摘 要：現(xiàn)代火力發(fā)電廠基于安全控制理念的不斷提升，機組容量越大自動控制功能越全面，一些新的安全控制策略和方法如汽輪機超速保護(hù)控制（OPC）、調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的超馳控制、機組的輔機故障減負(fù)荷（RB）和機組快速切負(fù)荷FCB）等控制也開始廣泛應(yīng)用。熱力生產(chǎn)過程自動化的根本意義已經(jīng)由簡單的“減少人工、節(jié)省體力”轉(zhuǎn)變成更為高級的 “安全控制”以確保生產(chǎn)和設(shè)備的安全。

關(guān)鍵詞：超馳；OPC；RB；FCB

引言

一談起工業(yè)過程自動化，人們對其作用通常首先想到就是“減少人工、節(jié)省體力”，這種想法對于早期的工業(yè)控制應(yīng)該說表述基本恰當(dāng)，但對于現(xiàn)代的工業(yè)裝備，特別近年來投產(chǎn)的單機600MW以上容量、超臨界甚至超超臨界參數(shù)的大型火力發(fā)電機組而言就有定位不準(zhǔn)之嫌了。隨著火力發(fā)電機組容量增大，機組運行參數(shù)越來越高，系統(tǒng)設(shè)備也越來越多，從而使機組工藝系統(tǒng)設(shè)備之間更加需要緊密的關(guān)聯(lián)起來，在機組的運行中，工況的轉(zhuǎn)變速度也隨著機組容量的增大而變得越來越快速，進(jìn)而使人工操作的難度大幅提高，尤其是在機組啟動和停運以及負(fù)荷的突然變化過程中，大量的設(shè)備需要啟停切換、參數(shù)需要調(diào)整，操作人員需要在有限的時間內(nèi)完成對應(yīng)的工作。這樣就使操作人員的精神處于高度緊張狀態(tài)、且勞動強度、操作風(fēng)險性也大幅提高，一旦操作不慎就可能發(fā)生不安全事件，更為嚴(yán)重的情況就會造成巨大得經(jīng)濟損失。

現(xiàn)代火力發(fā)電廠基于安全控制理念的不斷提升，機組容量越大自動控制功能越全面，一些新的安全控制策略和方法也開始廣泛應(yīng)用。熱力過程高端安全自動控制涉及到許多方面，例如汽輪機控制中的OPC（Over Speed Protection Control-超速保護(hù)控制）、調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的超馳（Override Control-安全轉(zhuǎn)向控制）、機組的RB（Run Back-輔機故障減負(fù)荷）和FCB（Fast Cut Back，機組快速切負(fù)荷）等控制。熱力生產(chǎn)過程自動化的根本意義已經(jīng)由簡單的“減少人工、節(jié)省體力”轉(zhuǎn)變成更為高級的 “安全控制”以確保生產(chǎn)和設(shè)備的安全。

1 OPC控制

OPC是汽輪機用快速的調(diào)節(jié)機制抑制轉(zhuǎn)速飛升防止汽輪機超速跳閘的一種控制方式。正常運行中的汽輪發(fā)電機如果因故突然甩負(fù)荷，過渡過程中轉(zhuǎn)速的動態(tài)偏差足以讓汽機跳閘，這種異常跳閘對汽輪機而言無論在經(jīng)濟還是安全方面都是一種危害。OPC就是在可控的條件下最大限度地避免汽輪機發(fā)生無謂跳閘的安全控制功能?？煽康腛PC控制必須有超速預(yù)測能力，現(xiàn)代預(yù)測汽機超速的實用方法是將發(fā)電機負(fù)荷信號（發(fā)電機電流）減去折算量綱后的汽輪機中壓缸入口汽壓，即為機組瞬間功率不平衡信號作為超速預(yù)測量。若功率不平衡信號等于零，則機組將保持轉(zhuǎn)速恒定，如果功率不平衡信號變大（發(fā)電機負(fù)荷小于中壓缸入口汽壓），預(yù)示汽輪機將被加速。當(dāng)轉(zhuǎn)速或預(yù)測超速量至大于規(guī)定值時，緊急關(guān)閉汽輪機高壓缸和中壓缸調(diào)門避免汽機進(jìn)一步超速，3～5秒后再重新開啟，維持汽輪機繼續(xù)正常運行。OPC具有兼顧電網(wǎng)和電廠兩方面運行安全的作用，對電網(wǎng)能夠有效平抑突發(fā)性甩負(fù)荷造成的波動，對電廠能減少汽輪機超速跳閘的次數(shù)。

2 超馳控制

什么叫超馳控制呢？超馳控制就是當(dāng)自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)事故報警、信號偏差過大、信號越限、故障等異常時，控制邏輯將根據(jù)引起事故發(fā)生的信號將控制系統(tǒng)切手動狀態(tài)，并對系統(tǒng)的輸出依據(jù)其特點實行優(yōu)先增、優(yōu)先減或者禁止增、禁止減等邏輯功能，從而使系統(tǒng)設(shè)備朝著預(yù)先設(shè)定好的安全狀態(tài)動作，并發(fā)出報警信號。早期的控制系統(tǒng)絕大部分都缺少對系統(tǒng)內(nèi)、外設(shè)備狀態(tài)的識別，其安全防護(hù)能力也就不高了。系統(tǒng)中信號的輸入端有稍偏差，無論系統(tǒng)內(nèi)部是否出現(xiàn)問題或外部生產(chǎn)設(shè)備工作是否異常，控制器就會發(fā)出動作指令。超馳控制的優(yōu)點就在于能有效地改善上述控制系統(tǒng)中的缺點。在系統(tǒng)內(nèi)部，它能夠判斷自動控制過程中，變送器信號本身的品質(zhì)，還能夠判斷變送器信號的輸入輸出偏差限值等。自動控制系統(tǒng)在檢測儀表本身出現(xiàn)問題時，自動調(diào)節(jié)的本身已不具有實際意義，此時，超馳控制便會將回路由自動控制方式切換到手動控制方式；對于外部系統(tǒng)而言，在自動控制儀表正常時，如果機組各設(shè)備或運行狀態(tài)產(chǎn)生異動，超馳控制又能夠根據(jù)其判定邏輯改變自動控制系統(tǒng)的控制策略或運行方式，從而使機組運行走向安全，避免危險工況的發(fā)生。

3 RUN BACK（RB）控制

火力發(fā)電廠除了機、爐、發(fā)電機等主要設(shè)備外，還有許多重要的輔機，如鍋爐的送風(fēng)機、引風(fēng)機、一次風(fēng)機，給水系統(tǒng)的給水泵、循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)水泵等，從安全和經(jīng)濟方面考慮，這些輔機通常都是雙套布置，出力各占50%，如果運行中某臺輔機故障退出，最直接的影響就是機組帶負(fù)荷能力立刻失去50%。機組正常運行中突然出現(xiàn)這種異常工況運行人員如果反應(yīng)不及時造成停機停爐的概率相對較高，而實踐證明靠人來實現(xiàn)大容量機組（300MW以上）RB工況操作難度大、安全風(fēng)險高。設(shè)計和運用自動控制裝置來完成機組的RB功能就成為現(xiàn)代大型火力發(fā)電機組的一種必然，極大的提高了機組的運行安全水平。

4 FAST CUT BACK（FCB）控制

機組在應(yīng)對突發(fā)大幅度甩負(fù)荷的快速反應(yīng)機制方面代表性的高端功能是FCB。FCB是指運行中的機組在電網(wǎng)故障解列，發(fā)電機或汽輪機跳閘，機組瞬間甩負(fù)荷，而鍋爐側(cè)沒有主燃料跳閘（MFT）時，機組帶廠用電運行或“停機不停爐”的自動控制功能。FCB功能的優(yōu)秀實現(xiàn)能夠給電網(wǎng)帶來非常多的好處，如2003年8月14日美國中西部和東北部的大部分地區(qū)及加拿大安大略省發(fā)生的大面積停電事故，此次事故影響人口約5000萬，僅僅美國的停電損失高達(dá)約40億～100億美元。在這次停電事故中暴露出的主要問題就是，美國的電網(wǎng)和各發(fā)電廠之間在整個系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)以及設(shè)備在安全性方面都存在隱患。從上述事件可以看出，發(fā)電廠如果能夠機組遭遇緊急故障的情況下（不論故障來源于電網(wǎng)還是來自于電廠本身），機組的FCB控制功能能夠優(yōu)秀的實現(xiàn)，從而使機組處于“孤島運行”方式，那么電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性就能夠得到可靠地保障。

機組FCB功能的可靠實現(xiàn)還能夠使電網(wǎng)在最短的時間內(nèi)恢復(fù)正常，其對電網(wǎng)的穩(wěn)定性有非常大的幫助，具有巨大的社會效益。對于電廠方面而言，也能在設(shè)備安全、經(jīng)濟運行方面提供很大的便利。在電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故時，F(xiàn)CB功能所實現(xiàn)的“孤島運行”的措施，能夠快速恢復(fù)機組對電網(wǎng)供電，進(jìn)而在機組事故停運過程中最有效的減輕金屬應(yīng)力損傷，保證電廠設(shè)備的安全。從以上FCB實現(xiàn)的功能可以看出，F(xiàn)CS能夠減少機組誤停、減緩機組溫差應(yīng)力，并且降低能量損耗。綜上所述，F(xiàn)CB功能能夠提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，還能夠減少電廠的設(shè)備損耗、能量損耗，提高電廠的經(jīng)濟效益。

由多次電廠異常工況的事件可以看出，高端控制技術(shù)在保證電廠高度安全性方面所起的作用是不可替代的，這是因為面對突發(fā)故障，機組立即失去全部負(fù)荷，留給控制的反應(yīng)時間不足3秒。在如此短的時間內(nèi)靠人工操作同時打開鍋爐電磁泄放閥、汽輪機旁路、調(diào)節(jié)鍋爐燃料、給水、汽溫、汽壓并延續(xù)機組的運行，早就超出了人的反應(yīng)極限。而FCB功能則能夠在機組懸于全停邊緣的瞬間全面地實現(xiàn)機組的快速自動控制，使機組朝著安全運行的方向調(diào)節(jié)，從而確保機組的安全運行。

FCB功能給電廠安全經(jīng)濟運行帶來的種種好處顯而易見，其主要的表現(xiàn)有以下幾點：（1）在控制機組脫離緊急故障時，既能調(diào)節(jié)機組朝正常的方向運行，又能夠保證機組的熱力參數(shù)在安全的范圍內(nèi)；（2）FCB與MFT比較而言，F(xiàn)CB的觸發(fā)給故障排除提供了機會和可能性。無論是“停機不停爐”還是僅僅帶廠用電運行都能夠使機組維持著正常的運行參數(shù)，當(dāng)事故原因得到確認(rèn)和消除時，機組就能迅速的帶上正常負(fù)荷。如此一來，機組運行成本和非計劃停運次數(shù)就都得到了有效控制；（3）在熱力機械壽命方面，若鍋爐快速變工況，例如滿負(fù)荷時突然發(fā)生MFT，其溫度、壓力波動幅度將發(fā)生大幅變化。如果不設(shè)計FCB功能，那么引起鍋爐MFT的可能性將大幅提高，發(fā)生鍋爐MFT的次數(shù)也會提高，從而使金屬應(yīng)力變化幅度和次數(shù)隨之增加，降低設(shè)備的熱力機械壽命。而成功的FCB控制，會使機、爐熱力參數(shù)被控制在設(shè)計得允許范圍內(nèi)，降低設(shè)備應(yīng)力損耗，提高設(shè)備的使用壽命。

當(dāng)然，既然是高端控制必然具備相當(dāng)高度的技術(shù)門檻，實現(xiàn)FCB具有一定的技術(shù)難度，主要是被控的運行工況嚴(yán)酷，成功的可能僅存瞬息，運行參數(shù)趨近紅線，實際上是在事故邊緣力挽機組安全。這就要求機組的各自動控制系統(tǒng)能夠快速、全面的參與其中，并且各自動控制系統(tǒng)都要對控制方式切換、過程調(diào)節(jié)作出快速準(zhǔn)確的反應(yīng)。

機組FCB功能的準(zhǔn)確實現(xiàn)，能夠提高電網(wǎng)和電廠長期的安全運行可靠性和經(jīng)濟性。但是，高端的自動控制技術(shù)需要有安全可靠的工業(yè)設(shè)備作為基礎(chǔ)。因此，要準(zhǔn)確可靠地實現(xiàn)FCB功能，就要做好機組設(shè)計、設(shè)備選型、控制策略、安裝調(diào)試等方面的工作。良好的鍋爐燃燒特性；優(yōu)秀的汽輪機運行性能；可靠快速地電氣系統(tǒng)設(shè)備；容量合適的鍋爐壓力飛升控制設(shè)備，都是其實現(xiàn)的必要條件。另外，F(xiàn)CB還要求有高端的全過程、全自動熱工自動控制系統(tǒng)與之相輔相成。高級的工業(yè)設(shè)備要有高端的自動控制才能有高度的運行安全。

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作者簡介：王繼鵬（1980，10-），男，漢族，陜西西安，工程師，研究方向：熱工自動化。