，，

(華能營口熱電有限責(zé)任公司，遼寧 營口 115003)

FCB有多種情況，一般習(xí)慣將甩負荷后帶廠用電運行稱為FCB[1]?；痣姍C組與電網(wǎng)解列后能自帶廠用電，對電網(wǎng)、社會都有深遠意義[2-3]；能減小電網(wǎng)故障對發(fā)電企業(yè)的影響：機組減少啟停次數(shù)、短時間并網(wǎng)帶負荷發(fā)電。不需等待電網(wǎng)部分恢復(fù)、廠用電恢復(fù)、公用系統(tǒng)恢復(fù)等過程時間，機組可以根據(jù)電網(wǎng)要求逐步供電，直至全電網(wǎng)的恢復(fù)，將能大大縮短電網(wǎng)恢復(fù)時間，提高電網(wǎng)、電廠的安全性、經(jīng)濟性，“功在電網(wǎng)，利在電廠”是火電廠FCB的意義。

FCB是涉及到整個機組的主、輔機協(xié)調(diào)配合的一項高難度、高風(fēng)險、高費用的運行工況，無論是國內(nèi)還是國外都很少嘗試和很少成功[4]。目前，我國有個別電廠做了FCB試驗[5-10]，成敗都有，大都是從現(xiàn)場試驗和經(jīng)驗分析的角度進行研究的，提出了一些提高汽輪機調(diào)節(jié)品質(zhì)的措施，然而由于每個電廠情況不同、試驗次數(shù)有限、每次試驗存在很多隨機性因素影響結(jié)果，所以現(xiàn)有的經(jīng)驗措施還有待進一步完善。

本文應(yīng)用仿真的方法，通過仿真分析FCB工況下汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性。計算機仿真的優(yōu)點是既安全又省時，可重復(fù)進行，適應(yīng)性強，靈活性大[11-12]。FCB后人們普遍更關(guān)心汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速飛升、調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速值問題，為此，本文主要分析FCB工況下汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，得到的結(jié)論可以進一步完善FCB工況下汽輪機調(diào)節(jié)的技術(shù)措施。

1 FCB工況下功率給定值的選取

1.1 FCB后調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性分析

FCB后機組與電網(wǎng)解列，汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)將機組穩(wěn)定轉(zhuǎn)速控制為額定轉(zhuǎn)速附近，可以為機組再次并網(wǎng)創(chuàng)造條件。穩(wěn)定工況，圖1中功率校正回路的PI1調(diào)節(jié)器輸入信號為0，可列等式為

Pg+ΔPn-Pe=0

(1)

式中Pg——功率給定/MW；

ΔPn——差頻回路的功率請求值/MW；

Pe——發(fā)電機功率/MW。

調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性表達式為

(2)

轉(zhuǎn)速變化量為

Δn=ns-n0

(3)

式中Pe0——發(fā)電機額定功率/MW；

n0——汽輪機額定轉(zhuǎn)速/r·min-1，通常為3 000 r/min；

Δn——轉(zhuǎn)速變化量/r·min-1；

δ——調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速度變動率；

ns——汽輪機穩(wěn)定轉(zhuǎn)速/r·min-1。

圖1 DEH原理方框圖

由式(1)、式(2)、式(3)得機組穩(wěn)定轉(zhuǎn)速表達式為

(4)

為說明問題，以機組帶額定負荷下FCB后帶10%額定負荷的廠用電(下文所述FCB均指機組額定負荷下甩負荷帶10%額定負荷的廠用電)為例，其中速度變動率取5%，F(xiàn)CB機組功率將變?yōu)?/p>

Pe=0.1Pe0

(5)

當(dāng)功率給定不切除時為

Pg=Pe0

(6)

將式(5)、式(6)帶入式(4)可計算FCB工況下功率給定不切除汽輪機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為3 135 r/min。為簡化，仿真過程不記再熱器慣性、超速保護(Over-speed Protect Control，OPC)動作影響，仿真如圖2所示，可知FCB后汽輪機轉(zhuǎn)速剛開始在很大的主蒸汽力矩和反調(diào)作用下快速上升，890 ms達到最高轉(zhuǎn)數(shù)，隨著轉(zhuǎn)速的上升圖1中調(diào)頻回路信號變強并逐漸起主導(dǎo)作用使調(diào)門關(guān)小，經(jīng)過一個波峰后最終將機組轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定在3 135 r/min，仿真結(jié)果與理論分析一致。穩(wěn)態(tài)時圖1中，主、副控制回路輸入信號為0，在功率調(diào)節(jié)器入口調(diào)頻反饋的信號與功率反饋信號大小相等、極性相反，調(diào)節(jié)器輸出不變。

圖2 轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

1.2 功率給定的選取

電調(diào)機組的功率給定相當(dāng)于液調(diào)機組同步器的作用，具有平移機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線的功能。為了使機組甩負荷后，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速和減小反調(diào)的影響，DEH在機組甩負荷同時將功率給定自動減到0，即功率給定切除Pg為0，F(xiàn)CB后Pe為0.1Pe0，把以上條件帶入式(4)可得穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為2 985 r/min，仿真如圖3中曲線1所示。這個穩(wěn)定轉(zhuǎn)速很顯然不能滿足再次并網(wǎng)的轉(zhuǎn)速要求，最低轉(zhuǎn)速比較低，易引起機組和一些電機低頻保護動作應(yīng)引起重視，例如，當(dāng)電泵低頻保護動作或閉鎖啟動時，若此時汽泵汽源切換不及時，極易引起斷水保護動作導(dǎo)致機組跳閘。通過上述分析可知，欲使機組FCB后汽輪機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min附近，應(yīng)該將功率給定保留所帶廠用電的值，即Pg=Pe，將此條件帶入式(4)可得機組穩(wěn)定轉(zhuǎn)數(shù)ns為3 000 r/min。仿真曲線如圖3中曲線2所示，圖3中曲線1、2兩種工況動態(tài)特性基本相同，主要差異在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的不同，曲線1在FCB動作同時將功率給定全部切除，將使圖1中功率校正回路入口產(chǎn)生一個功率給定減小的信號，功率反饋回路由于甩掉一定負荷可抵消一部分功率給定減小的信號，但由于不是甩掉100%額定負荷，所以功率給定的減小信號不能被完全抵消，需要調(diào)頻回路穩(wěn)定轉(zhuǎn)速降低產(chǎn)生一個增大的功率請求值信號，這樣才能滿足式(1)；曲線2是在功率給定減至為10%額定負荷，功率給定信號與功率反饋信號正好抵消，穩(wěn)態(tài)時可保持轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，所以才會有圖3中曲線1、2的差異。由圖3可知FCB同時功率給定設(shè)置為廠用電負荷值的做法，可以將機組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min附近，動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)良好。

圖3 不同功率給定轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

2 速度變動率對FCB工況下汽輪機調(diào)節(jié)特性的影響

速度變動率對調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性、動態(tài)特性有著重要的影響。在FCB后無再熱器慣性影響、功率給定不切除的工況下仿真，見圖4，可知FCB與甩額定負荷在相同速度變動率下相比，調(diào)節(jié)動態(tài)特性明顯變好，分析原因機組FCB后仍帶一定的廠用電對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速飛升有抑制作用，外擾減小相對穩(wěn)定性提高，動態(tài)指標(biāo)變好如表1所示，可見FCB工況與甩額定負荷工況相比，相同速度變動率情況下最高飛升轉(zhuǎn)速變小、動態(tài)超調(diào)量減小。

圖4 速度變動率對調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性的影響曲線

表1兩種工況動態(tài)指標(biāo)比較表

速度變動率/[%]FCB工況甩額定負荷工況753753最高飛升轉(zhuǎn)速/r·min-13248.23188.03149.03285.43230.73195.5超調(diào)量/[%]18.225.365.635.953.8117.3

由圖4可知，在速度變動率選取7%、5%、3%仿真，隨著調(diào)節(jié)系統(tǒng)速度變動率的減小機組轉(zhuǎn)速振蕩變大、相對穩(wěn)定性有變差的趨勢，這點符合汽輪機原理知識。圖4中曲線1、2、3是在FCB工況下汽輪機轉(zhuǎn)速隨時間經(jīng)過一個波峰，轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在3 189 r/min、3 135 r/min、3 081 r/min；圖4中曲線4、5、6是在甩額定負荷工況下汽輪機轉(zhuǎn)速隨時間經(jīng)過兩個波峰，轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在3 210 r/min、3 150 r/min、3 090 r/min，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速符合公式(4)的理論計算值。在FCB工況下速度變動率對汽輪機動態(tài)特性影響與甩額定負荷基本相似，所以機組FCB時速度變動率的設(shè)定值選擇原則仍按正常運行時調(diào)頻要求設(shè)定即可。

3 調(diào)門動作延遲對FCB工況下汽輪機動態(tài)特性的影響

系統(tǒng)的延遲代表了整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)對被控量變化的敏感程度，當(dāng)機組的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速偏差達到什么程度時才開始動作。以往延遲時間更多的是反應(yīng)機械方面的問題，然而由于電調(diào)機組通信信號更多一些，信號傳遞中故障率發(fā)生的可能性也就增大，F(xiàn)CB時人們更關(guān)注從機組FCB動作開始到調(diào)節(jié)汽門開始動作的延遲時間，其中包括機械方面延遲時間和電氣信號傳輸延遲時間。下面著重研究不同延遲時間，對FCB工況下汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

圖5 延遲時間對汽輪機動態(tài)特性影響

將不同延遲時間下的汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性仿真如圖5所示，在延遲時間內(nèi)，汽輪機轉(zhuǎn)子將以額定蒸汽流量被沖動飛升，在開始的一段時間內(nèi)由于轉(zhuǎn)子的慣性作用飛升量有限，當(dāng)延遲時間過長轉(zhuǎn)子將加速飛升。由圖5中曲線2、3調(diào)節(jié)有延遲與曲線1調(diào)節(jié)無延遲比較可知，F(xiàn)CB工況下隨著延遲時間的增加，動態(tài)超調(diào)量變大、調(diào)節(jié)動態(tài)品質(zhì)變差。所以控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)延遲時間應(yīng)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)控制，當(dāng)在靜態(tài)試驗中發(fā)現(xiàn)延遲時間超出規(guī)定值時，應(yīng)及時處理消除。仿真某廠汽輪機調(diào)節(jié)汽門關(guān)閉速度試驗得出的測試結(jié)果：遮斷信號發(fā)出之后，所有汽門延遲163～190 ms開始關(guān)閉，按此延遲時間由圖5仿真可知汽輪機最高和最低轉(zhuǎn)速都有幾十轉(zhuǎn)的變化，轉(zhuǎn)速振蕩很嚴(yán)重。

4 再熱器慣性對FCB工況下汽輪機動態(tài)特性的影響

中間再熱需要用很長的管道將高壓缸的排汽傳送到鍋爐，在鍋爐中再熱后送入汽輪機的中壓缸，因為管道很長蒸汽容積大，存有相當(dāng)數(shù)量的蒸汽在FCB后，即使高壓調(diào)節(jié)汽閥完全關(guān)閉，中間再熱容積中所包含的蒸汽如果繼續(xù)膨脹做功，仍能使汽輪機嚴(yán)重超速。以某300 MW機組為例，再熱時間常數(shù)為8 s，F(xiàn)CB和甩額定負荷兩種工況仿真，如圖6(a)、圖6(b)所示，可見FCB與甩額定負荷相比，因擾動較小，動態(tài)超調(diào)量減小，振蕩次數(shù)減少，穩(wěn)定時間縮短，最終使汽輪機調(diào)節(jié)動態(tài)特性變好。在機組FCB或甩負荷工況下，在高、低旁及中壓缸調(diào)節(jié)汽門不參與調(diào)節(jié)的情況下，機組只靠調(diào)節(jié)系統(tǒng)動作也會將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min，從能量守恒的角度分析，此時再熱環(huán)節(jié)所儲存的能量主要通過中、低壓缸緩慢的釋放掉，但是只靠中、低壓缸作用畢竟有限，所以造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的多次振蕩直到將蒸汽的能量消耗完，由于隨時間的推移蒸汽力矩的能量在逐漸釋放減小，進而每次振蕩的峰值都逐漸減小。

所以機組FCB時，應(yīng)設(shè)法消除再熱器的慣性影響，及時將再熱壓力降低到一定值或及時關(guān)閉中壓調(diào)節(jié)汽門，特別在選擇參與FCB功能的電廠，應(yīng)盡量選擇中調(diào)門在FCB后參與調(diào)節(jié)的機組。降低再熱壓力可控制轉(zhuǎn)速的飛升，同時也可有效制止高壓缸排汽溫度升高。

圖6 考慮再熱器慣性調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性曲線

降低再熱壓力現(xiàn)場應(yīng)采取的措施及注意事項：

(1)高、低旁的配合，F(xiàn)CB后及時將低旁開大，在保證主汽壓力不超限和再熱器最低流量的情況下盡量減小高旁的開度。另外在投高、低旁的過程中要遵循“高旁先減壓后減溫、低旁先減溫后減壓”的操作原則。同時在低旁投入后因為有大量的高熱值的蒸汽進入凝汽器，要防止排汽溫度超限和水位的瞬間降低；由于低旁投入需要大量的凝結(jié)水做減溫水，凝結(jié)水母管的壓力會降低，當(dāng)?shù)陀诒Ｗo定值要檢查備用凝結(jié)水泵自啟，并且要求啟泵的凝結(jié)水母管壓力定值設(shè)定應(yīng)高于低壓旁路因減溫水壓力低保護關(guān)閉的定值；在凝結(jié)水母管壓力波動的過程中也要注意除氧器水位的波動并及時調(diào)節(jié)。以上有一個細節(jié)控制不當(dāng)都會導(dǎo)致FCB失敗。

(2)FCB動作過程中及時開啟主、再熱蒸汽管道安全門和疏水門，以達到直接或間接降低再熱器壓力的目的。

(3)在保證能穩(wěn)燃的前提下及時減少燃料量，在保證動態(tài)過程煤水比的前提下及時減小給水泵的出力，可間接的降低再熱器的壓力，進而減小再熱器慣性對調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

(4)注意中調(diào)門關(guān)閉的影響，中壓調(diào)節(jié)汽門無保護動作時將不會隨高壓調(diào)節(jié)汽門的關(guān)閉而關(guān)閉，中壓調(diào)節(jié)汽門快關(guān)主要靠FCB啟動OPC動作或超速OPC保護動作，中調(diào)門關(guān)閉后將導(dǎo)致再熱器壓力升高，OPC復(fù)位后中調(diào)門突然開啟存在轉(zhuǎn)速二次或多次飛升問題。

5 OPC動作對FCB工況下汽輪機動態(tài)特性的影響

因為卸荷閥時間常數(shù)與油動機時間常數(shù)相比非常小，本文在仿真過程將OPC信號發(fā)出高、中調(diào)門暫態(tài)快關(guān)看成瞬間完成的，即調(diào)節(jié)系統(tǒng)一旦觸發(fā)OPC動作立即關(guān)閉所有調(diào)門和抽汽逆止門。關(guān)于OPC動作和復(fù)位的條件每個電廠也不相同：有FCB直接觸發(fā)、LDA甩負荷預(yù)測保護動作、超速保護動作等；復(fù)位轉(zhuǎn)速有3 060～3 000 r/min不等的OPC復(fù)位轉(zhuǎn)速。以某300 MW機組為例，此機組103%額定轉(zhuǎn)速OPC動作，3 000 r/min復(fù)位，中調(diào)門按“兩閥位”方式工作不參與調(diào)節(jié)。

圖7 FCB工況調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性曲線

5.1 理想工況仿真

仿真條件是：機組FCB時，無再熱器慣性、無延遲時間的影響。若在FCB發(fā)生時能夠及時控制再熱器壓力，即可認為無再熱器慣性影響，只靠DEH的OPC超速保護動作。仿真如圖7(a)所示，機組轉(zhuǎn)速飛升到3 090 r/min超速OPC保護動作，觸發(fā)OPC電磁閥得電打開，卸掉遮斷油，高、中壓調(diào)節(jié)汽門和抽汽逆止門關(guān)閉，汽輪機轉(zhuǎn)子由于蒸汽容積慣性和轉(zhuǎn)子慣性，仍繼續(xù)上升到一定轉(zhuǎn)速后開始下降，由圖7(a)可知OPC只需動作一次即可將機組穩(wěn)定在3 000 r/min。

5.2 惡劣工況仿真

考慮再熱環(huán)節(jié)，且旁路等消除再熱影響的措施全未采取，即再熱器儲存的能量完全由中、低壓缸釋放，仿真如圖7(b)所示，轉(zhuǎn)速多次飛升將會使OPC反復(fù)動作，且每次動作高、中壓調(diào)門關(guān)閉，都會迅速使轉(zhuǎn)速回落，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達3 000 r/min后OPC復(fù)位，保安油壓重新建立使調(diào)門開啟，中調(diào)門全開在再熱蒸汽容積能量的作用下汽輪機轉(zhuǎn)速再次飛升，如此多次反復(fù)進行如仿真所示OPC動作15次之多，與圖7(a)比較調(diào)節(jié)時間將大大的延長，振蕩數(shù)次直到將再熱器儲存的能量釋放完，最終靠調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min。

圖7(a)和圖7(b)分別是FCB后OPC動作的理想工況和惡劣工況，在實際控制中機組FCB動態(tài)特性大多介于圖7(a)與圖7(b)之間某種情況，為達到最優(yōu)控制和最佳操作，其核心技術(shù)措施就是FCB時及時控制再熱器壓力使之降低到一定數(shù)值。FCB時能迅速將再熱蒸汽壓力降至較低水平是控制OPC動作次數(shù)、改善動態(tài)品質(zhì)的關(guān)鍵。所以可見FCB工況下汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性好壞關(guān)鍵取決于旁路和OPC保護的協(xié)調(diào)配合。

6 結(jié)論

(1)火電廠FCB時，功率給定全部切除會使機組的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速偏低，且所帶廠用電越多機組穩(wěn)定轉(zhuǎn)

速低于3 000 r/min越大。FCB要使機組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min，功率給定應(yīng)在FCB動作時保留所要帶的廠用電負荷值。

(2)速度變動率對FCB的影響與甩額定負荷工況相比基本相同，所以具有FCB功能的機組速度變動率的設(shè)定值選擇原則仍按正常運行時調(diào)頻要求設(shè)定。機組FCB后仍帶一定的廠用電運行，對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速飛升有抑制作用，與甩額定負荷相比，外擾減小相對穩(wěn)定性提高，動態(tài)指標(biāo)變好。

(3)延遲時間內(nèi)汽輪機以額定蒸汽量沖動汽輪機，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速飛升很大，延遲時間超過一定值時應(yīng)引起足夠的重視，具有FCB功能的機組調(diào)節(jié)延遲時間應(yīng)準(zhǔn)確測量并盡量減小其數(shù)值。

(4)從仿真的結(jié)果看，F(xiàn)CB成功的關(guān)鍵是一定程度的降低再熱壓力。選擇參與FCB功能的電廠時，應(yīng)盡量選擇中調(diào)門在FCB后參與調(diào)節(jié)的機組?？刂圃贌釅毫?、OPC可靠動作、高、低旁協(xié)調(diào)配合是改善FCB工況下汽輪機動態(tài)特性的重要措施。

[1]趙常興．汽輪機技術(shù)手冊[M]．北京：中國電力出版社，2006．

[2]姚金雄,付彬,李文輝,等.超高壓電網(wǎng)中高壓并聯(lián)電抗器配置型式實例研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2016,32(7):65-76.

[3]Yu Chen，Zhao Xu，Jacob Stergaard.Security assessment for intentional island operation in modern power system[J]．Electric Power Systems Research，2011(81)：1849-1857．

[4]侯小龍，田云峰．國產(chǎn)200 MW機組甩負荷及小島運行試驗[J]．華北電力技術(shù)，2004(6)：1-3．

[5]唐軍，曲高軍．伊朗ARAK電站4×325 MW機組的小島運行試驗[J]．動力工程，2006，26(2)：238-240．

[6]劉基興,朱戰(zhàn)齊,胡德秀.引水式水電站生態(tài)小機建設(shè)的可行性研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2016,32(10):137-145.

[7]劉武峰．FCB 系統(tǒng)配置要求及運行分析[J]．節(jié)能技術(shù)，2013，31(6)：566-568．

[8]田豐．700 MW機組FCB試驗分析[J]．動力工程，2002，22(4)：1872-1874．

[9]馮偉忠．900 MW超臨界機組FCB試驗[J]．中國電力，2005，38(2)：74-77．

[10]王孟，盛錦鰲，錢海龍，等.660 MW超臨界機組100%負荷FCB功能的實現(xiàn)[J]．自動化儀表，2017，38(4):99-102.

[11]張家琛．火電廠仿真[M]．北京：水利電力出版社，1994．

[12]周云龍，王迪．300 MW機組快速甩負荷初期主汽壓力動態(tài)特性仿真[J]．熱能動力工程，2014，29(4):391-395.