李躍輝

（中山嘉明電力有限公司橫門電廠，廣東 中山 528437）

近年來，電力系統(tǒng)裝機容量越來越大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復雜，保護配合難度越來越高，這造成電網(wǎng)解列、大面積停電事故發(fā)生的概率大增。在電網(wǎng)事故發(fā)生時，如何提高電網(wǎng)的自愈能力，迅速恢復電網(wǎng)供電，保障發(fā)電廠廠用電供電，對電力系統(tǒng)的正常運行尤其重要，故FCB功能的實現(xiàn)引起了電網(wǎng)及電廠的高度重視。FCB的功能是指發(fā)電機組在電網(wǎng)或線路出現(xiàn)故障而機組本身運行正常的情況下，發(fā)變組出線開關（TCB）跳閘，不聯(lián)跳發(fā)電機出口開關（GCB），發(fā)電機帶機組廠用電實現(xiàn)“孤島運行”。如果FCB成功，電網(wǎng)故障消除后，機組能自帶廠用電快速有效地通過TCB并網(wǎng)向系統(tǒng)供電，從而迅速“激活”網(wǎng)內(nèi)其他機組并恢復對用戶的供電。因此FCB功能對于電網(wǎng)特殊事故處理、電網(wǎng)黑啟動及發(fā)電廠保廠用電都具有十分重要的意義。目前在廣東電網(wǎng)中，只有幾家電廠擁有真正成功實現(xiàn)了FCB功能的大機組，橫門電廠能成功實現(xiàn)燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的FCB功能，標志著廣東電網(wǎng)黑啟動又多了一個電源支撐點，將有利于在電網(wǎng)發(fā)生事故的情況下快速提供恢復電網(wǎng)的動力。

1 多軸燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的基本配置

該聯(lián)合循環(huán)機組為東方電氣集團公司成套提供的M701F4改進型機組，包括1臺低NOx燃氣輪機、1臺燃機發(fā)電機、1臺燃機主變、1臺蒸汽輪機、1臺汽機發(fā)電機、1臺汽機主變、1臺無補燃三壓再熱余熱鍋爐及其相關的輔助設備。燃機發(fā)電機通過發(fā)電機出口斷路器GCB實現(xiàn)與電網(wǎng)并網(wǎng)，而汽機發(fā)電機則通過主變高壓側(cè)斷路器與電網(wǎng)并網(wǎng)，廠用電由燃機主變低壓側(cè)供電。機組熱力循環(huán)示意圖如圖1所示，電氣主接線示意圖如圖2所示。

當電網(wǎng)發(fā)生不穩(wěn)定超限，電廠安穩(wěn)裝置或失步解列裝置首先自動斷開燃機主變和汽機主變高壓側(cè)斷路器。此時，燃機進入FCB狀態(tài)，同時汽機跳閘，高壓主蒸汽通過高旁、再熱器、中旁排至凝汽器，低壓主蒸汽通過低旁直接排至凝汽器，余熱鍋爐、高中壓給水泵、凝汽器及真空泵等設備將維持旁路運行，保證燃氣輪機發(fā)電機組及余熱鍋爐在FCB工況下的正常工作。當電網(wǎng)恢復后，機組需要從“孤島運行”轉(zhuǎn)為并網(wǎng)運行，然后通過燃機主變高壓側(cè)斷路器實現(xiàn)再并網(wǎng)。

圖1 機組熱力循環(huán)示意圖

圖2 三套燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組電氣主接線示意圖

2 多軸燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組FCB功能實現(xiàn)的條件

2.1 啟動燃機FCB功能的指令選擇

啟動燃機FCB功能的指令一般采用安全穩(wěn)控裝置的切機指令，或者燃機主變高開關TCB跳閘輔助接點，或者燃機負荷突降超限延時等。綜合目前成功實施FCB功能的電廠經(jīng)驗來看，多數(shù)選擇安全穩(wěn)控裝置的切機指令。對于如何選擇啟動FCB的指令，應考慮如下因素：第一，安全穩(wěn)控裝置不是每個電廠都標配的設備，作為FCB的啟動指令比較單一；第二，F(xiàn)CB時主變高開關要跳閘，而主變高開關跳閘的原因很多，很難選擇FCB的啟動指令；第三，燃機TCS控制系統(tǒng)保護要求在0.1 s內(nèi)必須收到啟動FCB的信號，否則頻率超過51.5 Hz即發(fā)跳燃機指令，導致孤島失敗。故綜合考慮上述原因，選擇燃機主變高開關TCB跳閘輔助接點及發(fā)電機出口開關GCB合位信號來啟動燃機FCB模式，速度快捷（只需70 ms），而且簡單易行。

2.2 多軸燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組FCB功能實現(xiàn)的配套設計

2.2.1 雙同期點設計

機組正常啟動時，燃機發(fā)電機通過發(fā)電機出口斷路器GCB實現(xiàn)與電網(wǎng)并網(wǎng)，一旦發(fā)生電網(wǎng)不穩(wěn)定超限，電網(wǎng)安穩(wěn)裝置，或者失步解列裝置，或者發(fā)變組相關保護首先自動斷開燃機發(fā)電機的主變UCB開關，此時，燃機進入FCB狀態(tài)。當系統(tǒng)故障排除后，機組需要從孤島運行再并網(wǎng)，則只有通過合上燃機主變TCB實現(xiàn)再并網(wǎng)過程。根據(jù)以上分析，燃機FCB功能實現(xiàn)必須采用雙同期點，僅在燃機發(fā)電機出口設置同期點，就無法實現(xiàn)FCB后發(fā)電機再并網(wǎng)的功能。該同期裝置若采用一套，則需設計同期點選擇回路。

2.2.2 發(fā)變組保護的跳閘矩陣

發(fā)變組保護的跳閘出口矩陣與常規(guī)機組相比需要重新設計、修改，一般將發(fā)電機頻率異常（超頻）保護及失步（區(qū)內(nèi)）保護出口由跳燃機發(fā)電機出口GCB改為燃機主變高開關TCB。

2.2.3 100%的旁路設計

M701F4改進型機組的余熱鍋爐為無補燃三壓再熱鍋爐，在供熱工況下高壓蒸汽流量為310 t/h，再熱蒸汽流量347.8 t/h，低壓蒸汽流量49.8 t/h。根據(jù)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量參數(shù)配置了100%旁路系統(tǒng)，高中壓旁路為兩級串聯(lián)旁路系統(tǒng)，高壓旁路從高壓主蒸汽管道接出，經(jīng)減壓、減溫后接至低溫再熱蒸汽管道，流量310 t/h；中壓旁路從高溫再熱蒸汽管道接出，經(jīng)減壓、減溫后接至凝汽器，流量347.8 t/h；低壓旁路從低壓主蒸汽管道接出，經(jīng)減壓后接至凝汽器流量50 t/h。100%旁路系統(tǒng)設計有利于燃機、余熱鍋爐在FCB工況下能穩(wěn)定運行。

2.2.4 機、電、爐大聯(lián)鎖的優(yōu)化

機、電、爐大聯(lián)鎖要符合FCB功能要求，為實現(xiàn)FCB功能，機、電、爐聯(lián)鎖原則應符合下列要求：（1）燃機主變TCB跳閘時，汽輪機跳閘，燃機RB動作帶發(fā)電機快速減負荷至帶廠用電作孤島運行（FCB），余熱鍋爐旁路運行；（2）汽輪機單獨跳閘時，不聯(lián)鎖跳余熱鍋爐、燃機，燃機仍能帶發(fā)電機單循環(huán)運行，余熱鍋爐旁路運行。

2.2.5 輔助系統(tǒng)邏輯的設計考慮

由于FCB工況不同于機組跳閘，余熱鍋爐汽包水位控制、高中低旁路自動快開以及凝汽器真空的邏輯設計需要單獨分析考慮，否則影響FCB的成功運行。

2.2.6 廠用電供電質(zhì)量不合格對輔機的影響程度

廠用電供電質(zhì)量有兩個因素要考慮。一是電壓波動范圍，電動機可在額定電壓變化-5%～+10%的范圍內(nèi)運行，其額定出力不變。這就要求發(fā)電機勵磁系統(tǒng)在機組甩負荷后能迅速反應，將發(fā)電機電壓穩(wěn)定。二是頻率的波動，機組甩負荷后頻率上升，返回時間若較長，電動機能否承受，特別是變頻器是否會跳閘。這些需要試驗驗證。

3 FCB全真實運行工況試驗

3.1 燃機30 MW切機自帶廠用電試驗

為保證FCB試驗的成功率和安全性，在汽機未并網(wǎng)的情況下，進行了一次燃機帶低負荷FCB回路檢查試驗。試驗情況如下：試驗前燃機負荷30 MW，轉(zhuǎn)速3000 r/min，發(fā)電機定子電壓15.7 kV，勵磁系統(tǒng)置“恒壓模式”，廠用電由燃機機組自帶6 MW。2014年08月8日20時07分切燃機主變高開關，燃機直接轉(zhuǎn)入孤島運行模式，1 s后燃機負荷從30 MW快速減負荷至6 MW，轉(zhuǎn)速3 013 r/min，發(fā)電機定子電壓15.7 kV，3 s后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min，然后重新利用燃機主變高開關再次并網(wǎng)。雖然試驗的工況較低，但是驗證了FCB啟動回路、邏輯設計滿足試驗要求，為下一步高負荷試驗奠定了實踐基礎。

3.2 燃機50%負荷切機自帶廠用電甩負荷試驗

2014年08月16日21時07分通過A套穩(wěn)控裝置進行切機操作。A套穩(wěn)控裝置聯(lián)切7#、8#機組動作，啟動7#、8#機組發(fā)變組E柜非電量保護，7#、8#主變高壓側(cè)開關出口跳閘，1 s燃機負荷從138.71 MW快速減負荷至5.94 MW；燃機轉(zhuǎn)入孤島運行模式，發(fā)電機僅帶廠用電運行，汽輪機跳閘，燃機轉(zhuǎn)速約2 s達最高3 040.5 r/min，為額定轉(zhuǎn)速的101.35%；然后轉(zhuǎn)速迅速下降，約7 s轉(zhuǎn)速降至3 006 r/min，后轉(zhuǎn)速緩慢平穩(wěn)下降至3 000 r/min；發(fā)電機定子電壓15.7 kV穩(wěn)定不變，廠用電輔機運行正常。詳細參數(shù)見表1，主要參數(shù)曲線趨勢圖見圖3。7#機組在切機傳動試驗結(jié)束后于2014年08月16日21時13分利用燃機主變高開關再次成功并網(wǎng)。

3.3 燃機100%負荷切機自帶廠用電甩負荷試驗

2014年08月17日21時24分43秒通過B套穩(wěn)控裝置進行切機操作，B套穩(wěn)控裝置聯(lián)切7#、8#機組動作，啟動7#、8#機組發(fā)變組E柜非電量保護。7#、8#機組主變高壓側(cè)開關出口跳閘，1 s燃機負荷從275 MW快速減負荷至6.46 MW，燃機轉(zhuǎn)入孤島運行模式，發(fā)電機僅帶廠用電運行，汽輪機跳閘，約3 s達最高3 133.5 r/min，為額定轉(zhuǎn)速的104.45%。然后轉(zhuǎn)速迅速下降，約14 s時轉(zhuǎn)速降至3 003.8 r/min，后轉(zhuǎn)速緩慢平穩(wěn)下降至3 000 r/min，發(fā)電機定子電壓15.7 kV穩(wěn)定不變，廠用電輔機運行正常。詳細參數(shù)見表2，主要參數(shù)曲線趨勢圖見圖4。7#機組在切機傳動試驗結(jié)束后，2014年08月17日21時41分利用燃機主變高開關再次并網(wǎng)。

圖3 主要參數(shù)曲線趨勢圖

圖4 主要參數(shù)曲線趨勢圖見

表2 7#燃氣機100%負荷FCB前后參數(shù)

3.4 試驗總結(jié)

從整個試驗過程來看，F(xiàn)級多軸燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組實現(xiàn)FCB功能，相對其他類型的機組成功率較大，不用過多考慮汽輪機對燃機的影響，只要燃機RB動作正常，燃燒系統(tǒng)的各閥門反應快速、相互配合恰當，保證燃燒穩(wěn)定，且在0.1 s內(nèi)收到FCB啟動信號，F(xiàn)CB就可能成功。剩余的問題主要是輔助系統(tǒng)的配合，涉及余熱鍋爐汽包水位調(diào)整控制、高中低旁路快開。因為汽包水位失調(diào)、汽機旁路未開，會導致余熱鍋爐跳閘，燃機跳閘，F(xiàn)CB失敗。所以，要求輔助系統(tǒng)的自動控制邏輯設計及硬件設備要能快速反映工況的變化。電氣系統(tǒng)只要勵磁調(diào)節(jié)器投自動恒壓模式，就可穩(wěn)定發(fā)電機定子電壓，輔機就能穩(wěn)定運行?？傊?，只要主機島的硬件、軟件具備FCB功能，再做好相關輔助系統(tǒng)的設計和調(diào)試，F(xiàn)CB就能成功。這對相同類型燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組實施FCB具有推廣和借鑒作用。

4 結(jié)束語

FCB功能是目前形勢的需求，它對防止大面積停電電網(wǎng)自愈有積極作用，能提高發(fā)電廠廠用電中斷的抗風險能力，F(xiàn)CB的成功實踐將給降低電網(wǎng)及發(fā)電廠廠用電運行安全風險帶來希望。相對于煤電機組及單軸燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，F(xiàn)級多軸燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組實現(xiàn)FCB功能要簡單易行。盡管目前實現(xiàn)FCB功能的F級燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠很少，但是只要在電廠建設的各個階段綜合考慮FCB功能的要求，做好設備招標、設計等工作，并協(xié)調(diào)好后期的現(xiàn)場調(diào)試、FCB試驗、機組運行等各個階段的工作，就能夠確保F級燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組FCB功能的成功實施。

［1］ 王衛(wèi)濤.FCB工況下汽機旁路控制方案探討［J］.華中電力，2011，（1）：39-42.

［2］ 徐征.F級多軸燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠FCB功能的設計研究［J］.寧夏電力（學術版），2013，（8）：8-10.

［3］ 楊國保.臺山百萬機組FCB實驗控制策略［J］.神華科技，2015，（1）：65-66，69.