350MW小旁路燃煤機組FCB試驗淺析

柳瑤斌

（上海電氣電站工程公司，上海 201100）

FCB是機組在正常運行工況下，由于內部或外部原因造成機組與電網解列后，機組能夠快速減負荷至帶廠用電運行或停機不停爐的自動控制功能［1］。機組在小島運行期間，要求保證機組的運行參數在安全范圍內，不引起保護動作，不危及設備安全，在電網允許的情況下，機組可迅速重新并網。

本文結合上海電氣350MW機組在印尼PALABUHANRATU電廠成功完成FCB試驗的案例，闡述了小旁路情況下100%負荷FCB試驗的難點、創新和經驗。

1 機組系統配置

印尼PALABUHANRATU項目建設規模為3臺350MW亞臨界燃煤機組，上海電氣作為總包方并作為主要設備供應商。

鍋爐為上海鍋爐廠制造的亞臨界壓力參數、自然循環、單爐膛、一次中間再熱、燃燒器擺動調溫、平衡通風、四角切向燃燒、固態排渣、全鋼架懸吊結構，露天布置的汽包爐。鍋爐在燃燒設計煤種時，不投油最低穩燃負荷不大于40%BMCR，過熱器出口配置10%BMCR容量動力泄放閥3臺。制粉系統采用上海重型機器廠制造的中速碗式磨煤機，5用1備。

汽輪機為上海汽輪機廠制造的雙缸雙排汽、單軸反動式、一次中間再熱、純凝式汽輪機。汽機旁路配置高壓和低壓二級串聯液動旁路，高壓旁路的容量為鍋爐BMCR工況出力的30%，低壓旁路的容量為高壓旁路的蒸汽流量與噴水流量之和。給水系統配置2臺50%BMCR容量汽動給水泵，1臺25%BMCR容量電動給水泵。機組所配發電機為水氫氫汽輪發電機。

汽輪機調節采用數字電液調節DEH系統，采用與DCS系統一體化設計。如圖1所示。

圖1 系統配置圖

2 FCB試驗難點

機組在FCB動作時，機組主要參數將發生劇烈變化，相關系統和設備需能夠快速響應。根據此前國內部分電廠FCB的成功經驗來看，無不在機組配置上有得天獨厚的優勢。上海外高橋二期發電廠2×900MW于2004年成功實現滿負荷FCB試驗，其汽機島、鍋爐島、儀控島均為進口設備，分別為西門子、阿爾斯通、日本日立供貨，而且采用的是100%BMCR高旁和50%BMCR低壓旁路以及100%再熱安全門。華能石洞口第二發電廠2×600MW于1996年和1999年兩次成功實現FCB，其汽機和發電機為ABB公司生產，鍋爐為CE公司和SULZER公司生產，DCS、DEH等全為進口的infi-90控制系統，高旁容量為100%BMCR，低旁容量為65%BMCR。廣東粵電珠海電廠2×700MW的2臺機組先后實現5次FCB試驗，其鍋爐和汽機為三菱重工設備，發電機為美國西屋設備，高旁和低旁容量均為40%BMCR，但其在過熱器出口配置了7只PCV閥，總排量35.8%BMCR［1］。

綜合上述部分國內電廠成功實現FCB的案例，其共同特點主要設備均為進口設備，大容量旁路或者大排放量的PCV閥。本項目機組主要設備完全國產化，另外就其配置而言，實現FCB試驗難度很大。

2.1 低容量旁路配置

由于業主大合同要求和工程投資考慮，本項目采用低容量旁路設計，高旁容量只有30%BMCR，低旁容量為高壓旁路的蒸汽流量與噴水流量之和。鑒于此，本項目考慮在過熱器出口增加PCV閥。按ASME標準，一般只配10%BMCR排量的PCV閥，本項目配置3只PCV閥，總排放量30%。按此設計，理論上機組60%以下負荷運行時，FCB較易實現。但當負荷超過60%時，多余蒸汽將需要通過安全門排放，即當100%負荷情況下，將有70%TMCR流量的蒸汽排向大氣。在這種情況下，極易引起機組瞬間工質不平衡而導致機組跳閘［2］。所以低容量旁路配置將對機組FCB試驗是一個重大考驗。

2.2 機組全自動條件下實施FCB試驗

在與印尼業主討論FCB試驗方案過程當中，業主提出在FCB試驗之前機組必須全自動且投入協調CCS，而且在機組FCB投入并主變出口斷路器斷開之后，10s之內機組不能進行人工干預，必須完全靠機組自動控制系統對機組進行協調。不能進行人工干預增加了FCB試驗的風險，任何一個細小的環節出問題都將導致FCB試驗失敗。

2.3 FCB試驗時不投油槍、電泵不起

在此前國內大部分FCB成功案例來看，FCB試驗開始之后為維持燃燒穩定，在快速降低鍋爐熱負荷的同時，會快速投入一層油槍，確保鍋爐不會由于燃燒不穩定而導致MFT動作。但在本項目FCB邏輯當中并未考慮油槍投入，以便更真實模擬機組突發狀況時的情景。此外，在部分FCB案例當中，電動給水泵處于備用狀態，即電泵已啟動，處于再循環狀態，或者和汽泵已并列運行。電泵已經運行對于控制汽包水位以及規避汽泵汽源不穩風險有很大幫助，同時甩負荷后增加了廠用電負荷，能更快穩定汽機轉速。應業主要求，FCB后不聯起電泵，電泵只有在威脅到機組運行安全時才會投入運行，這也對汽泵以及汽泵汽源穩定提出了更高的要求。

2.4 汽動給水泵的汽源切換問題

正常運行時汽動給水泵的汽源取自汽輪機四段抽汽，汽輪機甩負荷后抽汽壓力迅速跌落。由于電泵不允許啟動，要使汽動給水泵維持運行，必須迅速將其切至備用汽源。本項目在設計之初就考慮輔汽聯箱來源不僅有四抽，還有冷再。在機組正常運行時，將四抽和冷再并汽運行，確保輔汽壓力。在FCB之后，四抽壓力迅速降低，而冷再則可以繼續提供輔汽壓力，但高排逆止門快速關閉，而高旁開啟需要2s，并且高旁快開之后，壓力也會波動較大。所以輔汽壓力能否快速切換和保持穩定，將成為FCB能否成功的關鍵。在本項目的3號機FCB時，為確保輔汽壓力，FCB試驗開始10s過后，手動打閘一臺小機，確保一臺汽泵正常運行。

3 FCB試驗準備

由于FCB試驗是對機組所有工藝系統和控制系統性能的一次嚴峻考驗，所以必須保證在FCB試驗之前機組處于一個良好的狀態，并且在此之前完成了大量的前期準備工作。主要包括：

（1）鍋爐最低穩燃試驗試驗，試驗結果表明可維持30%BMCR負荷；

（2）鍋爐安全門試驗合格，動力泄放閥試驗合格，動作正常；

（3）鍋爐緊急放水門動作正常；

（4）減溫水門動作正常，自動正常；

（5）OPC保護動作正常，汽機超速試驗合格；

（6）汽機閥門嚴密性試驗合格，主汽門、調速汽門關閉時間靜態試驗合格；

（7）高低旁閥門動作正常，自動正常；

（8）高排逆止門和高排通風閥動作正常；

（9）抽汽逆止門動作正常；

（10）除氧器緊急放水門動作正常；

（11）柴油發電機工作正常；

（12）直流電源及所有直流油泵工作正常；

（13）勵磁系統正常；

（14）機組完成負荷擺動試驗，一次調頻試驗，AGC試驗；

（15）機爐電大聯鎖試驗完成；

（16）機組保護系統可靠，全部投入；

（17）FCB邏輯檢查修改完成；

（18）FCB試驗正式開始之前，進行油槍試投，電泵試轉，輔汽、軸封、旁路等管道的暖管等。

4 FCB試驗情況介紹

本項目3臺機組先后總計進行過9次FCB試驗，其中5次50%負荷，4次100%負荷，前2次50%負荷FCB試驗失敗，后7次全部成功。以下就FCB試驗失敗和成功的案例做一詳細介紹。

4.1 FCB試驗失敗分析

2013年5月15日22：49：30，1號機首次進行50%負荷FCB試驗，試驗前機組負荷179 MW。此次試驗最終失敗，失敗的主要原因是由于中調門沒能及時打開參與轉速控制。在FCB信號發出及斷開主變出口斷路器后，OPC動作，高調門和中調門迅速關閉，汽輪機轉速瞬間轉速上升至3 075rpm，沒有超過3 090rpm，負荷降至廠用電運行，最初負荷17.2MW。7.5s后中調門自動打開1%，高調門處于關閉狀態，隨后轉速開始下降，在轉速下降過程中，中調門開度仍然沒有超過1%，高調門也未打開參與調節，直至轉速下降至2 700rpm，周波低到45Hz，發電機低頻保護動作，發電機跳，鍋爐MFT，汽機跳機。

針對此次試驗失敗，DEH廠家將中調門延時7.5s開啟改成延時2s開啟，預開度仍為1%，取消冷再壓力大于0.828MPa高調門關閉的聯鎖。

2013年5月16日22：25：27，一號機組進行第二次50%負荷FCB試驗。試驗同樣失敗，失敗的主要原因是高排通風閥沒能及時打開。當FCB信號發出，主變出口斷路器斷開后，高調門和中調門迅速關閉，負荷降至18.7MW。1s后汽機轉速上升至最高3 064rpm，隨后開始下降，2 s后中調門自動開1%，參與調節控制轉速。但此時高排通風閥仍無開啟反應，轉速繼續降，6s后高調門GV2開始動作，隨后GV1、GV3、GV4也開始動作，22：26：00高調門最大開度6.5%左右，由于高排通風閥沒有開啟，而高排逆止門也處于關閉狀態，高壓缸只有進汽，沒有排汽，無法調節汽機轉速。22：25：58.3轉速下降至2 700rpm以下，周波低于45Hz，發電機低頻保護動作，汽機和發電機跳閘，鍋爐MFT。

以上2次50%負荷FCB試驗失敗，主要原因是DEH邏輯控制器內的壓力跟蹤速率設定值太低，中調門無法跟蹤控制汽機轉速，其次設備機械故障也是導致試驗失敗的另外一個原因，隨后對高排通風閥都進行了解體檢查，確保冷態時閥門完全開啟時間在10s左右。DEH廠家也對邏輯進行了修改，FCB及主變斷路器斷開后延時2s中調門開啟，開度預設值6%，高調門在冷再壓力低于0.828MPa后投入參與調節。

4.2 FCB試驗成功介紹

以下選取3號機組50%負荷FCB試驗和100%負荷FCB試驗進行介紹。

4.2.1 50%負荷FCB試驗

2013年12月31日03：28：05，3號機開始50%負荷FCB試驗。試驗前參數為：負荷175.87MW，汽機轉速2 988rpm，主蒸汽壓力15.55 MPa，主蒸汽溫度531℃，再熱蒸汽壓力1.86 MPa，再熱蒸汽溫度514℃，發電機電壓19.98 kV，發電機電流5 498A。ABCD四臺磨運行，總給煤量105.8t／h，AB兩臺汽泵運行，給水量528.9t／h。高調門開度分別為15.8%，15.2%，15.0%，15.9%，中調門開度99.4%，98.9%。

試驗過程：

（1）03：28：05.7主變出口斷路器斷開，OPC動作，高調門和中調門迅速關閉，高低旁迅速開啟，高排通風閥逐漸開啟，PCV閥迅速打開。

（2）03：28：08中調門開始打開，開度0.6%，轉速上升至3 042rpm后開始回落。

（3）03：28：11A 磨煤機自動停磨，總給煤量下降至78.8t／h。主蒸汽壓力上升至最高15.84 MPa后開始回落。

（4）10s過后，03：28：15可以開始人工干預機組控制，高低旁切為手動操作。高低旁開度分別為95.5%和97.3%。

（5）03：30：05由于高旁后溫度超溫，高旁自動閉鎖，冷再壓力開始下降，主汽壓力上升。

（6）03：30：22轉速下降至2 919rpm，中調門開度分別為7.2%和7.3%，冷再壓力下降至0.8 MPa，高調門開始動作。由于高調門開啟速度較慢，轉速繼續下降。調試人員強制高旁后溫度，解除高旁閉鎖。

（7）03：30：43轉速下降至2 778rpm，冷再壓力低至0.4MPa，高旁開始手動開啟，開度30%。中調門開度分別為7.2%和7.3%，高調門開度分別為4.7%，4.3%，3.9%，4.9%，轉速開始回升。

（8）約3min后，03：33：29轉速穩定2 999 rpm，03：33：36機組成功重新并網，并網時機組主要參數：汽機轉速2 997rpm，主蒸汽壓力14.5 MPa，主蒸汽溫度508℃，再熱蒸汽壓力1.19 MPa，再熱蒸汽溫度533℃，爐膛負壓-115.8 Pa，汽包水位17.5mm，總給煤量83.9t／h，發電機電壓19.81kV，發電機電流554A。

表1 50%負荷FCB試驗記錄

在整個FCB過程中，汽機各軸承溫度均在合格范圍內，無劇烈波動，除6瓦和7瓦短時間有較大波動外，最大波動到114μm，其余各瓦振動均無明顯波動。50%負荷FCB曲線如圖2所示。

4.2.2 100%負荷FCB試驗

在完成50%負荷FCB試驗后，機組立即加負荷至350MW，準備開始進行100%負荷FCB試驗。2013年12月31日06：01：55，3號機開始100%負荷FCB試驗。試驗前參數為：負荷349.4MW，汽機轉速3 007rpm，主蒸汽壓力16.57MPa，主蒸汽溫度524℃，再熱蒸汽壓力3.51MPa，再熱蒸汽溫度523℃，發電機電壓20.2kV，發電機電流10 359A。ABCDF五臺磨運行，總給煤量195.8t／h，AB兩臺汽泵運行，給 水 量1 102.3t／h。高 調 門 開 度 分 別 為41.8%，40.9%，40.9%，41.6%，中調門開度99.6%，98.9%。

圖2 50%負荷FCB曲線

試驗過程：

（1）06：01：55.3主變出口斷路器斷開，OPC動作，高調門和中調門迅速關閉，高低旁迅速開啟，高排通風閥逐漸開啟，PCV閥迅速打開。

（2）06：01：57轉速飛升至最高轉速3 141rpm，高調門和中調門均處于關閉狀態。高旁開度52.09%，高旁減溫水閥門開度99.9%，低旁開度28.29%，低旁減溫水閥門開度99.2%，主汽壓力上升至16.99MPa，并且繼續上升，A磨自動跳磨。

（3）06：01：59轉速下降至3 101r／min，高調門和中調門仍處于關閉狀態。高旁開度96.05%，高旁減溫水閥門開度99.9%，低旁開度97.9%，冷再壓力3.718 1MPa，低旁減溫水閥門開度99.2%，主汽壓力上升至17.4MPa，并且繼續上升，F磨自動跳磨，總給煤量116.3t／h。

（4）06：02：01轉速下降至3 066r／min，低于3 090rpm，中調門開始參與調節轉速，中調門開度分別為2.8%和2.6%，此后汽機轉速均未超過3 090r／min。

（5）06：02：05可以開始人工干預，考慮輔汽壓力可能不足，決定逐步解列B小機。此時輔汽壓力0.79MPa，A小機轉速5 003r／min，B小機轉速5 122r／min，給水流量980t／h，汽包水位-56.77mm。中調門開度均為4.3%，汽機轉速3 024r／min。

（6）06：03：11由于高旁投自動波動較大，改為手動，設定95%開度。

（7）06：03：20低旁改為手動，設定97.9%開度，再熱蒸汽壓力下降。

（8）06：06：01轉速2 988r／min，中調門開度開到最大值11.4%和11.6%，再熱蒸汽壓力0.912 5MPa，轉速繼續下降，高調門開始動作，中調門開始逐漸關小。

（9）06：06：57轉速下降至最低2 919r／min，中調門開度分別為9.6%和9.8%，高調門開度分別為3.2%，2.7%，2.2%，3.3%。

（10）06：09：30 轉速穩定在 2 990r／min，06：09：35機組成功重新并網。并網時機組主要參數：汽機轉速2 994r／min，主蒸汽壓力17.1 MPa，主蒸汽溫度506℃，再熱蒸汽壓力1.39 MPa，再熱蒸汽溫度548℃，爐膛負壓-165.5 Pa，汽包水位-207.2mm，總給煤量94.8t／h，發電機電壓19.9kV，發電機電流2 945A。

在整個FCB過程中，汽機各軸承溫度和振動均在合格范圍內，均無明顯劇烈波動。如圖3所示。

表2 100%負荷FCB試驗記錄

圖3 100%負荷FCB曲線

4.3 FCB試驗分析

（1）50%負荷FCB時轉速更容易穩定。50%負荷時從試驗開始到汽機轉速穩定并網時長5分31秒，100%負荷則用時7分40秒。

（2）高旁減溫水應進行設計優化。在50%負荷試驗時，由于高旁后溫度超溫，高旁自動閉鎖，即使減溫水門一直保持100%開度，高旁關小，但高旁溫度依然上漲，主要是由于50%負荷時給水流量有限，溫度無法控制。在100%負荷時，給水流量大，高旁沒有超溫。

（3）低旁減溫水應進行設計優化。在兩次試驗過程當中，低旁溫度均超溫，在今后機組設計是否可考慮增大凝泵出力。

（4）中調門和高調門自動控制跟蹤速率應加以完善。在50%負荷試驗時，高旁閉鎖，冷再壓力下降，再熱蒸汽流量減少，中調門即使開大，轉速也下降過快，在高調門開始打開之后，中調門關閉速率過快，而高調門開啟速度較慢，導致轉速快速跌至2 778r／min，接近低頻保護動作值。

（5）需改善爐膛負壓控制邏輯。100%負荷FCB時，爐膛負壓在2臺磨煤機跳閘后，爐膛負壓迅速降低至-1 035.53Pa。

5 結語

小島運行作為一種事故工況下的運行方式，對機組的安全經濟運行和電網的安全穩定運行具有重要的意義。本文介紹了印尼PALABUHANRATU電廠的FCB試驗情況，表明國產350MW機組在小旁路的情況下完全可以成功實現小島運行，將給國產同類型機組從設計到設備選型及調試運行提供一定的參考。

［1］ 騰衛明.國產600MW超臨界機組FCB功能實現［D］.杭州：浙江大學，2008.

［2］ 馮偉忠.900MW超臨界機組FCB試驗［J］.中國電力，2005（2）：74-77.FENG Wei-zhong.FCB test for 900MW supercritical units［J］.Electric Power，2005，38（2）：74-77.