劉永剛,張長(zhǎng)春,田正彬
(山西京玉發(fā)電有限責(zé)任公司,山西朔州 037200)
快速返回功能 (FCB:Fast Cut Back)[1]為當(dāng)發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷時(shí),使本機(jī)組不停運(yùn)的一種控制措施??煞譃橥C(jī)不停爐、機(jī)組維持空負(fù)荷額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行和帶本機(jī)廠用電運(yùn)行3種方式。本文FCB功能指快速甩負(fù)荷至帶本機(jī)廠用電運(yùn)行功能,即發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)或主變壓器高壓側(cè)出現(xiàn)故障時(shí),瞬間失去對(duì)外供電負(fù)荷的情況下,自動(dòng)快速減負(fù)荷至廠用電,并維持發(fā)電機(jī)帶廠用電運(yùn)行的功能。循環(huán)流化床機(jī)組運(yùn)行中,鍋爐床體內(nèi)積蓄了大量燃料,物料循環(huán)性強(qiáng),熱慣性大。機(jī)組在FCB過(guò)程中,鍋爐主燃料切斷(MFT)后,床體燃料和循環(huán)物料在風(fēng)機(jī)作用下仍將釋放大量熱能,給機(jī)組帶來(lái)嚴(yán)重危害。即使鍋爐跳閘(BT)后,余熱產(chǎn)生的蒸汽仍能保證汽輪發(fā)電機(jī)組帶廠用電負(fù)荷,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。可見(jiàn),循環(huán)流化床機(jī)組FCB功能有其自身的特性,不同于煤粉鍋爐機(jī)組。本文介紹了循環(huán)流化床機(jī)組FCB功能試驗(yàn)中的主要邏輯控制,給同類(lèi)機(jī)組實(shí)施FCB功能提供借鑒。
a)晉北某電廠機(jī)組為:2×300 MW循環(huán)流化床鍋爐直接空冷機(jī)組,亞臨界,汽包爐,一次中間再熱。鍋爐汽包設(shè)3臺(tái)25.7%鍋爐最大蒸發(fā)量(BMCR)的機(jī)械式安全閥;過(guò)熱器設(shè)2臺(tái)7.8%BMCR容量,整定壓力為19.24 MPa的電氣安全閥(PCV),設(shè)3臺(tái)13.5%BMCR容量的機(jī)械式安全閥。再熱器入口設(shè)3臺(tái)23.4%BMCR容量的機(jī)械式安全閥,出口設(shè)2臺(tái)13.5%BMCR容量的機(jī)械式安全閥。汽機(jī)側(cè)設(shè)高、低壓2級(jí)串連旁路系統(tǒng),高旁按鍋爐70%BMCR容量的設(shè)置,低旁按110%BMCR容量設(shè)置。汽輪機(jī)為中壓缸啟動(dòng)方式。
b)機(jī)組采用分散控制系統(tǒng)(DCS),主機(jī)控制為新華XDPS400+型。鍋爐設(shè)有爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)(FSSS),能夠完成主燃料切除保護(hù)(MFT)、鍋爐跳閘保護(hù)(BT)等功能;汽輪機(jī)組設(shè)有汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH),具備轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、調(diào)頻、中壓缸啟動(dòng)和汽輪機(jī)自動(dòng)控制等各項(xiàng)功能;能夠?qū)崿F(xiàn)甩負(fù)荷預(yù)判功能(LDA),50%和100%甩負(fù)荷試驗(yàn),維持機(jī)組額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min空轉(zhuǎn);具備部分甩負(fù)荷,快關(guān)調(diào)速汽門(mén);超103%和110%額定轉(zhuǎn)速保護(hù),超速試驗(yàn)等功能。具有汽輪機(jī)危機(jī)遮斷保護(hù)系統(tǒng)(ETS),輔機(jī)順序控制系統(tǒng)(SCS包括吹灰、除渣、旁路控制等),發(fā)變組和廠用電源的順序控制系統(tǒng)(ECS)等。
在DCS中設(shè)置FCB功能程序,在控制畫(huà)面上設(shè)FCB功能選項(xiàng)按鈕,可選擇 “投入”或“退出”。FCB觸發(fā):邏輯一,由PLU信號(hào)觸發(fā);邏輯二,電超速(OPC)信號(hào)觸發(fā)。兩者任意一項(xiàng)滿足均可觸發(fā)FCB功能(見(jiàn)圖1)。
圖1 FCB觸發(fā)邏輯圖
2.1.1 觸發(fā)邏輯一
PLU動(dòng)作觸發(fā)。PLU信號(hào)是中壓缸排汽壓力折算的機(jī)械功與發(fā)電機(jī)輸出的電負(fù)荷進(jìn)行比較,當(dāng)機(jī)械功超出電負(fù)荷30%時(shí),PLU信號(hào)會(huì)發(fā)出,關(guān)閉高壓、中壓調(diào)門(mén),使得機(jī)械負(fù)荷趨向和電負(fù)荷相匹配。當(dāng)外網(wǎng)故障時(shí),發(fā)電機(jī)失去全部外部負(fù)荷,PLU信號(hào)發(fā)出,觸發(fā)FCB。
PLU信號(hào)計(jì)算或傳輸過(guò)程中,存在信號(hào)波動(dòng),可能導(dǎo)致誤動(dòng)?,F(xiàn)將4個(gè)觸發(fā)條件并列:中壓缸排汽壓力測(cè)點(diǎn)品質(zhì)正常,并網(wǎng)信號(hào)(BR)存在, PLU信號(hào)發(fā)出,機(jī)組轉(zhuǎn)速>3 030 r/min,避免PLU誤動(dòng)。
2.1.2 觸發(fā)邏輯二
當(dāng)汽機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)某一設(shè)定值時(shí),OPC信號(hào)輸出,觸發(fā)FCB功能。試驗(yàn)時(shí),OPC信號(hào)輸出轉(zhuǎn)速設(shè)置為>3 040 r/min。
當(dāng)汽機(jī)功率高于50%額定負(fù)荷,機(jī)械功率和發(fā)電機(jī)功率之差大于30%時(shí),PLU信號(hào)才會(huì)輸出。因此,在低負(fù)荷下,PLU不會(huì)觸發(fā)FCB功能,故由OPC信號(hào)來(lái)觸發(fā)FCB,2種觸發(fā)邏輯并列設(shè)置。
a)觸發(fā)邏輯一,汽機(jī)轉(zhuǎn)速要求>3 030 r/min;邏輯二,OPC信號(hào)輸出轉(zhuǎn)速設(shè)置為>3 040 r/min。原因是:其一,觸發(fā)轉(zhuǎn)速過(guò)高,將進(jìn)一步推高汽機(jī)峰值轉(zhuǎn)速,峰值轉(zhuǎn)速一旦達(dá)到或超過(guò)ETS設(shè)定值,高、中壓主汽門(mén)將會(huì)關(guān)閉,F(xiàn)CB試驗(yàn)失敗。其二,電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值和沖擊負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變化均為±0.2 Hz[2],頻率波動(dòng)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變動(dòng)范圍在3 000±12 r/min之內(nèi);當(dāng)電網(wǎng)故障,機(jī)組失去外部負(fù)荷后,汽機(jī)轉(zhuǎn)速快速升高,遠(yuǎn)高于3 012 r/min。因此,將PLU的觸發(fā)轉(zhuǎn)速設(shè)置為>3 030 r/min,OPC的觸發(fā)轉(zhuǎn)速設(shè)置為>3 040 r/min,確保在較低的轉(zhuǎn)速下觸發(fā)FCB功能,抑制后續(xù)轉(zhuǎn)速?zèng)_高峰值。FCB過(guò)程中,機(jī)組自帶廠用電,電壓、頻率波動(dòng)范圍寬,對(duì)廠內(nèi)大型電機(jī)存在不利影響,應(yīng)盡量將汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制在2 850~3 150 r/min之間,滿足發(fā)電機(jī)帶廠用電的頻率需求。
b)在FCB功能試驗(yàn)前,應(yīng)屏蔽機(jī)組甩負(fù)荷預(yù)判(LDA)功能。LDA功能的主要邏輯為:調(diào)節(jié)級(jí)壓力大于30%(即機(jī)組負(fù)荷高于30%額定負(fù)荷),且發(fā)電機(jī)油開(kāi)關(guān)從閉合到斷開(kāi)的瞬間,汽機(jī)尚未超速,LDA動(dòng)作OPC關(guān)閉高、中壓調(diào)門(mén),負(fù)荷降至零,維持機(jī)組3 000 r/min轉(zhuǎn)速。可見(jiàn),LDA功能快于上述2個(gè)FCB邏輯動(dòng)作觸發(fā)。而FCB試驗(yàn)的首要步序就是在高負(fù)荷下,斷開(kāi)變壓器開(kāi)關(guān),使機(jī)組脫網(wǎng),失去外部負(fù)荷,恰滿足LDA動(dòng)作條件。因此,試驗(yàn)前,應(yīng)將LDA功能屏蔽。
這一設(shè)置的目的是避免長(zhǎng)信號(hào)壓制其他指令的發(fā)出,從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,2 s的脈沖信號(hào)是合適的。
FCB功能觸發(fā)后,輸出控制指令,動(dòng)作相關(guān)設(shè)備。其輸出邏輯指令,均為無(wú)延時(shí)動(dòng)作指令。
a)主變壓器高壓送出側(cè)201主開(kāi)關(guān)跳閘。試驗(yàn)開(kāi)始前,需要DCS強(qiáng)制送出主變壓器201開(kāi)關(guān)跳閘信號(hào),機(jī)組啟動(dòng)FCB試驗(yàn)。FCB動(dòng)作后,要自動(dòng)斷開(kāi)變壓器出線201開(kāi)關(guān),使機(jī)組和電網(wǎng)斷開(kāi)連接,形成機(jī)組帶廠內(nèi)設(shè)備“孤島”運(yùn)行的條件。
b)汽機(jī)電超速保護(hù)(OPC)動(dòng)作。PLU觸發(fā)時(shí),需OPC動(dòng)作電磁閥關(guān)閉高、中壓調(diào)節(jié)閥。OPC觸發(fā)時(shí),OPC會(huì)在FCB動(dòng)作之前或同時(shí)動(dòng)作;此時(shí),OPC動(dòng)作,屬于冗余設(shè)置,防止FCB拒動(dòng)。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,OPC觸發(fā)信號(hào)早于PLU觸發(fā)信號(hào)約500 ms。
c)鍋爐主燃料跳閘保護(hù)(MFT)動(dòng)作,延時(shí)2 s后,鍋爐BT動(dòng)作。根據(jù)循環(huán)流化床蓄熱量較大的特性,鍋爐MFT切斷主燃料供應(yīng),保留爐側(cè)風(fēng)機(jī)等較大運(yùn)載負(fù)荷,使得汽輪機(jī)制動(dòng)扭矩較大,有效抑制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速飛升幅度。隨著汽機(jī)轉(zhuǎn)速趨穩(wěn),鍋爐因汽包水位變化而導(dǎo)致鍋爐BT;延時(shí)2 s BT,使得負(fù)荷階梯型下降,轉(zhuǎn)速相對(duì)好控制。
d)發(fā)指令高旁閥開(kāi)度10% 。其目的有二,一是起到暖管的作用;二是為汽輪機(jī)切缸、汽泵用汽和輔汽提供汽源。隨后,高旁開(kāi)度隨負(fù)荷(或壓力)要求進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)。
e)汽泵汽源自動(dòng)切換至再熱器冷段管道供汽。
f)聯(lián)啟電泵,電泵運(yùn)行信號(hào)存在且延時(shí)2 s,發(fā)指令跳閘12汽泵。聯(lián)啟電泵,一是為防止汽泵汽源切換失敗,2臺(tái)汽泵跳閘,造成機(jī)組BT動(dòng)作;其二,為確保鍋爐穩(wěn)定供水。由于抽汽壓力的突降,汽泵汽源自動(dòng)切換至輔助蒸汽或冷再供汽,汽源量存在短暫減小波動(dòng),自動(dòng)跳閘1臺(tái)汽泵,利于汽源穩(wěn)定,跳停2號(hào)汽泵,形成一汽一電運(yùn)行,確保供水;電泵運(yùn)行平穩(wěn)后,視汽包水位情況停運(yùn)1號(hào)汽泵。
g)發(fā)指令至PCV閥,其動(dòng)作定值在原值基礎(chǔ)上降低3 MPa。
h)輔汽供除氧器調(diào)門(mén)發(fā)出10%開(kāi)度指令。輔汽供除氧器調(diào)門(mén)發(fā)出10%開(kāi)度指令,保證除氧器供汽,確保前置泵入口壓力穩(wěn)定。
i)輔汽汽源自動(dòng)切換至冷再供汽(單機(jī)運(yùn)行工況下)或臨機(jī)輔汽供汽。
在進(jìn)行多次FCB相關(guān)各類(lèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,完成了機(jī)組高負(fù)荷狀態(tài)下FCB功能試驗(yàn)。2015年10月13日, 1號(hào)機(jī)組功率250 MW,轉(zhuǎn)速3 001 r/min,汽輪機(jī)順閥方式,閥位92%的運(yùn)行狀態(tài)下,進(jìn)行了FCB試驗(yàn)。13日21:21:36,DCS強(qiáng)制輸出主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)信號(hào),模擬電網(wǎng)故障,機(jī)組失去全部外部負(fù)荷,自動(dòng)切換為帶廠用變運(yùn)行;21:21:36:500,機(jī)組測(cè)得轉(zhuǎn)速為3 087.3 r/min,OPC超速信號(hào)發(fā)出,F(xiàn)CB功能觸發(fā)。同時(shí),OPC控制電磁閥快速關(guān)閉高壓調(diào)門(mén)和中壓調(diào)門(mén),負(fù)荷降至30.67 MW;FCB功能同步發(fā)出鍋爐MFT、高旁開(kāi)啟、電泵啟動(dòng)等信號(hào);隨著負(fù)荷降低,機(jī)組切至中壓缸進(jìn)汽模式,自動(dòng)進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。21:21:39鍋爐BT后,機(jī)組負(fù)荷最終降至8.06 MW。FCB過(guò)程中機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍為121.5~2 920.73 r/min,發(fā)電機(jī)出口電壓波動(dòng)范圍為22.74~23.21 kV,滿足各重要輔機(jī)用電要求。FCB動(dòng)作20 min之后,重新啟動(dòng)爐側(cè)風(fēng)機(jī),開(kāi)始恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行;21:49:27機(jī)組再次并網(wǎng),各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定。FCB試驗(yàn)過(guò)程中,機(jī)組孤島運(yùn)行28 min,試驗(yàn)基本取得成功,機(jī)組各項(xiàng)控制功能完善,F(xiàn)CB邏輯準(zhǔn)確無(wú)誤。
a)FCB功能相較于機(jī)組100%甩負(fù)荷試驗(yàn),對(duì)控制系統(tǒng)的要求更加嚴(yán)格。因此,機(jī)組FCB功能的實(shí)現(xiàn),不僅提高機(jī)組的自動(dòng)化控制水平和抗突發(fā)事故的處理能力,而且能實(shí)現(xiàn)機(jī)組在電網(wǎng)解列后,帶廠用電“孤島運(yùn)行”的能力,在電網(wǎng)缺陷消除后,使機(jī)組快速恢復(fù)向電網(wǎng)供電。
b)FCB試驗(yàn)的實(shí)施,證實(shí)了該機(jī)組已基本具備FCB功能,驗(yàn)證了FCB控制邏輯、觸發(fā)功能和動(dòng)作邏輯準(zhǔn)確無(wú)誤。對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)負(fù)荷較低,山西省內(nèi)各廠普遍存在單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的情況,F(xiàn)CB功能可在機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí),最大限度保障機(jī)組安全,避免全廠停電事故,快速恢復(fù)機(jī)組的運(yùn)行。在當(dāng)前特殊形勢(shì)下,具有重要意義。
c)本次FCB試驗(yàn)尚有許多不足之處,機(jī)組未能進(jìn)行100%滿負(fù)荷試驗(yàn),并取得相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。FCB觸發(fā)邏輯和動(dòng)作邏輯,尚有改進(jìn)的余地。比如,增設(shè)發(fā)電機(jī)零功率觸發(fā)邏輯[3],在變壓器出線開(kāi)關(guān)故障或外輸功率為零時(shí),觸發(fā)FCB功能。
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