CFB機組小島運行方案

李彩芬

（西安興儀科技股份有限公司，陜西 西安 710003）

1 FCB工況概述

對于小島運行的發電機組，RB（Run Back）和FCB（Fast Cut Back）尤為重要，特別是在發生機組事故或電網事故時，良好的RB和FCB控制功能可以大大減少發生主燃料跳閘（Main Fuel Trip，簡稱MFT）的次數。尤其是在電網嚴重故障時，FCB保證機組仍然維持運行，提供給電廠最重要的廠用電源，對消除故障，快速恢復并網供電具有重要的意義。

電網發生有限故障時，運行機組首先是一次調頻和及時恰當的二次調頻發揮作用，使電網參數恢復支持。當電網發生嚴重故障發電廠孤立運行時，成功實現機組迅速穩定到額定轉速并帶廠用電運行（即FCB狀態）是電網恢復的最佳對策。

2 循環流化床（CFB）機組基礎自動控制系統設計

機組DCS系統的協調控制系統一般設計有4 種運行模式，即基本運行模式（BM）、鍋爐跟隨運行模式（BF）、汽機跟隨運行模式（TF）和機爐協調運行模式（CCS）。

機組的協調控制運行模式（CCS）從簡化控制系統結構出發，一般設計為以鍋爐跟隨為主的協調控制方式，鍋爐主制器自動控制主汽壓力為主，協助調節機組負荷，汽機自動控制負荷，同時進行汽壓修正。

3 循環流化床（CFB）機組FCB控制策略

3.1 FCB控制功能

3.1.1 機組FCB工況介紹

機組運行時，如果發生嚴重故障，例如機組突然與電網解列或汽輪機跳閘，快速切回FCB功能可以根據故障狀況控制機組帶廠用電或甩空負荷運行。

當鍋爐運行正常，發生汽輪機跳閘故障時，從有利于汽輪機組故障的快速恢復考慮，FCB將系統置基本方式，停機不停爐，爐維持在穩燃點最低負荷運行。

3.1.2 機組FCB控制功能

機組發生FCB時，其控制功能大致有12個。1）相應FCB觸發器記憶，系統發出FCB工況指令，并首出報警。2）根據不同FCB動作源CCS系統置與機組狀態相適應的運行方式。3）爐機協調控制系統置機跟隨運行方式，閉鎖各控制系統不危及設備安全的越限報警和保護，維持運行系統在自動狀態下運行。4）生成按設定變化率減小的快速切回負荷執行指令。5）連鎖BMS迅即減給煤機燃料量，并聯動投點火槍，以穩定鍋爐燃燒。6）主汽壓力設定回路切換為定-滑壓運行方式。7）發生FCB時，由于蒸汽需求量急劇大幅度減小，系統快速啟動旁路系統，為鍋爐生產的過剩蒸汽提供流通通道，維持主汽壓力在允許范圍內。如果旁路系統不夠大時，鍋爐將會有安全門動作配合。8）如果系統為FCB小島方式運行時，機主控按設定的定-滑壓主汽壓力穩定機前壓力，迅速關小汽輪機調速汽門，穩定機前壓力，使機組快速減小到廠用孤網負荷水平運行。9）如果系統FCB為發電機故障跳閘時，DEH與機主控脫機，維持汽輪機3 000 rpm定速運行。10）如果系統FCB為汽輪機故障跳閘，鍋爐將在旁路系統配合下維持最低蒸汽流量運行。11）爐主控按照FCB負荷設定信號（load FCB reference），協調控制煤量、給水、配風、主汽溫度以及再熱器溫度等各子系統完成機組快速減負荷過程。12）特別是對于甩負荷到“小島運行”模式的工況，當甩負荷動作瞬態過程結束后，機組處于小島運行方式。運行若干時間后，如果發電機組至電網故障排除，并重新開始向電網供電后，系統退出小島運行方式，機組按照正常的升負荷模式，以極熱態曲線恢復到帶正常負荷的工況。

3.2 FCB工況時協調管理中心的邏輯運算

上述FCB工況分類和控制功能基本上都是由協調管理控制中心完成邏輯運算和判斷，指令爐、機主控制器和其下位的子系統完成FCB快速返回減負荷控制。

協調管理控制中心FCB工況觸發源邏輯運算判據和FCB目標負荷指令設定分為以下4種。

3.2.1 小島方式FCB觸發源判據

當主汽流量＞30%MCR，且下面5個條件均成立時，系統發出小島方式FCB指令。1）汽輪機未跳閘。2）發電機出口開關合閘。3）廠用電開關合閘。4）電網主開關跳閘。5）旁路在自動狀態。

3.2.2 發電機跳閘汽輪機定速FCB觸發源判據

當主汽流量＞30%MCR，且下面3個條件均成立時，系統發出發電機跳閘汽輪機定速FCB指令。1）汽輪機未跳閘。2）發電機出口開關合閘。3）旁路在自動狀態。

3.2.3 汽輪機跳閘爐最小流量FCB觸發源判據

當主汽流量＞30%MCR，且下面2個條件均成立時，系統發出汽輪機跳閘爐最小流量FCB指令。1）汽輪機跳閘。2）旁路在自動狀態。

3.2.4 FCB目標負荷指令設定

當機組FCB工況發生時， 協調管理控制中心將選定FCB目標負荷值及負荷快速切回變化率，運算并發出FCB快速返回減目標負荷指令。

考慮到FCB工況時鍋爐燃料的穩燃對爐膛熱容量的需求以及旁路容量和穩定運行的可能，通常FCB目標負荷值選30% MCR～35% MCR，減負荷速率選100%MCR/Min。

3.3 FCB時DEH的控制

3.3.1 CCS與DEH的通信

機組發生FCB時，CCS向DEH發出FCB工況狀態、FCB負荷目標值、FCB負荷變化率和FCB快速返回減負荷指令（SP）。

3.3.2 FCB時DEH的控制

在FCB小島運行方式時，如果DEH處于CCS控制狀態，CCS機主控控制DEH快速完成機組負荷切回控制過程，并協調DEH控制汽輪發電機組帶廠用電負荷孤網運行。如果DEH處于本機控制狀態，DEH應按CCS通知的FCB工況狀態和負荷目標，快速完成負荷切回過程控機。

對于汽輪機定速暖機FCB，發電機已跳閘，DEH與CCS脫機，處于本機控制狀態。DEH控制汽輪機穩定在3 000 rpm暖機運行。

對于停機不停爐FCB、汽輪機跳閘，DEH與CCS脫機。

3.4 FCB工況時的鍋爐系統控制

3.4.1 FCB工況時鍋爐子系統的控制要點

循環流化床鍋爐燃燒的是煤粒，爐內燃料及可燃煙氣呈流化狀態，整個燃燒過程較長，熱容量也比煤粉爐大很多，通常主汽壓力的變化需要10 min以上的時間。特別是其純遲延時間在整個燃燒過程中占的比例較大。隨著鍋爐容量的增大、床料增多，熱慣性會更大。因此在FCB工況時，其鍋爐子系統控制方案要注意較大遲延和熱慣性特性的影響。

除以上鍋爐子系統的控制策略外，在FCB 工況時，還要關注CFB鍋爐子系統以下5個控制要點。1）FCB工況發生時，爐機協調控制應置機跟隨（TF）運行方式，爐各子系統不危及設備安全的越限報警和保護應予以閉鎖，維持各主要控制系統仍處于自動狀態下運行。2）由于循環流化床機組存在很大的熱慣性，在FCB發生后，應該將所有運行給煤機投入自動，不用快速切除給煤線。燃料量通過調節控制快速下降，應該是來得及適應FCB快速減負荷工況的需要。機組穩定運行后，給煤線的停運由運行人員判斷。3）考慮到FCB工況發生煤量下降以后，鍋爐的蒸發量仍然較大，FCB快速減負荷過程中，煤主控制器燃料量目標值應引進FCB偏置，將其設置得更低一些。應停止煤質的遠方數據終端（RTU）校正運算，機組穩定運行后，延遲300 s后再重新將RTU校正投入[1]。4）FCB發生時外置床灰量的變化是一個滯后的過程，應當密切關注床溫的變化，主汽溫度、再熱器汽溫會有15 ℃～25 ℃的快速上升，因此主汽溫、再熱器汽溫控制應設置及時處理的邏輯手段。5）循環流化床機組存在最低流化風量的限制，FCB快速減負荷過程中，一次風母管壓力控制和流化風機控制均應引進調節擋板的下限制邏輯。6）FCB工況時SO2含量控制切除。

3.4.2 小島運行時鍋爐主控系統一次調頻響應原則

考慮到350 MW級循環流化床機組鍋爐燃燒系統有較大的遲延和熱慣性，因此在進入FCB帶廠負荷孤網運行后，鍋爐主控系統一次調頻響應要注意充分利用鍋爐蓄熱的原則。

循環流化床機組協調系統爐主控的一次調頻影響量控制邏輯設計為：經f（t）300 s慣性緩沖后，與負荷給定綜合，作為鍋爐主控指令輸出。對于寬度小于1 min～2 min的一次調頻影響量窄脈沖，循環流化床鍋爐的蓄熱量足以滿足一次調頻的需求，設置的f（t）慣性將濾除寬度小于1 min～2 min的一次調頻窄脈沖，使爐燃燒不至于頻繁跟隨一次調頻擾動進行調整，有利于穩定鍋爐運行。當一次調頻影響量寬度較大時，經f（t）慣性緩沖后仍會影響鍋爐主控指令的輸出，對鍋爐一次調頻引起的較大爐蓄熱量變化將予以響應補償。

3.4.3 甩負荷過程中相關控制系統的特殊處理

由于甩負荷過程是機組快速減負荷的劇烈過程，不僅其過渡過程短暫而且幅度較大，操作員手動控制根本不可能實現，所以客觀上要求控制系統能對應該種特殊的工況，為此，對控制系統需要從2個方面考慮。1）相對于正常調節參數，需要增加調節作用以滿足調節需要。2）在甩負荷過程中放大正常調節偏差切手動的限制。

3.4.4 小島運行方式下相關控制系統的特殊處理

當機組進入小島運行方式后，由于機組輔機供電頻率和機組轉速有電氣耦合作用，客觀上要求控制系統能對應該特殊工況。為此，對控制系統從2個方面做考慮。1）相對于正常調節參數，須增加調節作用以滿足調節需要。2）在甩負荷過程中放大正常調節偏差切手動的限制。

3.5 FCB工況時的汽機控制

機組發生FCB工況時，機、爐協調控制應立即切除一次調頻功能，且將系統置機跟隨控制方式（TF）。

主汽壓力設定回路切換為定-滑壓運行方式。機主控按設定的定-滑壓主汽壓力，迅速關小汽輪機調速汽門，穩定機前壓力，從而快速減小機組負荷到帶廠用電孤網運行狀態。FCB工況發生時，如果主汽壓力高于設定值，TF方式下汽輪機調門將先開啟，這有悖于減負荷的初衷。此外，快速減負荷過程中，調節系統有可能出現過調振蕩，也會引起調門的反向開啟。為了盡快平穩地完成減負荷過渡，FCB工況發生時，控制邏輯要以當前汽門開度作為汽輪機指令的上限。CCS機主控和DEH本機控制邏輯中，均應設置FCB減負荷期間汽輪機調速汽門反調振蕩的閉鎖。

在FCB快速減負荷過程結束后的帶廠用電負荷孤網運行中，機、爐協調控制的一次調頻功能應自動投入。以汽輪發電機組具有的一次調頻特性，平衡廠用電負荷變化的需求。為減小FCB帶廠負荷孤網運行中汽輪發電機組轉速可能發生的波動，可以考慮切換汽輪機組不等率至較大值。

3.6 FCB工況時的旁路控制

汽輪機旁路系統控制功能和性能是FCB快速返回減負荷和帶廠用電孤網運行成功的關鍵。機組發生FCB時，由于蒸汽需求量急劇大幅度減小，汽輪機旁路系統應快速按設定脈沖寬度設置“快開”運行方式，提供負荷快速返回過程中鍋爐產生的過量蒸汽通道，以維持主蒸汽壓力在允許范圍內。

汽輪機旁路“快開”設定脈沖復位，且控制主汽壓力已進入允許范圍內后，旁路“快開”指令復位，汽輪機高旁和低旁進入正常旁路汽壓調節狀態。

對旁路容量配置不足的機組，FCB動作前期還有可能要通過危急泄放閥釋放掉部分工質。

3.7 小島運行時的負荷調整

3.7.1 FCB工況時機組的一次調頻控制

并網機組的一次調頻能力反映了機組響應電網負荷變化的能力。

對于燃煤熱力發電機組，一次調頻通常轉速不等率設置為5%，并設置有死區±0.033 Hz （2r/min）和最大功率量限制（8%額定負荷）FCB帶廠用電負荷孤網運行時，汽輪發電機組具有的一次調頻特性，是快速平衡廠用電負荷變化的基本手段。為了減小FCB帶廠用電負荷孤網運行中汽輪發電機組轉速可能發生的波動，在FCB帶廠用電孤網運行時，設置的轉速不等率可由5%切換至較大值（7%～8%），實現以較小的機組轉速變化，平衡較大的廠用電變化的需求。

3.7.2 FCB工況時機組的二次調頻控制

一般說來機組一次調頻的控制范圍不會很寬，不可能完全消除頻率的偏差，使系統穩定。因此，對FCB帶廠用電孤網運行的機組，往往設計有自動二次調頻功能。通過調整負荷給定值，使機組負荷逐漸與當前小島負荷接近，從而達到穩定孤網周波的目的。

FCB帶廠用電孤網運行系統的一次調頻與二次調頻原理方框圖如圖1所示。

由圖1可知，二次調頻與一次調頻共用同一個頻差運算，其設定點為額定轉速3 000 rpm，反饋變量為汽輪發電機組的轉速n。圖中顯示，小島運行機組的調頻量是一次調頻量與二次調頻量之和。一次調頻是一個帶有死區和上、下限幅（/L、H/ （斜體） ）的非線性環節。二次調頻采用PI比例積分控制器，電網頻率波動超過額定轉速±12 rpm時，自動投入二次調頻功能。當電網頻率偏差回到額定轉速±8 rpm后，延時10 s，自動切除二次調頻功能[2]。

考慮到廠用電小島負荷的變化靠機組的一次調頻特性進行快速平衡，為了使系統主動變量（小島負荷）盡快與從動調節量（機組的調頻量）間接近和平衡，圖1中小島運行機組調頻量運算邏輯，在CCS機主控側和DEH控制系統中均應進行設計。DEH配置的調頻控制回路處于系統的內環，比例控制特性，直接驅動汽輪機調速汽門，可以快速（2 s～3 s）響應小島負荷的變化。CCS機主控側配置的調頻控制回路處于系統的外環，PI比例積分控制特性，調節速度略慢（＜15 s）， 可補償校正DEH快速一次調頻響應的不準確性。

圖1 小島工況一/二次調頻量原理方框圖