聯合循環電廠“孤島運行”的分析

王力 鳳思琪

摘 要：結合燃機聯合循環電廠孤島運行的應用，從電廠的基本配置出發，分析孤島運行時各工藝系統、電氣系統、控制系統、以及設備的安全運行模式。同時，孤島運行除了對電廠各工藝系統及電氣系統有特殊要求，對電廠控制系統的控制邏輯以及自動化響應水平也有很高的要求。

關鍵詞：自動化;孤島運行;機組快速甩負荷;分散控制系統（DCS）

中圖分類號：TK08 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0163-02

0 引言

對于一些電網不穩定的國家和區域，尤其是一些海外電廠項目和一些自備電廠項目，會根據需求考慮孤島運行模式，而孤島運行模式從電廠前期規劃、設計、設備采購、調試、運行等環節都要做出充分的考慮，因此孤島運行模式的安全性受到越來越多的關注和重視。但目前國內采用孤島運行的電廠并不多，也沒有相關規程規范對孤島運行做出具體規定。近期在工作中，接觸到一個東南亞地區的聯合循環電廠項目，設置了孤島運行模式，本文以此燃機聯合循環電廠為例對孤島運行方式進行簡單分析及探討。

1 “孤島運行”的定義

孤島運行，即機組快速甩負荷至帶廠用電運行，也就是我們常說的FCB（Fast Cut Back）。FCB的基本功能是：機組在正常運行（無MFT、汽機跳閘、發電機跳閘）工況下，由于系統外部原因造成電網瓦解時，機組FCB功能將自動投入，快速甩負荷帶廠用電運行，并在電網許可的情況下，重新并網向系統供電。機組孤島運行期間，要求保證運行參數在安全范圍內，不引起保護動作，不危及設備安全。

對于不同類型的電廠，孤島運行模式的復雜程度不同，燃機的機組相對于燃煤機組簡單一些，當與電網斷開時，有燃機的電廠，不論是單循環還是聯合循環機組，都可以切換到只有燃機進行。同時，孤島運行需要電廠控制系統快速自動化響應，在設計階段，根據工藝系統和電氣系統配置，周全考慮控制邏輯。

2 某燃機聯合循環電廠基本配置

2.1 機組配置

采用1套“三拖一”多軸布置燃氣—蒸汽聯合循環發電機組，3臺燃氣輪機;3臺燃機發電機;3臺無補燃、雙壓、臥式余熱鍋爐;1臺蒸汽輪機、1臺汽機發電機及其相關的輔助設備。電廠燃料為天然氣;全廠聯合循環機組凈出力約為260MW。電廠3D模型如圖1所示。

2.2 主要熱力系統

2.2.1 高壓蒸汽、低壓蒸汽及旁路系統

余熱鍋爐向汽輪機提供高壓蒸汽和低壓蒸汽，高壓及低壓蒸汽系統均為單元制系統。設置了一套高壓旁路系統，高壓旁路系統為100%余熱鍋爐高壓蒸汽容量，旁路出口接至凝汽器;設置了一套低壓旁路系統，低壓旁路系統為100%余熱鍋爐低壓蒸汽容量，旁路出口接至凝汽器。

2.2.2 高、低壓蒸汽及旁路管道的疏水系統

高、低壓蒸汽管道上設計足夠的疏水點，防止汽輪機進水。從鍋爐出口到汽輪機的管路低點設置疏水點，并將疏水分別就近接到本體疏水擴容器或大氣式疏水擴容器。高、低壓蒸汽管的疏水管配置全行程氣動操作的疏水閥。

2.2.3 凝結水系統

系統設2×100%容量的立式凝結水泵和1臺軸封蒸汽冷卻器。每臺凝結水泵的容量按照旁路投運時的最大凝結水量設計，正常運行時1臺運行1臺備用。系統還設置1臺的凝結水補水箱和2×100%容量的凝結水輸送泵。

2.2.4 給水系統

給水泵把低壓汽包里的給水經高壓給水操作臺輸送至高壓省煤器。每臺余熱鍋爐系統設置2×100%的電動調速給水泵。采用液力耦合器進行調速，以滿足機組啟動和各種工況下的需要。給水泵一臺運行，一臺備用。

2.2.5 供水系統

采用帶機力通風冷卻塔的二次循環冷卻方式，補給水源為河水。循環水系統水源為經過凈水站處理后的河水，循環水系統向凝汽器、水環式真空泵和閉式水熱交換器提供冷卻水，使機組在設計考核工況下正常運行。循環水采用帶機力通風冷卻塔的二次循環供水系統方式，配置兩臺一用一備的主循環水泵、兩臺一用一備的汽機輔機冷卻水泵、兩臺一用一備的燃機輔機冷卻水泵和3座機力通風冷卻塔。

2.3 燃料供應及燃燒系統

主燃料和備用燃料都是天然氣，廠內設置天然氣調壓處理站，用以清除天然氣中的固體顆粒雜質及液滴，并配置流量計對天然氣進行精確計量，并將天然氣加熱至合適溫度，以滿足燃氣輪機的要求。

2.4 電氣系統

本期3臺燃機和1臺汽機均采用發電機-變壓器組單元接線，接入本期廠內66kV配電裝置。66kV配電裝置采用雙母線接線型式，出線3回。含1個燃機主變進線間隔、1個汽機主變進線間隔、3個出線間隔、2個母線設備間隔和1個母聯間隔。66kV配電裝置采用戶外全封閉式組合電器（GIS）。燃機和汽機發電機出口均裝設發電機出口斷路器（GCB）。

2.5 控制系統

采用一套分散控制系統（DCS）作為全廠主要的監視及控制手段。余熱鍋爐、汽機、發電機及相關輔機等由分散控制系統（DCS）集中控制。燃機通過自身專用控制裝置對其啟動、停止和運行進行監視和控制。對于輔助廠房，大部分系統由分散控制系統（DCS）直接進行操作和監視。

3 孤島運行方式說明

3.1 進入孤島運行條件及運行要求

當外網故障，燃機主變高壓側斷路器跳閘時，進入孤島運行工況。

設計考慮孤島運行工況如下：在孤島運行時，只有燃機進入孤島運行狀態，此時6.6kV工作A、B兩段均由燃機高廠變帶，6.6kV工作段之間的聯絡開關閉合;電負荷的性質為“連續、長期”，具體負荷運行時間參見“孤島運行電負荷清單”;需考慮汽輪機及余熱鍋爐，使用廠用交流電源安全停機;進入孤島運行方式的燃機需快速匹配廠用負荷的大小;需密切注意控制燃機轉速在規定的范圍內，嚴防機組超速，維持安全穩定運行。

3.2 燃料、熱力系統運行

3.2.1 燃料系統運行

天然氣系統是按照燃機的滿負荷用氣量設計的，當發生孤島運行時，燃機將會降負荷運行，天然氣系統的負荷發生變化，根據燃機降負荷后需要的天然氣量自動調整，調壓站系統的安全閥不開啟，調壓站系統維持燃機入口壓力要求。

3.2.2 燃機冷卻水系統運行

由于本工程閉式水系統設置有兩臺互為備用的燃機單循環閉式泵和兩臺互為備用的聯合循環閉式泵，發生孤島運行時，僅一臺燃機單循環閉式泵運行，滿足燃機冷卻水系統需求。

輔機冷卻水部分也單獨設置有兩臺互為備用的單循環輔機冷卻水泵和兩臺互為備用的聯合循環輔機冷卻水泵，發生孤島運行時，僅一臺單循環輔機冷卻水泵運行。

3.2.3 潤滑油系統運行 及汽輪機循環水及冷卻水系統運行

當發生孤島運行汽輪機安全停運時，汽輪機的潤滑油系統汽輪機完全停運后停運潤滑油系統。汽輪機的循環水及冷卻水系統繼續但要減負荷運行，各個設備的用水量滿足設備機械冷卻要求，待汽輪機完全停運后，根據排汽缸溫度停運汽輪機循環水及冷卻水系統的輔助設備。

3.3 供水系統和化學水處理系統的運行

當發生孤島運行汽輪機安全停運時，機力塔、主循環水泵、汽機輔機循環水泵和燃機輔機冷卻水要正常運行，待汽輪機完全停運后再停運機力塔、主循環水泵和燃機輔機冷卻水泵。

孤島運行時，除鹽水用量減少，補給水處理系統可以保持除鹽水箱液位在一定范圍，低液位時除鹽水設備投運，高液位時除鹽水設備停運。（高液位可設為4米，低液位設為2米）。循環水加藥系統和化學加藥系統都根據實際需求間斷運行。

3.4 電氣系統

3.4.1 發變組保護孤島運行內容

主變高壓側外部發生故障時，保護動作于解列，跳主變高壓側斷路器，此時發電機帶廠用電運行。 發電機在低頻、失步等情況下，發電機保護動作解列，跳主變高壓側斷路器，此時發電機帶廠用電運行。發變組保護動作后，需要進行手動復歸。

3.4.2 電氣系統的孤島運行控制

當電網發生故障后，并網開關動作，跳高壓側斷路器，發汽機甩負荷命令，汽機不帶負荷。由電氣SCADA系統將主變高壓側斷路器跳閘信號經遠動主機發至調度，通知電網機組已經解列。機組成功進入孤島運行方式后，DCS根據負荷及轉速偏差以及轉速穩定持續時間判斷機組是否已經進入孤島穩定運行狀態，經運行人員確認后，通過DCS給升壓站發孤島方式穩定運行狀態并傳至電網。升壓站收到電網并網指令后，進行同期并網操作，并網后機組根據電網指定的發電量穩定運行。

孤島運行工況發生時，發電機出口斷路器不動作，滅磁開關不跳閘，發電機勵磁調節系統（AVR）快速減磁，維持機端電壓穩定，不切換廠用電，由發電機通過高廠變自帶廠用負荷。

3.5 控制邏輯

當所有52L開關全部斷開，也即是全部從電網分離，此時電廠進入孤島模式。當發電機組與電網斷開時，燃機應該確保負荷的供給;廠用電負荷可能在0MW至4.2MW，燃機控制系統要確保轉速的穩定性;再次并網將使用52L開關，通過SPEEDTRONIC而不是GCP來實現;DCS提供一個目標負載模擬信號給燃機。

3.6 孤島運行轉為正常運行方式

當電廠接到外網恢復信號后，可從孤島運行方式開始向正常運行方式轉換，轉換過程跟機組單循環向聯合循環過程轉換方式一致。

4 結語

具有FCB功能的機組在廠側或外網事故發生時相比于MFT能夠大大的減少電廠的損失，節約電廠的運行成本，同時也有助于整個電網在可能的最短時間內恢復正常，降低電網事故損失，對于提高機組的可利用率和經濟性、降低電網事故損失和社會影響、以及降低電廠運行成本、保護電廠主設備和降低設備損耗、提高自身競爭力等方面，都有重要影響。

參考文獻

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