燃煤電站350 MW機組FCB演示試驗實施策略

賢建偉

(上海電氣風電集團股份有限公司，上海 200233)

0 引言

快速甩負荷(fast cut back，FCB)是指機組在高于某一負荷之上運行時，因內部或外部發生故障與電網解列，瞬間甩掉全部對外供電負荷，僅維持鍋爐、汽機、發電機的運行，實現“帶廠用電孤島運行”的自動控制功能[1]。FCB 運行對機組尤其是汽輪機的損傷極大，會縮短機組壽命。但是，在印度、印尼等電力發展不足的國家，電網非常薄弱，也很不穩定，整個電網和發電廠的管理還存在很多問題，發電機組誤跳或外部原因造成機組跳閘的機率很高，出于及早恢復發電和減少電網倒送電的目的，普遍要求機組具備FCB 運行能力[2]。海外某燃煤電站350 MW 項目是上海電氣集團股份有限公司首次實現FCB 演示試驗的燃煤機組，其成功經驗值得借鑒。

1 機組情況

機組為350 MW 國產亞臨界燃煤機組，具體配置如下。

(1) 鍋爐是上海鍋爐廠有限公司生產的SG-1200/17.5-M741 型采用亞臨界參數、自然循環、單爐膛、四角切圓燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、露天、全鋼懸吊結構Π 型汽包爐，制粉系統采用正壓直吹式制粉系統，配置六臺中速磨煤機，五用一備。

(2) 汽輪機是上海汽輪機有限公司生產的N350-16.7/537/537 型亞臨界、反動式、單軸、一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式機組。

(3) 發電機是上海汽輪發電機有限公司生產的QFSN-350-2 型，額定容量412 MVA，額定功率350 MW，冷卻方式為定子繞組水冷，轉子繞組及鐵心氫冷。

(4) 旁路采用高、低壓二級串聯旁路系統，容量為鍋爐最大連續蒸發量(boiler maximum continuous rating，BMCR)的30 %，用于改善機組啟動條件、避免再熱器干燒、回收工質，提高機組運行的經濟性。

(5) 鍋爐在燃用設計煤種時最低不投油穩燃負荷為40 % BMCR，設計配置兩只主蒸汽壓力泄放閥(pressure control valve，PCV)，泄放流量為20 % BMCR；配有汽包4 個安全門，過熱器出口2個安全門，再熱器入口2個安全門，出口3個安全門。

(6) 給水系統設置兩臺50 % BMCR 容量的汽動給水泵和一臺25 % BMCR 容量的啟動/備用電動調速給水泵。給水泵汽輪機正常工作汽源來自主汽輪機的四級抽汽，當主汽輪機負荷降至正常汽源壓力不能滿足要求時切換到備用汽源。

2 機組配置FCB 功能實施要求

2.1 FCB 功能實現難點

在FCB 工況下，旁路打開，鍋爐快速降負荷，汽輪機進入轉速調節模式，各種主要輔機如引風機、送風機、給水泵、循環水泵等也要維持穩定運行。因此，為實現FCB 功能，電廠的系統配置會有所不同，協調控制的難度也大大增加。

2.1.1 鍋爐側

(1) 鍋爐PCV 閥控制要單獨設置FCB 定值區。FCB 信號一發出，PCV 閥必須立即觸發開啟泄壓，以減小蒸汽壓力波動幅度，這樣對給水調節、高旁開啟有利，也能最大程度避免超壓。

(2) 給水控制回路的修正。發生FCB 時鍋爐汽水系統變化劇烈，汽包虛假水位嚴重且不可避免，對給水系統的調節性能提出了很高的要求。控制回路增加FCB 造成的汽包壓力波動前饋，還必須新建FCB 狀態下主汽系統新的數學預估模型和參數來參與給水控制。

(3)汽包鍋爐燃燒控制要增加FCB 造成汽包壓力波動前饋和高/低加退出運行的回路參數修正。FCB 動作，燃燒系統甩至機組最大連續工況(maximum continuous rating，MCR) 的40 %，應先穩定機組工況，根據汽包壓力變化前饋適當提前增加燃料，提高蒸汽溫度，汽溫回升后再逐步遞減回40 % MCR 正常工況。

(4) FCB 觸發后，主、再熱蒸汽減溫水立即快減到0 且閉鎖投運減溫水2 min，將煙道擋板再熱器一側全開，低壓過熱器一側關閉，退出鍋爐吹灰器運行。

2.1.2 汽輪機側

汽輪機在旁路投運的低負荷工況下有以下運行和配置要求。

(1) 增加高排通風閥尺寸或容量。鍋爐最低穩燃負荷和廠用電運行時汽輪機的負荷不匹配，多余的蒸汽排入旁路，導致低壓旁路壓力(即高排壓力)升高，需打開高排通風閥以維持較低的高排壓力。對于常規不帶FCB 功能的機組，高排通風閥僅承擔啟動流量，如滿足帶廠用電運行，通風閥尺寸或容量需增加1 倍以上。

(2) 旁路容量及選型：在機組重新并網前，要求旁路絕對壓力降低至0.828 MPa 以下，以保證并網后高排逆止門能打開，旁路容量選擇時需要考慮該工況。

(3) 背壓限制：為了防止低壓缸排汽溫度高，廠用電運行時需要保持較低的凝汽器背壓值和再熱溫度。

(4) 高、低旁路必須是液壓或氣動控制，具備快開功能，自動調節性能良好。日常運行期間高、低旁路在熱備用狀態，FCB 一旦觸發，高、低旁路立即開啟泄壓，和PCV 閥配合消除鍋爐超壓危險，直至鍋爐主汽壓降至40 % MCR 工況對應值后再維持該壓力。

2.1.3 電氣及控制

電氣要修正滅磁邏輯。一般情況下，發電機解列后廠用電會切換至備用變壓器，并由勵磁柜進行滅磁，發電機出口電壓降至0。但FCB 不同，勵磁系統要能快速減磁而非滅磁，必須實現維持發電機出口電壓正常及帶廠用電的功能[2]，以維持機組孤島運行。

2.1.4 DCS 控制邏輯

DCS 控制要包含FCB 工況判斷及相關控制策略，包括汽輪機數字電液控制系統(digital electric hydraulic control system，DEH)的控制策略。

2.2 機組優化措施

機組初始設計并未考慮FCB 功能，為了實現FCB 演示試驗，在設計上作了一些變更，對DCS邏輯（包括DEH 系統控制邏輯）進行了適應性優化。

2.2.1 設計方面

(1) 考慮FCB 工況汽輪機高壓排汽參數和下游蒸汽流量需求，再熱器冷段(冷再)至輔汽聯箱管道由φ219×9 mm 優化至φ273×11 mm。

(2) 高排通風閥原口徑為5.24 cm，用于汽輪機啟動沖轉，但不足以承擔并網帶負荷后的高壓缸通流量(高排逆止門未開啟)，經計算高排通風閥口徑改為20.23 cm。

(3) 鍋爐原設計配置兩只PCV 閥，需增加一只PCV 閥，排放總流量達到30 % BMCR。

2.2.2 控制邏輯方面

(1) 增加FCB 判斷條件。

(2) 增加FCB 過程的DEH 控制策略。

(3) 增加FCB 過程的旁路控制策略。

(4) 增加FCB 工況鍋爐主蒸汽壓力控制策略。

(5) 增加FCB 工況燃料控制策略。

3 演示試驗過程及結果

孤島試驗前，進行PCV 閥的開關試驗、油槍試投；汽機的交直流油泵、電動給水泵、真空泵和凝結水泵試運；聯鎖投入；輔汽供汽由四抽和冷再同時供應，除氧器加熱改為輔汽加熱；柴油發電機試投；廠用電快切檢查試投合格；試驗前方案討論交底，試驗過程注意事項交接、人員預演等。

機組負荷352 MW，僅解除汽包水位保護功能(退出10 min)，高、低壓旁路閥均為自動控制方式且開度為零，輔汽供汽由四抽和冷再同時供應，除氧器加熱改為輔汽加熱，汽包水位調節在孤島運行信號發出后由三沖量自動變為單沖量調節，在協調控制模式下，三臺磨煤機負荷設定為每臺30 t/h，且孤島運行信號發出后自動退出協調控制，鍋爐保持90 t/h 的輸煤量。在FCB 信號觸發10 s 內不進行手動干預。

從10:14 開始試驗，到再次并網9 min，閥位變化平穩，且汽機轉速和主蒸汽、再熱器溫度未有大的變化，主汽壓力最高達18.1 MPa，汽輪機轉速最低至2 805 r/min，汽包水位在孤島期間最低-150 mm，最高110 mm。

試驗取得了成功，但對在過程中暴露的一些問題還需引起重視。

(1) 汽動給水泵轉速降低幅度較大，維持汽包水位比較困難，應關注FCB 工況下給水泵汽源穩定供應問題。

(2) PCV 閥開啟后，凝汽器熱井水位偏低，應關注可靠的除鹽水補水措施。

根據本次試驗，對類似機組FCB 試驗的建議如下。

(1) 國內電網日趨完善，對機組FCB 功能不做強制性要求，而國外很多國家有明確要求，因此出口機組應當從實際需求出發，在設計階段就考慮配置相關功能，否則后期進行再改造的投入較高。

(2) FCB 試驗前，機組需具備一定的條件，鍋爐、汽機、電氣、主要輔機等相關準備試驗成功后，才能進行FCB 試驗，且必須提前做好試驗預案，人員分工明確、各司其職，操作人員熟悉試驗方案、操作要點及參數控制范圍，避免誤操作對汽輪機造成影響。

(3) 提高機組自動化運行水平，FCB 過程中盡量減少人工操作，實現全過程自動控制。

4 結論

火電機組FCB 試驗已成為海外項目的基本配置。為實現該功能，滿足海外市場開拓的需要，在出口機組的設計階段，就必須將FCB 功能納入初始設計，增加相應的配置和控制邏輯；在調試階段，綜合考慮FCB 動態過程，對機組參數進行針對性的調整、設定，為FCB 功能實現做好準備。

FCB 是一個極端的破壞性工況，在機組全壽命周期內，只有通過提高總體設計水平，做好與電網的各方面的配合，加強全廠安全質量管理和提升機組運行、維護水平手段，才能降低發生FCB 的概率，確保機組安全、穩定運營。