白常青

(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)西上莊低熱值煤熱電有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引言

近年來(lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)電力設(shè)備制造和裝機(jī)水平已處于世界前沿，電網(wǎng)規(guī)模日趨龐大，電網(wǎng)的安全性也受到嚴(yán)峻考驗(yàn)。尤其是在2001年美國(guó)加州地區(qū)大停電事件之后，國(guó)內(nèi)各大電力企業(yè)結(jié)合國(guó)外的研究成果，開(kāi)展了如何在電網(wǎng)崩潰時(shí)能使機(jī)組幸存下來(lái)，避免被迫實(shí)施“黑啟動(dòng)”相關(guān)技術(shù)研究。2008年我國(guó)南方地區(qū)雨雪冰凍災(zāi)害導(dǎo)致湖南省大面積輸電線塔倒塌，造成湖南大面積停電，郴州電網(wǎng)成為全國(guó)關(guān)注的“電力孤島”，雖然郴州地區(qū)成功實(shí)施了3次“黑啟動(dòng)”，用水電機(jī)組啟動(dòng)火電機(jī)組，進(jìn)而以點(diǎn)帶面逐漸恢復(fù)電網(wǎng)供電。如果我國(guó)的火力發(fā)電機(jī)組具備FCB功能就可以在電網(wǎng)崩潰時(shí)幸存，對(duì)加速電網(wǎng)恢復(fù)具有社會(huì)價(jià)值和意義。也正是2008年的雨雪冰凍災(zāi)害促使我國(guó)電力領(lǐng)域認(rèn)識(shí)到火力發(fā)電機(jī)組實(shí)施FCB功能的重要性和緊迫性，加快了FCB功能的研究。目前我國(guó)有多個(gè)電力企業(yè)成功實(shí)施了FCB功能，本文結(jié)合廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司二期百萬(wàn)機(jī)組、浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司4×600 MW機(jī)組、上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司百萬(wàn)千瓦級(jí)機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱百萬(wàn)機(jī)組)情況，在借鑒經(jīng)驗(yàn)、參考分析的基礎(chǔ)上提出陽(yáng)煤西上莊2×660 MW熱電機(jī)組實(shí)現(xiàn)FCB功能的完善建議。

1 FCB功能及意義

FCB指火電機(jī)組在電網(wǎng)或線路出現(xiàn)故障而機(jī)組本身運(yùn)行正常的情況下，機(jī)組主變壓器(以下簡(jiǎn)稱主變)出線開(kāi)關(guān)跳閘，不聯(lián)跳汽輪機(jī)和鍋爐，發(fā)電機(jī)帶機(jī)組的廠用電運(yùn)行，汽輪機(jī)保持3 000 r/min，鍋爐快速減少燃料量，高低壓旁路快速開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)機(jī)組僅帶廠用電的“孤島運(yùn)行”方式。

適用于FCB功能的3種情況：停網(wǎng)不停電(發(fā)電機(jī))；停電不停機(jī)(汽輪機(jī))；停機(jī)不停爐。其中停網(wǎng)不停電(發(fā)電機(jī))方式是火力發(fā)電機(jī)組最惡劣的運(yùn)行工況，也是對(duì)機(jī)組設(shè)備、運(yùn)行技術(shù)和控制性能的重大挑戰(zhàn),是火電機(jī)組最難實(shí)現(xiàn)、風(fēng)險(xiǎn)最大的功能，同時(shí)也是火力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)崩潰時(shí)能使機(jī)組幸存下來(lái)成為“星星之火”的重要功能。實(shí)施FCB功能的火力發(fā)電機(jī)組具有如下社會(huì)價(jià)值和意義。

(1)有利于加快電網(wǎng)恢復(fù)，降低電網(wǎng)事故損失。因電網(wǎng)或電廠出線造成發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)解列時(shí)，試想，如果電廠具備FCB功能，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)解列帶廠用電運(yùn)行的能力，將有助于電網(wǎng)在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常,其社會(huì)效益也不能簡(jiǎn)單地用數(shù)字衡量，同時(shí)也是該電廠在社會(huì)活動(dòng)中的另一種價(jià)值體現(xiàn)。

(2)有利于降低電廠運(yùn)行成本。在事故性質(zhì)方面，與鍋爐發(fā)生主燃料跳閘(MFT)工況相比，F(xiàn)CB 工況的觸發(fā)條件屬于可處理故障，停網(wǎng)不停電(發(fā)電機(jī))、停電不停機(jī)(汽輪機(jī))或停機(jī)不停爐，都維持著較高的運(yùn)行參數(shù)，機(jī)組處于極熱態(tài)、熱備用狀態(tài)，事故原因一經(jīng)確認(rèn)、消除，機(jī)組在極熱態(tài)下重新啟動(dòng)升負(fù)荷可以節(jié)省大量時(shí)間和能耗，對(duì)降低電廠運(yùn)行成本十分有益。

(3)有利于延長(zhǎng)設(shè)備壽命。一般地火電發(fā)電廠熱力機(jī)械設(shè)備的壽命計(jì)算是以金屬應(yīng)力變化幅度和次數(shù)作為依據(jù)，應(yīng)力和溫度存在函數(shù)關(guān)系。鍋爐極端的變工況應(yīng)該是帶滿負(fù)荷時(shí)突然發(fā)生MFT，溫度變化幅度最大，如果機(jī)組不設(shè)計(jì)FCB功能，那么發(fā)生FCB動(dòng)作的條件毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)引起鍋爐MFT動(dòng)作，金屬應(yīng)力變化幅度和次數(shù)肯定增加，將有損于設(shè)備性能。而成功實(shí)施FCB功能將使鍋爐熱力參數(shù)運(yùn)行在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，降低了設(shè)備損耗也就等同于延長(zhǎng)了機(jī)組使用壽命[1]。

上述充分說(shuō)明，具有FCB功能的發(fā)電機(jī)組可以保證熱力系統(tǒng)參數(shù)不超過(guò)安全定值,維持預(yù)定目標(biāo)運(yùn)行以及設(shè)備和人員的安全。因此，新建超超臨界國(guó)產(chǎn)機(jī)組FCB 功能的實(shí)施和應(yīng)用，將對(duì)電廠在能源革命環(huán)境下生存具有特別的意義。

2 陽(yáng)煤西上莊項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)FCB功能分析

國(guó)家在“十三五”期間加強(qiáng)了能源領(lǐng)域綠色低碳環(huán)保的規(guī)劃，火力發(fā)電企業(yè)迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。最近幾年隨著“十三五”規(guī)劃的逐步實(shí)施，火力發(fā)電企業(yè)也加強(qiáng)了綠色低碳環(huán)保的投入，但在全國(guó)火電份額日趨收緊且呈下降發(fā)展趨勢(shì)的當(dāng)下，如何提高火電企業(yè)生存的地位也成為國(guó)內(nèi)電力企業(yè)研究重點(diǎn)。陽(yáng)煤西上莊2×660 MW熱電機(jī)組項(xiàng)目地處山西省東大門陽(yáng)泉市，地理位置突出，是華北西部電網(wǎng)、山西中東部電網(wǎng)解環(huán)和改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高供電可靠性規(guī)劃的電源建設(shè)點(diǎn)，是陽(yáng)泉市西部地區(qū)唯一的支撐電源點(diǎn)，也是陽(yáng)泉市西部地區(qū)民生供熱的唯一熱源點(diǎn)。如何提高電網(wǎng)適應(yīng)性和電網(wǎng)崩潰情況下的生存機(jī)會(huì)，作為一個(gè)新建項(xiàng)目有必要進(jìn)行充分的技術(shù)分析和論證。

2.1 主輔機(jī)配置情況

陽(yáng)煤西上莊2×660 MW熱電機(jī)組項(xiàng)目，鍋爐采用哈鍋制造的超超臨界參數(shù)、直流鍋爐、單爐膛П型布置、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)；前后墻對(duì)沖燃燒方式、運(yùn)轉(zhuǎn)層以下封閉布置、固態(tài)排渣，型號(hào)為HG-2080/28.25-PM10。制粉系統(tǒng)采用雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)正壓直吹式制粉，微油點(diǎn)火，設(shè)2臺(tái)豪頓華三分倉(cāng)空氣預(yù)熱器,燃用低熱值無(wú)煙煤，3大風(fēng)機(jī)各采用2臺(tái)50%容量的動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)。汽機(jī)采用哈汽制造的高效超超臨界、一次中間再熱、間接空冷、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為CJK660-27/0.4/600/610。汽機(jī)高低壓旁路系統(tǒng)采用兩級(jí)串聯(lián)旁路,容量為額定工況下40% BMCR 流量。高壓加熱器采用大旁路系統(tǒng)，抽氣系統(tǒng)采用8級(jí)回?zé)?。給水系統(tǒng)采用1臺(tái)容量為100%的汽動(dòng)給水泵和1 臺(tái)30%的電動(dòng)啟動(dòng)給水泵。除氧器可滑壓運(yùn)行。凝結(jié)水系統(tǒng)采用2臺(tái)100%的永磁調(diào)速凝結(jié)水泵。真空系統(tǒng)采用2 臺(tái)100%容量的水環(huán)真空泵。發(fā)電機(jī)采用水氫氫冷卻，自并勵(lì)靜止勵(lì)磁方式，型號(hào)為QFSN-660-2。機(jī)組工藝系統(tǒng)采用低溫省煤器，干式電袋除塵器和濕式電除塵器，SCR脫硝系統(tǒng)，石灰石-石膏濕法脫硫的超低排放工藝路線。儀控設(shè)備采用北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司制造的HOLLiAS MACS-K控制系統(tǒng)全廠一體化控制方案。

2.2 實(shí)現(xiàn)FCB難點(diǎn)分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)電廠的研究，F(xiàn)CB控制難點(diǎn)是發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)解列后，汽輪機(jī)大幅度甩負(fù)荷，轉(zhuǎn)速飛升的抑制，汽機(jī)超溫、熱應(yīng)力、軸系的平衡；鍋爐汽水系統(tǒng)超壓和降溫的突變控制。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，汽機(jī)旁路容量越大越有利于實(shí)施FCB功能，目前國(guó)內(nèi)百萬(wàn)機(jī)組基本都設(shè)有FCB功能，比如成功實(shí)施FCB功能的上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司百萬(wàn)機(jī)組和廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司二期百萬(wàn)機(jī)組，這2個(gè)電廠都是100%容量高壓旁路閥(以下簡(jiǎn)稱高旁)+65%容量低壓旁路閥(以下簡(jiǎn)稱低旁)+100%再熱安全閥；但也有600 MW等級(jí)機(jī)組通過(guò)優(yōu)化控制和技術(shù)改造后也成功實(shí)施FCB功能的案例，比如浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司4×600 MW機(jī)組，其汽機(jī)旁路40%容量的高低壓兩級(jí)串聯(lián)旁路。

前面已述，具有FCB功能的機(jī)組通?？梢詫?shí)現(xiàn)停網(wǎng)不停電(發(fā)電機(jī))、停電不停機(jī)(汽輪機(jī))、停機(jī)不停爐3種情況。這3個(gè)情況最不易實(shí)現(xiàn)的就是停網(wǎng)不停電(發(fā)電機(jī))，即帶廠用電運(yùn)行。陽(yáng)煤西上莊電廠在設(shè)計(jì)之初只考慮了后2種功能的實(shí)現(xiàn)，由于西上莊項(xiàng)目在電網(wǎng)中以帶基本負(fù)荷為主，兼具一定調(diào)峰功能，所以汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)未考慮帶廠用電運(yùn)行功能，旁路容量最終按40%設(shè)計(jì)，這樣給FCB實(shí)現(xiàn)帶廠用電運(yùn)行功能帶來(lái)一定困難。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)停網(wǎng)不停電(發(fā)電機(jī))這種惡劣工況對(duì)機(jī)組熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的要求，也是實(shí)現(xiàn)FCB功能的難點(diǎn)[2]。

2.2.1 主汽、再熱和旁路管道的設(shè)計(jì)

要求在FCB工況下高、低旁閥后管徑按旁路容量+減溫水量考慮，這樣給水泵和凝結(jié)水泵出口流量也需要考慮FCB工況下的減溫水量。由于高旁減溫水取自給水泵出口，低旁減溫水取自凝結(jié)水泵出口，陽(yáng)煤西上莊項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)FCB功能，旁路閥后管徑和水泵出口流量還需滿足FCB停網(wǎng)不停電(發(fā)電機(jī))工況下的余量。

2.2.2 汽水系統(tǒng)工質(zhì)的平衡與回收

機(jī)組FCB動(dòng)作后，由于汽水系統(tǒng)工質(zhì)平衡被打破，如果旁路系統(tǒng)不是大旁路設(shè)計(jì)，那么大量的工質(zhì)將被安全閥排出，如何快速向系統(tǒng)補(bǔ)充工質(zhì)是常規(guī)兩級(jí)串聯(lián)旁路(30%～40%)實(shí)現(xiàn)FCB停網(wǎng)不停電(發(fā)電機(jī))功能必須要考慮的難點(diǎn)。除了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要留有余量外，還需要控制系統(tǒng)優(yōu)化邏輯和有關(guān)參數(shù)。陽(yáng)煤西上莊項(xiàng)目旁路容量是40% 鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)，鍋爐設(shè)計(jì)有電磁安全閥(PVC閥)，過(guò)熱器和再熱器設(shè)有彈簧安全閥，配置上滿足快速釋放壓力的要求，但在滿負(fù)荷工況發(fā)生FCB時(shí)，如何使汽水系統(tǒng)快速實(shí)現(xiàn)新的平衡，還需要考慮增加可調(diào)節(jié)型再熱器安全閥，按不超壓的原則控制，當(dāng)其開(kāi)啟時(shí)只排放多余的蒸汽，這對(duì)改善FCB工況下的工質(zhì)平衡極為有利；從幾家成功實(shí)施FCB功能的電廠經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在FCB動(dòng)作后期對(duì)工質(zhì)的補(bǔ)充仍顯緊張，陽(yáng)煤西上莊項(xiàng)目凝汽器補(bǔ)水系統(tǒng)取消了凝結(jié)水補(bǔ)水箱，改為直接由化學(xué)除鹽水變頻泵補(bǔ)水，需要除鹽水泵出力選型設(shè)計(jì)滿足FCB工況下快速大量補(bǔ)水的要求。

2.2.3 輔助蒸汽系統(tǒng)汽源的切換

100% FCB工況下，由于抽氣系統(tǒng)被破壞，汽動(dòng)給水泵、高壓除氧器需要考慮切換到再熱冷段，要求輔助蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)汽源可切換到再熱冷段，考慮在FCB工況下再熱冷段至輔汽系統(tǒng)，輔汽系統(tǒng)至除氧器、小汽機(jī)管道的管徑能滿足通流和熱力性能要求。陽(yáng)煤西上莊項(xiàng)目輔汽系統(tǒng)備用汽源為再熱冷段，并且單臺(tái)100%容量的小汽機(jī)設(shè)計(jì)有汽源內(nèi)部切換功能，配置上滿足實(shí)現(xiàn)FCB功能的要求，但需要根據(jù)FCB工況設(shè)計(jì)管徑的通流能力，熱力性能應(yīng)能滿足再熱冷段蒸汽參數(shù)。

2.2.4 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司4×600 MW機(jī)組的改造經(jīng)驗(yàn)，需要優(yōu)化電氣FCB信號(hào)的組成，需要將零功率跳機(jī)、發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)合位和主蒸汽閥開(kāi)3個(gè)信號(hào)相與作為電氣FCB信號(hào)。汽輪機(jī)FCB信號(hào)采用電氣FCB信號(hào)和發(fā)變組保護(hù)未動(dòng)作信號(hào)相與。鍋爐FCB信號(hào)采用RS觸發(fā)器的輸出信號(hào)(如圖1所示)，其中“置位”采用電氣FCB信號(hào)和鍋爐負(fù)荷>35%相與，“復(fù)位”為RS觸發(fā)器輸出信號(hào)延時(shí)60 s，該RS觸發(fā)器為復(fù)位優(yōu)先方式[3-7]。

圖1 鍋爐FCB信號(hào)Fig.1 Boiler FCB signal

此外，由于陽(yáng)煤西上莊項(xiàng)目未設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)出口斷路器，還需要優(yōu)化廠用電切換條件，在電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電機(jī)變壓器組出口斷路器跳閘，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，不切換廠用電，由發(fā)電機(jī)帶廠用電進(jìn)行孤島運(yùn)行；機(jī)、電、爐大連鎖邏輯按照借鑒經(jīng)驗(yàn)，需增加解除機(jī)、電、爐大聯(lián)鎖的反向保護(hù)功能的邏輯，即當(dāng)FCB功能投入時(shí)，自動(dòng)退出“零功率切機(jī)動(dòng)作聯(lián)鎖發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作”“汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)動(dòng)作聯(lián)鎖鍋爐MFT動(dòng)作(負(fù)荷大于額定工況的40%)”保護(hù)。另外，還需要對(duì)模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)、汽輪機(jī)旁路控制系統(tǒng)(BPS)的邏輯參數(shù)優(yōu)化滿足FCB工況，需修改勵(lì)磁系統(tǒng)初始給定值，以防FCB動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)過(guò)電壓。

3 實(shí)現(xiàn)FCB功能的建議

FCB功能的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要機(jī)組工藝系統(tǒng)、設(shè)備、控制等統(tǒng)籌配置和協(xié)調(diào)控制。陽(yáng)煤西上莊2×660 MW熱電機(jī)組項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)FCB功能，建議在機(jī)組下一步選型和設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)事前設(shè)計(jì)，按照FCB工況下機(jī)組能量快速平衡和回收的原則，優(yōu)化汽輪機(jī)旁路控制邏輯和參數(shù)，提高快速響應(yīng)性；合理選擇鍋爐安全閥排泄流量和工質(zhì)補(bǔ)充的優(yōu)化設(shè)計(jì)。建議優(yōu)化汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)邏輯控制機(jī)組轉(zhuǎn)速飛升；電氣FCB邏輯判斷條件和廠用電切換條件，優(yōu)化機(jī)組大聯(lián)鎖保護(hù)協(xié)調(diào)關(guān)系等。

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析，陽(yáng)煤西上莊2×660 MW熱電機(jī)組項(xiàng)目在主輔設(shè)備選型配置和工藝系統(tǒng)路線選擇上已基本具備實(shí)施FCB功能。當(dāng)前受國(guó)家政策影響，煤電機(jī)組比重降低，非化石能源比重增高，國(guó)家為消納非化石能源，要求煤電機(jī)組參與大幅度調(diào)峰。而組成非化石能源結(jié)構(gòu)的水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組，受特定的季節(jié)和時(shí)間約束，新能源發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的沖擊增大，電網(wǎng)可靠性降低。陽(yáng)煤西上莊項(xiàng)目作為區(qū)域骨干支撐電源點(diǎn)，下一步應(yīng)結(jié)合火電靈活性改造政策在校核設(shè)備出力和控制系統(tǒng)邏輯優(yōu)化的基礎(chǔ)上，可利用基建調(diào)試期對(duì)FCB功能實(shí)施100%和75%負(fù)荷情況下的FCB功能試驗(yàn)。