國內首臺單軸燃氣—蒸汽聯合循環機組FCB試驗實踐

李超文

（珠海市鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

珠海市鈺海電力有限公司為2×465MW單軸燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組，全廠配置為：2臺燃氣輪機、2臺發電機、2臺余熱鍋爐、2臺蒸汽輪機，燃氣輪機組和蒸汽輪發電機組為單軸布置，2臺機組均配置100%容量的高、中、低三級旁路，全廠聯合循環機組在設計工況下的發電出力為920MW。機組采用單元制接線方式，發電機經GCB開關并網，機組廠用變掛在主變低壓側，機組接線方式如圖1。當電網發生故障時，電廠安穩裝置首先斷開發電機高壓側HVCB開關，此時燃機通過判斷燃機轉速、HVCB開關狀態、GCB開關狀態來觸發燃機FCB狀態。燃機進入FCB狀態后，燃機控制模式由負荷控制模式切換至轉速控制模式，進入“孤島運行”狀態，同時燃機觸發汽輪機跳閘主保護（預判超速保護）動作，汽機跳閘。FCB狀態下余熱鍋爐維持旁路運行，高壓蒸汽通過高壓旁路、再熱器、中壓旁路進入凝汽器，低壓主蒸汽通過低旁直接排入凝汽器，機組熱力循環示意圖如圖2。當電網恢復后，機組通過發電機高壓側HVCB再同期并網，燃機控制模式由轉速控制模式切換至負荷控制模式。

圖1 機組接線方式圖Fig.1 The wiring diagram of the unit

圖2 機組熱力循環示意圖Fig.2 Schematic diagram of the thermal cycle of the unit

1 邏輯優化

鈺海電廠DCS、TCS系統分別采用兩套控制系統，DCS控制系統采用南京科遠公司的控制系統NT6000，實現聯合機組余熱鍋爐及其輔助設備、熱力系統、熱網、循環水系統、廠用電系統的監護和控制，機島設備（燃機－汽機－發電機）的控制采用上海安薩爾多公司配套的TCS控制系統（設備采用ABB S+系統），DCS控制系統可與TCS控制系統進行通訊，實現對燃機及其輔助系統的集中監視，實現機組的整體協調控制。

1.1 DCS側FCB觸發邏輯

DCS側FCB觸發邏輯采用TCS來FCB信號（3取2）、燃機有火、高壓汽包壓力大于7Mpa三者相與，DCS側FCB動作輸出信號為7min長脈沖指令，TCS側FCB觸發邏輯為燃機轉速在46.667Hz～53.333Hz之間運行，GCB、HVCB均合閘狀態下HVCB突然分開，TCS側FCB信號通過硬接線方式連接至DCS系統。

1.2 自動邏輯優化

FCB動作過程參數變化劇烈，對自動調節的品質提出了更為嚴苛的要求，為滿足FCB工況要求，非必要不切除自動調節。為實現此功能，通過在自動切除邏輯中暫時屏蔽指令反饋偏差大、被調量與設定值偏差大切自動邏輯，等待FCB動作結束后再重新恢復原邏輯。FCB動作過程中需要投入并優化的自動包括：高、中、低旁路自動；高、中、低旁路減溫自動；高、中、低壓汽包上水調閥自動；給水泵變頻器自動。為避免FCB動作過程中，主、再熱蒸汽溫度快速下降，需要將主、再熱蒸汽減溫水全關并且切至手動控制模式。

1.3 旁路控制邏輯優化

余熱鍋爐采用無錫華光鍋爐股份有限公司生產的立式無補燃三壓再熱型余熱鍋爐，蒸汽輪機采用上海汽輪機廠生產的三壓、再熱、雙缸型、抽汽凝汽式供熱汽輪機，配套高、中、低壓蒸汽旁路，三級旁路均采用100%容量設計，該設計有利于燃機、余熱鍋爐在FCB工況下穩定運行。為防止蒸汽超壓，FCB動作時旁路快開，快開結束后旁路進入定壓模式運行，壓力設定值為FCB動作前對應的壓力，定壓模式運行時間設定為2min，2min后旁路參數基本趨于穩定，此時通過重置沖轉參數的方式使旁路進入滑參數運行模式。滑參數運行模式下，高、中、低旁路將按照熱態啟動的蒸汽參數要求按照設定的速率（高壓0.18 Mpa/min、中壓0.05 Mpa/min、低壓0.02 Mpa/min）將高、中、低壓蒸汽壓力分別降至熱態參數7Mpa、1.8Mpa、0.4Mpa，提前做好汽輪機再次沖轉的準備。

1.4 軸封及低壓缸噴水邏輯優化

FCB動作后汽輪機跳閘，汽輪機軸封壓力將無法維持自密封模式運行。為防止汽輪機軸封壓力過低，導致汽輪機進冷卻空氣，此時需快速切換至它密封模式，通過超馳邏輯實現快速關閉軸封溢流閥，打開軸封供氣閥至60%開度，維持軸封壓力穩定后將軸封壓力控制模器切至正常PID控制模式。軸封邏輯優化如圖3。為防止FCB動作時低壓缸出現超溫，增加了相關聯鎖邏輯：“若汽機負荷大于120MW，觸發打開低壓缸噴水減溫閥”。

圖3 軸封控制邏輯優化Fig.3 Shaft seal control logic optimization

2 3S離合器脫扣難題分析及解決方法

3S離合器全名是同步自換擋離合器（Synchro-Self Shifting），目前在上海汽輪機廠聯合循環機組有廣泛應用。借助3S離合器，無須借助人工或其他輔助動力設備，即可完全自主地實現軸系之間的嚙合或脫離嚙合。

本次試驗為國內首臺單軸燃氣—蒸汽聯合循環機組FCB試驗，缺乏相關參考數據，與多軸機組不同的是多軸機組FCB過程中汽機直接跳閘，單軸機組不僅要考慮汽機跳閘后的3S離合器脫扣問題，還需考慮燃機超速控制難題。燃機超速邏輯參數設置稍有不慎將直接導致燃機跳閘，FCB試驗失敗。

燃機FCB動作過程防止燃機超速控制邏輯：“燃機正常啟動過程中燃機維持3000rpm所需燃料量與FCB動作后燃料量相比較，若FCB動作后70s內燃料量超過正常允許值將觸發燃機預判超速保護動作，燃機跳閘”。FCB動作過程中燃機-汽機在3S離合器的作用下共同暫超3000rpm，此時燃機-汽機處于嚙合狀態，燃料指令會降至最低。等待轉速降至3000rpm以下后，燃機在轉速控制模式下，為維持燃機轉速燃料控制器將不斷地增加燃料量。為滿足3S離合器脫扣同時保證燃機不超速，燃料量的最高限制值的設置顯得尤為重要。本次試驗結合機組50%、100%甩負荷過程中的燃料量的實際情況，同時結合汽輪機3000rpm空載所需燃料量，將燃機預判超速中燃料量允許值由原來的5%改為20%，修改后的燃料限定值不僅能保證3S離合器脫扣所需能量，同時也保證了燃機不超速，成功解決了單軸機組FCB過程中3S離合器脫扣難題。

3 FCB試驗過程工況

3.1 FCB試驗前所需具備條件

FCB試驗考驗的是機組調節系統的動態特性、勵磁自動調節器的動態特性及機組孤島運行的能力，為防止試驗過程發生不安全事件，同時確保試驗過程順利，需提前對機組進行全面的檢查，并完成相關的試驗，具體要求詳見表1。

表1 FCB試驗前需具備的條件Table 1 Conditions to be met before FCB test

3.2 甩50%負荷FCB試驗

2021年12月10日17：25：06，通過人為控制安全穩定控制裝置進行切機操作，#1機組主變壓器高壓斷路器2201跳閘，機組負荷從210.93MW快速減負荷至5.74MW，機組轉入孤島運行模式，發電機僅帶廠用電負荷運行，汽輪機跳閘，蒸汽走旁路，燃氣輪機轉速約500ms達最高3061.19 r/min，為額定轉速的102.04%。然后轉速迅速下降，約13s轉速降至2959.4 r/min，后轉速緩慢平穩上升至3000 r/min，發電機出口電壓最大為20.23 kV，最小為19.98 kV，調節時間為1s，震蕩次數為1，調節器調節性能良好。發電機在試驗過程中，機端電壓正常，勵磁系統運行正常，無其他異常報警信號，廠用電輔機運行正常。詳細參數見表2，主要運行參數趨勢圖如圖4。FCB試驗動作結束后，18：03：48利用2201斷路器再同期并網。

表2 50%負荷FCB試驗過程參數Table 2 50% Load FCB test process parameters

圖4 主要運行參數趨勢圖Fig.4 Trend chart of main operating parameters

3.3 甩100%負荷FCB試驗

2021年12月10日21：56：37，通 過 人 為 控 制 安全穩定控制裝置進行切機操作，#1機組主變壓器高壓斷路器2201跳閘，機組負荷從409.90MW快速減負荷至7.69MW，機組轉入孤島運行模式，發電機僅帶廠用電負荷運行，汽輪機跳閘，蒸汽走旁路，燃氣輪機轉速約2s達最高3125.14 r/min，為額定轉速的104.17%。然后轉速迅速下降，約20s轉速降至2964.14 r/min，后轉速緩慢平穩上升至3000 r/min，發電機出口電壓最大為20.31 kV，最小為20.03 kV，調節器調節性能良好。發電機在試驗過程中，機端電壓正常，勵磁系統運行正常，無其他異常報警信號，廠用電輔機運行正常。詳細參數見表3，主要運行參數趨勢圖如圖5。FCB試驗動作結束后，22：50：28利用2201斷路器再同期并網。

表3 100%負荷FCB試驗過程參數Table 3 100% Load FCB test process parameters

圖5 主要運行參數趨勢圖Fig.5 Trend chart of main operating parameters

3.4 試驗總結及參數優化建議

從甩50%負荷FCB試驗和甩100%負荷FCB試驗的結果可得，本次FCB試驗效果良好。FCB的觸發信號，自動邏輯、旁路邏輯優化合理，能保證燃氣輪機快速切換控制模式及甩負荷，同時當機組進入FCB運行狀態后，旁路系統可維持穩定運行，輔助系統的自動控制邏輯設計及硬件設備都能快速反應工況的變化。但試驗中也暴露出不足之處，在本次試驗中存在不足包括：①高旁減溫水過量導致旁路減溫后蒸汽溫度過低，嚴重時可能會發生水擊現象，后期可通過優化高旁減溫水控制邏輯，保證FCB動作時不超溫，同時避免溫度過低；②旁路滑參數時間過長，后期可通過優化旁路控制邏輯及摸索滑參數速率，適當放大滑參數速率，可在電網需要時快速完成汽機沖轉并帶負荷。

4 結束語

本次鈺海電力公司成功完成國內首臺單軸燃氣—蒸汽聯合循環機組FCB試驗，成功解決因FCB動作而引起的汽機與燃機脫扣難題，一次性完成50%、100%FCB試驗，在為確保粵港澳大灣區電力穩定供應和提升主力電源抗自然災害能力上作出積極貢獻，同時為單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組進行FCB試驗提供了寶貴的實踐經驗。