660MW超臨界機組FCB控制技術研究與實施

創造單位：中國能源建設集團華東電力試驗研究院有限公司

主創人：蔣根華 王孟

創造人：張來平 盛錦鰲 陳國清 陳霄峰

[摘要]FCB英文全稱Fast Cut Back，又稱Houseload，是指機組在外網故障，發電功率不能輸送至電網時，機組快速降負荷帶廠用電并維持運行一段時間，待電網故障消除后，機組可在短時間內恢復并網。印尼當地電網建設與發展的水平遠遠落后于國內同期水平，電網的穩定性較差，易發生電網故障事故。因此電網要求機組具有FCB功能，同時也是當地機組能否進入商業運行的一個必要條件，是公司在印尼芝拉扎二期1*660MW機組整套啟動調試必須攻關解決的課題。公司組織技術團隊進行技術攻關，分析100%負荷下FCB過程的難點和要點，并針對這些關鍵點進行了一系列的優化措施，同時對一系列優化措施進行驗證試驗，最終完成了660MW機組滿負荷下的FCB功能試驗。

[關鍵詞]FCB控制技術;660MW超臨界機組

一、項目概況

（一）項目背景

芝拉扎二期1×660MW超臨界燃煤發電機組位于印尼爪哇島中部芝拉扎市。其鍋爐為超臨界參數變壓運行直流爐、單爐膛、前后墻對沖燃燒、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構n型布置。汽輪機組采用上海汽輪機廠制造的N660-24.2/566/566型660MW超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、凝汽式汽輪機，主蒸汽壓力24.2MPa，主蒸汽溫度566℃，再熱蒸汽壓力4.127MPa，溫度566℃。旁路為瑞士SULZER公司生產的兩級串聯液壓驅動的高、低壓旁路系統（高旁容量是額定壓力溫度下的60%BMCR流量，低旁容量是60%BMCR流量再加高旁的噴水量）。

FCB英文全稱Fast Cut Back，又稱Houseload，是指機組在外網故障，發電功率不能輸送至電網時，機組快速降負荷帶廠用電并維持運行一段時間，待電網故障消除后，機組可在短時間內恢復并網。本論文所涉及FCB試驗的內容：機組在100%負荷即660MW負荷下，模擬外網故障（手動分并網開關），機組在與外網斷開后自動帶廠用電負荷維持孤島運行，在外網具備條件后重新并網升負荷。

由于印尼當地電網建設與發展的水平遠遠落后于國內同期水平，電網的穩定性較差，易發生電網故障事故，因此電網要求機組具有FCB功能，同時也是當地機組能否進入商業運行的一個必要條件。

相較RB與甩負荷工況，FGB工況更為惡劣，需要自動甩負荷至FCB目標值，風量、煤量、水量、主汽壓力均以一定的速率降至目標值，還需要維持主汽溫度穩定，因此對控制系統調節品質、設備眭能有著很高的要求。

（二）概述

研究印尼芝拉扎電站l*660MW超臨界機組特點，針對FCB功能對控制系統進行改進優化，從而實現機組成功在660MW滿負荷狀態下，快速減負荷至帶廠用電運行，乃至重新并網的成功經驗，總結并研究了660MW超臨界機組在100%負荷下實現FCB功能的關鍵技術，介紹了對幾個系統的重點優化措施，對各個系統FCB試驗階段的效果進行實際驗證與總結，對需要FCB功能的機組主輔機的硬件配置提出了建議，對其它同類型機組FCB試驗具有一定的借鑒意義。

（三）項目研究內容

印尼芝拉扎二期1*660MW超臨界機組100%負荷FCB功能研究。

（四）項目完成情況

本項目已按計劃如期完成印尼芝拉扎660MW超臨界機組100%負荷FCB方案編寫和審核，完成對各控制系統的改造優化，并順利完成機組100%負荷FCB試驗且經當地政府部門及業主等單位驗收，機組完成168小時試運，投入商業運行，達到項目預期目標。

（五）參加人員及貢獻

項目主創人員：蔣根華、王孟

項目主要參與人：張來平、盛錦鰲、陳國清、陳霄峰

（六）資金使用情況

本項目計劃總投資81萬元，實際投資78萬元。總計參與人員17人，共600余工日。

二、設計思路、總體方案、技術架構、技術原理、方案及關鍵技術等（視項目情況而定）

（一）FCB觸發條件

在協調模式、或者TF模式（風、水、煤均在自動位），負荷大于40%，且FCB功能投入的情況下，采用發生發電機解列信號觸發FCB動作。

（二）FCB動作邏輯

發電機解列觸發FCB動作后，協調系統切換至基本方式，鍋爐目標負荷40%BMCR，按照FCB跳磨順序保留3臺磨煤機，DEH轉為本地轉速控制，定速目標3000r/min，帶自身廠用電運行;旁路控制系統轉入壓力控制模式，按設定壓力曲線調整主、再熱蒸汽，打開高低壓旁路系統。

（三）關鍵技術

1.從100%負荷快速降負荷，防止鍋爐壓力飛升;

2.快速減燃料，又維持燃燒、汽溫的穩定;

3.汽輪機轉速飛升，防止發電機超頻保護動作;

4.旁路控制系統控制主再熱蒸汽壓力，同時要穩定閥后溫度，防止超限高低旁快關;

5.給水系統由四抽蒸汽切換至輔助蒸汽，避免給水系統大幅度擾動;

6.FCB發生后，解決大量的凝結水需求量;

7.快速打開高排通風閥，防止高壓缸排汽溫度超限。

（四）創新技術

旁路控制，采用精準定位，FCB發生后高旁及高旁減溫水預開的開度經過精準計算定位。通過高旁蒸汽流量及蒸汽焓值精準計算定位出高旁及高旁減溫水的預開啟開度，控制主蒸汽壓力滑壓至目標值，快速穩定閥后溫度，防止再熱器溫度突降，使旁路控制效果達到最優。

三、技術特點

在部分設計、設備配置未能考慮100%負荷FCB功能的情況下，通過對鍋爐、汽機、電氣等控制系統的改造，實現了在660MW負荷狀態下，因外部電網故障解列時，快速甩掉負荷的工況下，不觸發停機、停爐，帶廠用電的維持孤島運行，待在外網具備條件后重新并網升負荷，機組各參數正常，提高了機組的安全性及穩定性。

四、系統主要特點（成果轉化）

（一）各系統的改造

1.旁路系統的精準定位控制

在FCB發生時，高旁低旁快開，自動投入FCB下的壓力控制模式，滑壓至當前壓力設定值，設定值根據鍋爐燃料量決定。旁路減溫水預開至一定開度后，自動調節旁路閥后溫度值。

FCB發生后高旁及高旁減溫水預開開度的精準定位：對高壓旁路及高壓旁路減溫水開度通過計算進行擬合。根據旁路廠家提供的高旁蒸汽流量的計算公式，如式（1）：

f=kv×kvs×P÷|509x（0.031×E-18.5）| （1）

公式中kv為旁路開度;kvs為高旁閥全開時兩側差壓，是一常數;P是主蒸汽壓力;E為蒸汽焓值。由此在任意負荷下，由蒸汽流量、主蒸汽壓力、溫度即可擬合出高旁快開的預設開度，如式（2）：

kv=f×[509×（0.031×E-18.5）]÷（P×kvs） （2）

高旁減溫水開度的擬合：當為主蒸汽流量f1，主蒸汽焓值為E1，減溫水流量f2，為減溫水焓值E2，減溫減壓后蒸汽流量f，減溫減壓后蒸汽焓值E，根據能量守恒定律，有以下關系，如式（3）：

f×E+f×E=f×E （3）

則所需高旁減溫水流量如式（4）：

f=f×（E-E）÷（E-E） （4）

而高旁減溫水流量與高旁減溫水調節閥基本成線性關系，因此在實際過程中用當前工況下的蒸汽流量的函數作為旁路快開時高旁減溫水瞬啟開度值。

2.鍋爐的控制

在FCB發生時，鍋爐需保持一定的熱負荷，且保證旁路有一定的調節能力，鍋爐在確定FCB目標負荷時，將目標負荷定為400/0BMCR。參考一次風機RB及給水RB時的變負荷速率，FCB降負荷速率定為200%/min。在FOB發生時按照上層、中層順序立即切除一臺磨煤機，間隔7秒后切除第二臺磨煤機，保留3臺磨煤機運行。為了維持汽溫及燃燒的穩定，自動投入上層、微油層油槍運行。為了維持供油壓力的穩定，各層油槍投入時加入一定延時，最多保持2支油槍共同投入。

3.汽輪機側系統的控制

FOB觸發瞬間，OPC立即動作，高調門、中調門迅速關閉，控制機組轉速短暫飛升后下降，DEH由“遙控”模式自動變為帶旁路模式，轉為“本地轉速控制”。

增加倒缸邏輯：FCB動作時間滿2s后，如果轉速低于3060（OPC復位轉速），OPC指令復位，IV開啟至預設開度，GV保持關閉，IV控制轉速穩定在3000轉，并帶廠用電維持運行，待外網恢復正常后，進行同期、并網。并網后由中壓缸帶初負荷，升負荷至11%

13%負荷，冷再熱壓力小于1MPa后，DEH提示倒缸條件滿足，進行倒缸操作。在倒缸的過程中，高排壓比會低于保護值1.8。因此汽機廠將高排壓比低保護變為倒缸瞬間延遲1分鐘生效。隨著高調門逐漸開啟，轉為高中壓缸聯合控制，可繼續正常升負荷。

FCB發生時，四抽蒸汽壓力驟降，給水泵汽輪機供汽汽源需平穩切換至輔助蒸汽供給，通過優化邏輯，將冷再汽源切換閥的開啟指令從原有的低調閥開度100%改為70%，保證小機轉速的穩定，同時將冷再至輔聯壓力調節閥設定值跟蹤一定值，保證輔汽聯箱壓力正常，避免給水流量出現大幅波動。

4.電氣系統的控制

FCB發生時，發電機迅速降負荷至39MW左右，維持帶廠用電運行，初期汽輪機會存在一個瞬間轉速飛升過程，由于機組仍維持自帶廠用電的方式，汽輪機轉速的飛升幅度也相對100%甩負荷要小一些，仍然有動作的可能性。參考相關文獻及國外100%負荷下FCB成功的經驗，與廠家及各方確認后，將超頻保護的時間延長至30s。

5.順控系統的改造

FCB發生瞬間，快開4個電磁泄壓閥，延時20s或壓力低于設定值時，自動關閉電磁泄壓閥。FCB發生時，聯啟第二臺凝結水泵，保證凝結水壓力及低壓系統減溫水量的供應;自動開啟高排通風閥，關閉高排逆止閥，防止高壓缸排汽溫度超限。

（二）100%FCB試驗過程及效果

1.試驗過程概述

2016年6月4日10時00分，機組協調方式下運行，負荷660MW，主汽壓力24.2MPa，給水流量1948.7t/h，主汽溫度568.6℃，再熱器溫度569.2℃，再熱器壓力4.12MPa，機組給煤量404t/h（經BTU修正后）。2016年6月4日10點05分01秒，手動分并網開關，觸發FCB動作，汽機轉速開始飛升，最高至3198rpm，OPC動作后開始迅速下降，最低至2968rpm。經過25秒鐘后，轉速穩定在3000轉附近，期間汽輪機各個參數正常，軸承金屬溫度、推力瓦溫度無明顯變化。FCB發生后，鍋爐燃料以200%/min的速率，16s后到達目標燃料量40%;給水流量以同樣的速率降至目標流量，因四抽蒸汽切除，轉為輔汽控制，小機轉速出現瞬時下降，18s后給水流量最低降至581t/h（鍋爐最小流量保護為360t/h延時20s），1分鐘后穩定在40%負荷時對應的給水流量。主蒸汽溫度隨著FCB的發生，逐漸下降，從568.6℃最低降至553℃，FCB試驗完成重新并網時升至564℃，再熱器溫度從試驗前的569.2℃降低到544℃，高壓缸排汽溫度從327℃升高至362.1℃;主蒸汽壓力最高至25.8MPa，后自動滑壓至14MPa，凝汽器真空從-93.3kPa，最高到-88.7kPa，重新并網后恢復至-91.88kPa。FCB期間主要參數如圖3所示。

2.高低壓旁路控制效果

從曲線上可以看出：FCB發生瞬間，高旁快開，高旁閥開至預設開度，隨后高旁壓力設定值按既定的滑壓速率（本工程設定為0.7MPa/min）到目標值，主汽壓力在FCB瞬2間最高飆升至25.8MPa，隨后在高旁閥的調節作用下緊隨著設定值斜線，滑壓至鍋爐主控輸出函數對應的目標壓力。高旁減溫水隨著高旁快開信號開至預設開度，高旁閥后溫度最低至265.57℃，后由高旁減溫水自動調節并維持溫度穩定在300℃。

3.低旁調節閥及低旁減溫水控制效果

FCB發生瞬間，低旁快開，低旁減溫水全開，隨后低旁壓力設定值按既定的滑壓速率（本工程設定為0.1MPa/min）到目標值，再熱器壓力試驗前4.12MPa，在低旁閥的調節作用下緊隨著設定值斜線，滑壓至鍋爐主控輸出函數對應的再熱器目標壓力1.82MPa。低旁減溫水隨著低旁快開信號開至全開，低旁閥后溫度最高到122℃，后經低旁減溫水自動調節并維持溫度穩定在90℃。

4.給水系統控制效果

由于本工程輔汽聯箱容積有限，輔汽用量不能同時保證兩臺小機同時帶負荷運行，因此在試驗前將A小機的供汽汽源切至輔汽，B小機仍舊由四抽供汽。如圖6所示：FCB發生后，給水指令以200%/min的速率減至40%鍋爐負荷下的給水流量，B小機由于四抽氣源的切除，指令反饋的偏差跳閘，A小機由于平衡塊的作用，將B小機的當前轉速指令自動疊加。給水流量最低至581t/h，一分鐘后穩定在880t/h。

5.爐瞠負壓控制效果

FCB發生前，爐膛壓力75Pa，設定值50Pa，FCB發生后，伴隨兩次跳磨，爐膛負壓開始波動最低至1175Pa，最高至526.7Pa，如圖7所示，70秒后穩定在50Pa附近。

6.FCB試驗期間電氣參數

F CB發生后，發電機有功功率從660MW突降到帶廠用電42.8MW，無功功率從140.24MVar降到19.11MVar;到發電機機端電壓從初始的22.51kV在30ms降低到21.88kV，最終電壓穩定在21.7kV。

五、系統實施前后對比

通過本次對超臨界機組100%負荷下FCB功能的研究以及本次100%負荷下FCB試驗的成功進行，機組具備了抗電網故障的能力，在外部電網故障解列的情況下，能快速降負荷至帶廠用電孤島運行，不觸發停機停爐，而且能在較短時間內快速并網，升負荷。通過本項目的實施，提高了機組的安全可靠性，避免了因外網故障造成的停機損失，同時也延長了機組的使用壽命。

六、存在不足

（一）給水泵汽輪機汽源的切換

本次試驗過程中，考慮到輔汽系統由于管道容量的限制，以及汽源切換對給水的擾動，而電泵又不能作為備用泵，試驗前給水泵汽輪機供汽分別用四抽蒸汽及輔汽供汽，為避免搶汽，FCB發生后手動停一臺汽泵。建議輔汽聯箱及管道容量應能滿足兩臺小機同時用輔汽帶到滿負荷或者配置全壓35%容量的電泵。

（二）汽輪機轉速的控制

如圖3：汽輪機轉速最高至3177r/min，最低至2960r/min，FOB觸發OPC動作2秒復位后，高調門仍處于關閉狀態，中調門開至預設開度（3000r/min記憶開度）來控制轉速。建議重新完善計算DEH控制參數，提高控制品質。

（三）汽輪機倒缸的控制

FCB觸發后，中調門帶負荷至13%左右，中調門全開后，開始逐漸開啟高調門，高壓缸排汽上升較快，最高到達424℃，保護動作值428℃，建議優化DEH倒缸邏輯，倒缸時增加高壓缸的通流流量。

七、效益分析

經濟效益：通過本科技項目的實施，保證機組安全運行，避免了停機帶來損失，保證了機組連續發電的利潤，增強了機組穩定安全運行使用壽命，為電廠以后運行節約了成本，具有極大的潛在經濟效益。

社會效益：印尼芝拉扎二期1*660MW超臨界機組為公司首次承接大型超臨界機組的調試項目，FCB功能試驗在超臨界機組中的應用也是公司首次，通過本項目的實施，不但填補了公司在FCB研究領域的空白，為公司拓展調試業務提供了必要的技術積累，也為公司在印尼電力調試領域樹立了標桿，為公司開拓印尼市場做鋪墊，具有極大的潛在社會效益;同時培養了一批專業人才，為以后同類型機組的調試提供依據。

八、項目推廣前景

本項目獲得的成果，可廣泛適用于其他新建同類型超臨界機組或者更高參數機組的調試和運行，使機組具備FCB功能，提高機組抗電網故障的能力，保證機組穩定、高效、長時間運行，具有廣闊的應用前景和推廣價值。