李鵬，趙啟成

(中國(guó)電力建設(shè)工程咨詢中南有限公司，武漢 430000)

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其影響力也不斷增強(qiáng)。2001年美國(guó)加州和2008年2月美國(guó)佛羅里達(dá)州的大面積停電，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钤斐闪撕艽笥绊慬1]；2008年我國(guó)南方因冰雪天氣引起的電網(wǎng)大范圍癱瘓，讓過半數(shù)的中國(guó)人度過了一個(gè)異常“難忘”的春節(jié)。人們對(duì)電網(wǎng)安全重要性的認(rèn)識(shí)在不斷增強(qiáng)。

除加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)以增加其可靠性外，發(fā)電廠機(jī)組快速甩負(fù)荷帶廠用電(FCB)功能的建設(shè)也引起了越來越高的關(guān)注。FCB功能對(duì)提高電網(wǎng)的安全性有著極大的作用，也大大降低了自備電廠的投資[1]。

1 FCB工況概述

1.1 FCB工況定義

FCB指在電力系統(tǒng)故障或電廠內(nèi)部故障造成發(fā)電機(jī)突然甩去部分負(fù)荷或全負(fù)荷的情況下，鍋爐在保證在不停爐的前提下快速減少負(fù)荷并穩(wěn)定燃燒，待事故消除后迅速恢復(fù)機(jī)組正常運(yùn)行[1]。

1.2 FCB工況功能

FCB可維持帶廠用電“孤島運(yùn)行”或者“停機(jī)不停爐”，其主要功能如下[2]。

(1)對(duì)電網(wǎng)：有助于電網(wǎng)在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，減少停電事故造成的損失。

(2)對(duì)電廠：有助于發(fā)電機(jī)組的正常停運(yùn)，同時(shí)減少停機(jī)次數(shù)，提高電廠的經(jīng)濟(jì)安全性。

(3)對(duì)鋁廠、鋼廠等自備電站：在工藝設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，維持孤網(wǎng)運(yùn)行，故障排除后，快速恢復(fù)全廠供電，最大程度上減少停電造成的損失。

1.3 FCB工況下的控制流程

在FCB全過程中，過熱器和再熱器安全閥不開啟；在FCB工況投入初期(過渡狀態(tài))，汽機(jī)主蒸汽(以下簡(jiǎn)稱主汽)閥快速關(guān)閉，汽機(jī)旁路快速打開；如果鍋爐負(fù)荷不能相應(yīng)快速降低，主汽壓力會(huì)升高，這時(shí)鍋爐過熱器出口壓力調(diào)節(jié)閥(PCV閥)會(huì)短暫打開，排放一定量的蒸汽；隨著鍋爐負(fù)荷降低，主汽壓力恢復(fù)正常，PCV閥關(guān)閉；FCB工況穩(wěn)定運(yùn)行期間，PCV閥都是關(guān)閉的，不能排放蒸汽。

2 主要熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 汽機(jī)旁路系統(tǒng)

(1)高壓旁路(以下簡(jiǎn)稱高旁)閥一般按照60%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)設(shè)置[2]，鍋爐過熱器出口PCV閥系統(tǒng)按40%BMCR主汽量設(shè)置，這樣可以確保100%的蒸汽通流量，確保FCB工況投入初期鍋爐過熱器安全閥不打開。許多歐洲國(guó)家以核電和水電作為基本負(fù)荷，用大型火電廠調(diào)峰，常采用100%BMCR的高旁。

(2)低壓旁路(以下簡(jiǎn)稱低旁)容量按高旁出口流量配置，包括高旁減溫水量。

(3)高、低旁采用液動(dòng)旁路。高旁具有快開功能；低旁具有快開和快關(guān)功能。

2.2 除氧器

FCB瞬時(shí)除氧器出水與進(jìn)水工質(zhì)存在差值。FCB會(huì)造成除氧器水位急劇下降，故要求除氧器具有一定水容積。適當(dāng)增加水箱容積，增加投資不大，但可以有效提高FCB瞬時(shí)機(jī)組安全性。除氧器有效容積可為在除氧器凝結(jié)水?dāng)嗨畷r(shí)，滿足BMCR工況運(yùn)行8 min的給水流量。除氧器有效容積此時(shí)為正常水位與低水位間容積差。

FCB工況時(shí)汽機(jī)四段抽汽已經(jīng)解列。除氧器加熱汽源為再熱冷段，從輔汽聯(lián)箱引接管道至除氧器的加熱蒸汽管道。再熱冷段至輔汽聯(lián)箱管道和輔汽至除氧器管道上設(shè)置快開調(diào)節(jié)閥。輔汽聯(lián)箱本身就有穩(wěn)壓的作用，快開調(diào)節(jié)閥全部打開僅需要2 s，而一般調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)開度不大于75%，所以系統(tǒng)完全可以滿足FCB瞬態(tài)加熱要求。而且該系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資較少。

2.3 給水泵

對(duì)于汽動(dòng)給水泵，正常汽源為四段抽汽，當(dāng)FCB瞬態(tài)時(shí)，需要切換到備用汽源再熱冷段，控制較復(fù)雜[3]；若采用電動(dòng)給水泵則不存在切換問題，有利于FCB工況瞬態(tài)的機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 高壓缸排汽通風(fēng)閥

機(jī)組投入FCB帶廠用電運(yùn)行時(shí)，中壓缸帶廠用負(fù)荷運(yùn)行[2]。在汽輪機(jī)高壓缸排汽管路設(shè)置高壓缸排汽通風(fēng)閥(以下簡(jiǎn)稱高排通風(fēng)閥)。高排通風(fēng)閥的設(shè)計(jì)通風(fēng)流量應(yīng)滿足高壓缸不超溫，防止機(jī)組高排通風(fēng)閥超溫跳閘。高排通風(fēng)閥應(yīng)直接接入排汽裝置或凝汽器，接口處應(yīng)設(shè)置減溫消能裝置。

2.5 末端冷卻裝置

機(jī)組外部負(fù)荷甩掉時(shí)，低旁閥打開，進(jìn)入末端冷卻裝置(空冷或水冷凝汽器)的熱量瞬間激增，此時(shí)需校核熱量增加時(shí)機(jī)組背壓變化，需確保不因背壓升高引起跳機(jī)。

2.6 再熱壓力選取

FCB工況設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是再熱壓力的選取。由于甩負(fù)荷帶廠用電負(fù)荷率較低(一般為5%到10%)，所需進(jìn)汽量小。若再熱蒸汽壓力過(以下簡(jiǎn)稱再熱壓力)低，蒸汽比容增大，則必須增加低壓旁路系統(tǒng)容量以維持低旁額定流量，導(dǎo)致投資增加，布置困難；若再熱壓力過高，則中壓調(diào)節(jié)閥(以下簡(jiǎn)稱中調(diào)閥)開度較小。再熱壓力為1.5 MPa，3.0 MPa時(shí)中調(diào)閥開度與流量的關(guān)系曲線如圖1所示：中調(diào)閥開度較小時(shí)，流量變化很大，易造成負(fù)荷波動(dòng)大；為了穩(wěn)定負(fù)荷、降低再熱汽壓力，增大閥門開度，此時(shí)流量對(duì)閥門開度敏感性較差。

圖1 中調(diào)閥開度與流量關(guān)系曲線

FCB工況設(shè)計(jì)的再熱壓力通常選取1.2 MPa。

2.7 運(yùn)行方式選擇

鑒于FCB運(yùn)行時(shí)機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行，應(yīng)優(yōu)先選擇中/低壓缸進(jìn)汽、高壓缸不進(jìn)汽的運(yùn)行方式,以提高機(jī)組運(yùn)行安全性，其優(yōu)點(diǎn)如下。

(1)高壓缸不進(jìn)汽使高壓缸高溫部件金屬溫度與蒸汽溫度間無負(fù)匹配，避免產(chǎn)生大的熱應(yīng)力。

(2)高壓缸不進(jìn)汽做功可增大中壓缸進(jìn)汽流量，直接增加低壓排汽流量，有利于低壓冷卻。

(3)高壓缸不進(jìn)汽，只需調(diào)節(jié)中調(diào)閥開度即可控制轉(zhuǎn)速、負(fù)荷，調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)單。

2.8 汽輪機(jī)入口參數(shù)要求

為避免中壓進(jìn)汽部分金屬溫度與蒸汽溫度間負(fù)匹配太大，應(yīng)控制中壓蒸汽的溫度：前期溫差越小越好，最高不超過40 ℃；機(jī)組穩(wěn)定后蒸汽溫度可降至機(jī)組極熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)的溫度，溫降率控制在2 ℃/min以內(nèi)。

3 FCB工況時(shí)機(jī)組的運(yùn)行控制調(diào)節(jié)

3.1 FCB投運(yùn)至穩(wěn)定運(yùn)行的過渡階段

FCB過渡階段，鍋爐、汽機(jī)及相關(guān)輔機(jī)均處在負(fù)荷及參數(shù)急劇變化的階段，通過相關(guān)的調(diào)節(jié)手段，保證機(jī)組不報(bào)警跳機(jī)，鍋爐安全閥不打開，使機(jī)組達(dá)到FCB穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)條件。

FCB工況發(fā)生時(shí)，汽機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)快速關(guān)閉，高壓調(diào)節(jié)閥(以下簡(jiǎn)稱高調(diào)閥)和中調(diào)閥延時(shí)2 s，同時(shí)將協(xié)調(diào)控制方式切換為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；若2 s后轉(zhuǎn)速持續(xù)超過3 000 r/min，則超速保護(hù)控制(OPC)動(dòng)作；待OPC動(dòng)作恢復(fù)后，中調(diào)閥重新打開；此后由DEH通過比例-積分-微分(PID)控制器對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，維持機(jī)組在3 000 r/min運(yùn)行。

FCB穩(wěn)定運(yùn)行階段，汽機(jī)采用中壓缸進(jìn)汽帶廠用電負(fù)荷，自動(dòng)調(diào)節(jié)中調(diào)閥帶廠用電運(yùn)行，維持汽機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，并通過高排通風(fēng)閥維持高壓缸溫度不過熱。

3.2 FCB結(jié)束階段

按汽機(jī)中壓缸啟動(dòng)程序，即可并網(wǎng)升負(fù)荷至滿負(fù)荷。

4 FCB工況案例分析

截至目前，沙特660 MW亞臨界機(jī)組、蘭溪600 MW超臨界機(jī)組、伊朗ARAK 325 MW亞臨界、印尼龍灣300 MW亞臨界機(jī)組等已成功完成了FCB功能試驗(yàn)。以沙特660 MW亞臨界機(jī)組FCB試驗(yàn)為例進(jìn)行試驗(yàn)分析，其典型時(shí)刻分散控制系統(tǒng)(DCS)顯示值見表1。

表1 沙特660 MW亞臨界機(jī)組FCB試驗(yàn)典型時(shí)刻汽機(jī)參數(shù)

注：統(tǒng)計(jì)點(diǎn)間隔為13 s。

機(jī)組從15:41:27(第44個(gè)統(tǒng)計(jì)點(diǎn))開始進(jìn)行試驗(yàn)，在接下來一個(gè)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)(13 s)內(nèi)，4個(gè)高調(diào)閥和2個(gè)中調(diào)閥迅速關(guān)閉，高、低旁閥迅速打開，同時(shí)轉(zhuǎn)速由3 611 r/min增加到3 778 r/min；主汽壓力由16.7 MPa升高到17.1 MPa；汽機(jī)負(fù)荷由額定迅速降低至39.7 MW。大約進(jìn)行7個(gè)統(tǒng)計(jì)周期(91 s)后：轉(zhuǎn)速經(jīng)過調(diào)速控制下降至3 628 r/min；主汽壓力開始下降至16.6 MPa；中調(diào)閥開度至約14%；汽機(jī)負(fù)荷小幅升至44.7 MW。經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)整，機(jī)組達(dá)到FCB工況穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，在16:18:51時(shí)：轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定3 600 r/min左右；中調(diào)閥開度至約16%；再熱壓力為1.2 MPa。

整個(gè)試驗(yàn)過程機(jī)組主要參數(shù)變化趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可以看出，在FCB工況投入初期(過渡狀態(tài))，汽機(jī)高調(diào)閥和中調(diào)閥快速關(guān)閉，高、低旁閥快速打開，主汽壓力升高，轉(zhuǎn)速飛升；而后中調(diào)閥打開，中壓缸進(jìn)汽，機(jī)組做功；經(jīng)過短暫的調(diào)整，轉(zhuǎn)速恢復(fù)額定，主汽壓力、主汽流量和功率經(jīng)過振蕩調(diào)整后維持穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 機(jī)組FCB過程中主要參數(shù)變化趨勢(shì)

沙特660 MW亞臨界機(jī)組的FCB試驗(yàn)中：當(dāng)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)為45～300個(gè)，再熱壓力為3.00～1.50 MPa，再熱閥開度為11%左右，負(fù)荷和流量處于波動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)為320～450個(gè)時(shí)，機(jī)組處于穩(wěn)定廠用電狀態(tài)，再熱壓力為1.17 MPa左右，再熱閥開度約為16.9%。試驗(yàn)驗(yàn)證了再熱壓力選取的正確性。

5 結(jié)束語

通過對(duì)汽輪機(jī)主要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證了機(jī)組FCB功能的可行性。其他FCB機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)可以借鑒。