險，對此旁路系統應有嚴密、謹慎的聯鎖邏輯。寧夏京能寧東電廠#1、2機組配備100%高旁、65%低旁，為FCB試驗的成功實施提供硬件條件。若無100%旁路，則必須與安全門匹配具備100%的泄壓能力。需要特別關注的是，具備快開功能的旁路系統，同時需要具備預暖功能，防止大量高參數蒸汽直排入冷態旁路，造成危害。

1.3 防止鍋爐汽溫突降

FCB動作后鍋爐需要快速甩大量熱負荷，易造成主汽溫度和再熱汽溫的快速下降，特別是直流鍋爐，金屬的蓄熱量較少，汽溫下降更加明顯。所以在FCB動作后，鍋爐觸發RB邏輯快減熱負荷至40%～50%額定負荷（Pe）左右，維持干態運行，水煤保持基本配比，并加入一定慣性環節，保持動態過程中的熱量交換平衡，旁路系統監控主汽壓力平滑下滑至目標負荷對應壓力定值，多種方式協同保持溫度下降平滑，控制主汽溫度和再熱溫度在10min內不突降50℃。

1.4 汽機側系統超溫危險

FCB工況由于要向旁路和凝汽器直接排出大量高焓值蒸汽，機側系統如低旁閥后溫度，低壓缸排汽溫度都會有一定飛升。此時需要確保減溫水壓力，保證足夠的減溫水量，防止超溫。有凝泵變頻設備的可加載變頻至工頻負載，必要時可增加聯鎖超弛開減溫閥邏輯。

1.5 保護優化

評估系統設備的保護定值是否能夠經受FCB試驗工況擾動，并有一定裕量，如低排溫度保護、使用背壓曲線的背壓保護、旁路溫度保護、凝汽器溫度保護等。若FCB功能得以實現，可事實上實現直流爐停機不停爐功能，主開關分閘不參與機爐電大連鎖保護。

2 控制系統設計和優化

FCB邏輯的總體框架如圖1所示。電氣保護裝置判斷FCB觸發信號，產生FCB動作指令，由電氣側、爐側、機側各功能子組統一調用該動作信號，確保FCB動作時系統之間的協調性和可靠性。其功能子組邏輯接口包括快速降負荷（RB）、旁路控制系統（BPS）、DEH、汽機順序控制系統TSCS、鍋爐順序控制系統BSCS、電氣控制系統ECS等。FCB動作后發電機迅速甩負荷至廠用電；DEH系統OPC動作，快速的將轉速穩定在3000r/min，從而保證“孤島運行”工況的廠用電頻率穩定；鍋爐以RB方式快減50%Pe負荷，保證一定的穩燃負荷；旁路系統控制主汽壓力，而后以一定速率下滑至鍋爐熱負荷對應下的壓力參數，滑壓速率和滑壓定值要兼顧鍋爐的蓄熱要求，防止鍋爐轉濕態運行以及溫度下降過快。其它各相關設備依據工況聯鎖動作，保證系統參數穩定。

2.1 FCB觸發信號定義

圖1 FCB邏輯的總體框架圖

電氣發電組零功率保護分屏開出FCB觸發信號。即零功率動作（若發電機有功功率曾經高于300MW且突變低于50MW，隨后有功功率值在極短時間內從一高值降至一低值。）且發電機出口斷路器在合位，再與上主汽門未關，三條件與關系觸發FCB動作信號[1]。

2.2 電氣FCB邏輯動作

觸發FCB動作后分主斷路器開關，不觸發發電機跳閘。發電機并網信號的處理：定義兩路主開關斷路器任意一路在合位，且發電機出口斷路器在合位視為并網，FCB工況并網信號消失。

2.3 DEH系統邏輯動作

FCB動作信號進入DEH后由脈沖信號轉為一個長信號，由主開關斷路器的閉合信號或機組跳閘信號用作DEH側FCB動作指令的復位信號。此FCB信號取非，與發電機出口斷路器的閉合信號及主開關出口斷路器的閉合信號，共同組成DEH調用的并網信號。FCB發生后DEH切除遠方DCS遙控，并網信號消失，機組觸發OPC動作，轉入轉速調節維持3000r/min運行，一旦機組重新并網750斷路器合閘后，FCB信號復位，并網信號發出，轉入負荷控制。如果機組不再準備孤島運行，打閘后FCB信號也會復位。

2.4 爐側控制系統邏輯動作

爐側在FCB動作后，邏輯設計要體現快減熱負荷、防止溫度突降、防止直流爐轉入濕態兼顧機組穩燃的要求。FCB動作切除DEH遠方遙控，協調切除，若機組負荷高于一定的負荷條件，FCB觸發爐側50%Pe的RB邏輯，燃料控制將總燃料量減至目標負荷對應燃料量，總風量、一次風壓、給水量等主要參數在RB動作后，通過子組自動控制穩定降至目標負荷對應值。若末級過熱器出口壓力低于18MPa或FCB動作已達10min，則FCB RB動作復位，爐側保持復位后的熱負荷。

2.5 旁路系統邏輯動作

旁路系統（BPS）在FCB動作后，需要起到安全泄壓，快速降壓減負荷的作用，調壓過程中需要注意降壓速率，配合給水調節以防止溫度突降。

FCB動作后，若末級過熱器出口壓力高于18MPa，高旁快開（5S脈沖），若末級過熱器出口壓力低于18MPa，鍋爐側保持當前負荷，高旁依據流量開度曲線，超弛動作一定開度，而后自動投入自動。投入自動后的高旁處于FCB工況滑壓狀態，壓力設定值將以0.36MPa/min的速率下調至目標值18MPa，FCB工況的高旁滑壓狀態復位結束，運行人員可手動修正壓力定值。高旁壓力調快開閥聯動高旁溫度調閥，并自動投入自動，溫度定值隨高旁門后壓力滑動。

FCB動作后，低旁自動投入自動，低旁壓力定值以0.5MPa/min速率滑至1.3MPa，低旁壓力控制投入自動后，聯動低旁溫度控制也投入自動，保持當前溫度定值。

2.6 其他控制系統邏輯動作

VV閥通過OPC動作信號聯開；#1-#6段抽汽通過OPC動作信號聯關；FCB RB聯關減溫水調門60s，60s后恢復自動控制狀態；FCB動作切除氧量自動控制、切除二次風箱差壓控制、切除鍋爐主控、切除汽機主控。

3 FCB試驗

FCB試驗運行工況嚴酷，運行參數趨近紅線，機組需要在懸于全停邊緣的瞬間進行快速控制，留給控制系統反應的時間不超過5s。在保證機、爐、電相關設備有足夠安全裕量下，所有自動控制系統要求控制及時，動作可靠，在極短時間內完成各系統方式切換、并且在過程調節中協同準確、參數定量更要精準。試驗前要完成RB、甩負荷、廠用電快切等相關子回路試驗項目。

寧夏京能寧東電廠#1、#2機組在成功進行50%PeFCB試驗的基礎上，分別于2011年3月14日18∶30和2011年6月12日11∶10進行了100%PeFCB試驗項目，兩次試驗都一次取得圓滿成功。以#2機組試驗分析，試驗均通過電氣網絡監測系統（NCS）拉掉750kV主開關斷路器（通過此操作實現發電機出口有功功率突變而發電機出口斷路器仍在合位），觸發FCB動作信號開始，發電機有功功率瞬間降至廠用電耗32.9MW，而后90s內隨輔機出力減小穩定在28.2MW；大機轉速在1.5s后達到最高3151r/min，6s后轉速惰走至3060r/min，OPC動作復位，大機恢復轉速調節，8s后轉速穩定在3000r/min（如圖3所示）；大機綜合閥位在恢復轉速調節后，進行“孤島運行”時穩定在7.5%。機前壓力在FCB動作5s后達最高26.8MPa，而后開始平緩下滑；末過蒸汽溫度平穩降至560°，降幅5°；再熱氣溫平穩降至553°，降幅11°。機組“孤島運行” 5min，而后再次并網，很快恢復至300MW，試驗結果也證明具備FCB功能的火電機組恢復發電負荷的快速性。

圖2 FCB試驗時各主要參數變化趨勢

圖3 FCB試驗時轉速變化趨勢

依據圖3試驗記錄，高旁2s后快開到位，轉入自動控制后，高旁壓力定值開始以0.36MPa/min速率開始下滑，試驗過程中末級過熱器出口壓力始終處于受控狀態，5min后在末級過熱器壓力滑降到24.2MPa，高旁關至43%時運行人員手動復位，退出高旁自動，重新準備并網，高旁滑壓狀態結束；兩側的高旁溫度調閥隨高旁快開信號自動投入自動，開至100%；再熱壓力最高升至4.95MPa，低旁自動轉入自動狀態；低旁溫度控制也自動轉入自動，低旁溫度最高升至158°。

爐側在收到FCBRB信號觸發RB邏輯，鍋爐甩負荷至50%Pe對應燃料量；小機協同控制給水，通過水煤配比曲線平穩受控，下調至1529t/h；總風量平穩滑至1818t/h；由圖4記錄可知，機組背壓最高36.2kPa；各段抽汽逆止門聯鎖關閉，高排通風閥聯鎖開啟。動態過渡過程中機組其它參數（缸溫、振動、脹差等）及各輔機的運行狀況正常。試驗表明該機組機、爐、電各主輔控制系統功能在短時間內適應機組劇烈變變工況運行的要求。

4 FCB試驗分析

圖4 FCB試驗時旁路系統各控制參數趨勢

1）#1機組兩次發生FCB試驗時汽機轉速飛升相對甩負荷試驗有些偏高，#2機組進行了針對性的靜態測試。由于系統運算周期的影響，使電氣來進爐側控制器再轉發至DEH系統的FCB觸發信號延遲了900ms。因此#2機組進行了相應改造，將FCB動作信號硬接線直接進DEH系統，要求不高的爐側動作信號則從DEH側調用，同時將FCB指令信號定義高速掃描點，OPC動作頁面定義為高速運算頁面。因此#2機組的50%FCB試驗大機轉速最高3072r/min，較#1機組 3148r/min少了 76r/min；100%FCB試驗大機轉速最高3151r/min，較#1機組3283r/min少了132r/min，效果明顯，有力的保障的FCB動作時的大機安全。

2）兩次FCB試驗都是由750kV主開關斷路器分閘引起的FCB觸發。但分析數據發現主開關斷路器分閘到FCB觸發本身還需一定時間，因此FCB工況觸發純延遲時間需要函蓋在安全裕量中。

3）50%PeFCB工況時，由于四段抽切，冷再蒸汽參數較低，小機出力可能受限，FCB動作后，需要關注小機出力，必要時投入輔助蒸汽汽源；FCB動作存在大機調門和高旁快開的切換過程，若高旁不能快速開啟，可能造成暫態憋泵。兩次FCB試驗高旁均在2s內快開，主汽壓力和給水流量過渡平緩，實際的FCB動作沒有造成鍋爐給水流量測量值的突變；四次FCB試驗過程中，高旁門后溫度最高達到364°，低于保護定值427°，高旁溫度始終處于受控狀態；再熱壓力最高達4.95MPa，低旁基本處于全開位，再熱安全門未動作；低旁門后溫度最高達到158°，低于保護定值200°，低旁減溫也基本處于全開位；機組背壓最高機組背壓最高36.2kPa，完全滿足安全指標。

4）為保障低旁減溫水壓和軸封減溫水壓力安全，增加高旁快開超弛加載凝泵變頻器至工頻位的邏輯，同時除氧器上水調門依據主汽流量超弛減至一定開度，而后自動調節除氧器水位。試驗結果表明該設計穩定可靠，有利于大工況變動的減溫水壓控制和除氧器水位安全。

5 結論

FCB動作后，爐側控制系統快速甩熱負荷；DEH系統第一時間控制住汽機轉速在合格范圍內；旁路系統很快泄壓而后轉入壓控狀態；大量的自動控制保證了機組平穩的轉入“孤島”運行，主要參數如主汽壓力、鍋爐熱負荷、給水量、主汽溫度、總風量始終處于受控狀態，控制指標良好，兩臺機組50%負荷和100%負荷FCB試驗的成功，反證了本機組所設計FCB控制系統的可靠性和可控性。

對于廠級單位而言，大型火電機組FCB功能的實現有助于發電機組的安全停運，又很容易實現機組停機不停爐功能，可有效減少鍋爐MFT的次數，有利于機組在熱態下重新起動、升負荷，同時避免機組緊急停爐、強迫快速冷卻，防止壁溫的大幅快速下降，可有效減少鍋爐受熱面內氧化皮的發生，這些對于提高機組運行安全和經濟性能都有很重要的現實意義。FCB功能的實現，使機組具備了在極短的時間內轉入僅帶廠用電“孤島運行”的能力，由于鍋爐尚處于較大容量，只要電網故障恢復，可迅速并網輸出＞40%Pe負荷，相對于國內常規承擔黑起動任務的水電機組更具有較大的恢復負荷能力，這對于電網安全性的提高有著重要作用，實際上實現了廠網的雙贏。

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