廣西華磊新材料有限公司發(fā)電廠 李建軍 趙 平

1 前言

FCB（FAST CUT BACK，快速切負(fù)荷）是機組從正常運行方式快速甩掉當(dāng)前所帶負(fù)荷，過渡到僅帶5%廠用負(fù)荷的運行方式，也就是“小島運行”[1]。FCB功能于上世界80年代隨日本三菱機組引入中國，但在國內(nèi)發(fā)展較慢。自2001年美國加州大停電后，國內(nèi)各電網(wǎng)公司開始大力研究電網(wǎng)停電后的“黑啟動”技術(shù)，因為電網(wǎng)停電后發(fā)電機組在沒有任何外來電源的條件下，進(jìn)行“黑啟動”是非常困難的，對于火電機組更是難上加難。如果在電網(wǎng)事故停電后能保留一部分電源點，就能隨時向外供電，使電網(wǎng)盡快恢復(fù)供電，而火電機組的FCB功能，正是在電網(wǎng)故障時能使機組幸存下來的重要功能。

2 項目情況

2.1 循環(huán)流化床鍋爐

循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)是上世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的新技術(shù)，是工業(yè)化程度最高的潔凈煤燃燒技術(shù)[2]，具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、高效脫硫、氮氧化物(NOx)排放低[2]、燃燒強度高，負(fù)荷調(diào)節(jié)快、燃料預(yù)處理系統(tǒng)簡單、給煤點少等優(yōu)點，成為煤矸石、油頁巖、城市垃圾、淤泥和其他廢棄物等難燃固體燃料能源利用的先進(jìn)技術(shù)，隨著近年來循環(huán)流化床鍋爐已經(jīng)很好的解決了熱力學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)等基礎(chǔ)問題和膨脹、磨損、超溫等工程問題。作為世界上能源技術(shù)發(fā)展的三大方向之一，該技術(shù)在不斷地在工業(yè)鍋爐和電站鍋爐行業(yè)得到實踐和發(fā)展，近年來，在國內(nèi)投產(chǎn)的循環(huán)流化床鍋爐不斷增加，而且向大容量、高參數(shù)發(fā)展（600MW或以上亞臨界、超臨界等級）[3]。

2.2 機組情況

某發(fā)電廠鍋爐為單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天島式布置、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)超臨界循環(huán)流化床鍋爐,每臺爐共配套8臺NJGC-30D/40T型稱重式給煤機,用天然氣進(jìn)行點火啟動；汽輪機為超臨界、中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、八級回?zé)岢槠?、抽汽凝汽式汽輪機，配置2×50%BMCR汽動給水泵，中壓缸排汽管道上安裝有一個低壓供熱調(diào)節(jié)閥（BV閥）。配QFSN－350－2－20型的水氫氫冷、機端自并勵發(fā)電機。鍋爐與汽輪機熱力系統(tǒng)采用單元制布置，發(fā)變組采用單元方式接入公司220kV升壓站，啟動/備用電源通過啟備變從局域網(wǎng)倒送方式。

鍋爐出口蒸汽參數(shù)25.4MPa/571℃/556℃,過熱器出口安裝兩個安全閥，單個容量為107.1t/h，兩個PCV閥，單個容量為76.5t/h；再熱器出口安裝兩個安全閥，單個容量為100.3t/h，兩個向空排汽閥，單個容量為150t/h。該機組采用定參數(shù)高中壓缸聯(lián)合啟動方式，并設(shè)置了兩級串聯(lián)夜動的高、低壓旁路系統(tǒng)，其中高旁容量為80%BMCR，低旁容量為2×30%BMCR。

機組DCS及DEH選用的是HOLLiAS MACS V6.5.3火電版系統(tǒng)。

該發(fā)電廠建有3×350MW超臨界循環(huán)流化床熱電聯(lián)產(chǎn)機組，送出線路為220kV，并入某局域網(wǎng)，配套建有40萬噸500kA電解鋁及320萬噸氧化鋁，發(fā)電廠主要向電解鋁供電、氧化鋁供高低壓蒸汽，單臺機組高壓供汽最大流量為250t/h，抽汽參數(shù)為7.2MPa/384.9℃；低壓供汽最大流量為125t/h，抽汽參數(shù)為1.05MPa/361.1℃。該局域網(wǎng)目前只有9臺機組，已與大電網(wǎng)完全斷開，總裝機容量為5×350+2×150+2×135=2320MW，主要有兩個電源點、兩個用戶，單機容量占比高達(dá)15%，超過了8-10%的要求，局域網(wǎng)的調(diào)度原則為“自發(fā)自用、互為安?！?。若電網(wǎng)故障或機組停運后，電解鋁面臨著限產(chǎn)、抽鋁水，氧化爐面臨著限產(chǎn)、悶罐等巨大風(fēng)險，且停電時間越長損失越巨大，因此電網(wǎng)故障后，需要機組盡快啟動、電網(wǎng)盡快恢復(fù)正常，若此時機組FCB功能成功，能隨時向外供電，能盡快恢復(fù)電解、氧化鋁企業(yè)用電、用汽需求，減少經(jīng)濟(jì)損失。有的局域網(wǎng)，自己建有大容量柴油發(fā)電機，滿足單臺機組啟動時廠用電的需求，但是當(dāng)電網(wǎng)故障后，從柴油發(fā)電機啟動到火電機組極熱態(tài)啟動、并網(wǎng)，至少需要時間3小時。

3 FCB功能研究與應(yīng)用

由于該超臨界循環(huán)流化床鍋爐機組并入局域網(wǎng)，電網(wǎng)容量比較小，抗干擾能力差，因此機組非常有必要具備FCB功能，即機組在實現(xiàn)快速甩負(fù)荷，不引起停機停爐保護(hù)動作，帶廠用電穩(wěn)定運行，同時要保證各運行參數(shù)的變化在安全范圍內(nèi)，不危及設(shè)備安全，以便有可能在較短的時間內(nèi)重新并網(wǎng)。

FCB是機組在異常工況下的負(fù)荷控制，集模擬量控制和開關(guān)量控制于一體，是一種復(fù)雜的復(fù)合控制系統(tǒng)，它對主輔設(shè)備可靠性、自動化程度要求高，需要FSSS、MCS、DEH、旁路控制系統(tǒng)以及發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)等協(xié)調(diào)工作、共同來完成。

3.1 FCB功能控制策略分析

3.1.1 鍋爐給水控制

當(dāng)FCB發(fā)生后，由于汽輪機的調(diào)門快速關(guān)閉，主蒸汽流量大幅度突降，而給水流量的下降速度相對要慢一點，從而造成工質(zhì)的嚴(yán)重不平衡，引起過熱度的大幅度波動[4]，因此給水控制的難度比較大，影響因素也比較多，所以采用多階遲滯控制方式是必要的。

在正常運行時，汽動給水泵的汽源來自于四段抽汽，在FCB工況發(fā)生后，四段抽汽的壓力迅速下降，需要將汽動給水泵的汽源由四抽供汽切換至輔汽供汽模式，維持汽輪機轉(zhuǎn)速。

在FCB工況發(fā)生時，由于主汽壓力劇烈上升，給水流量可能會發(fā)生瞬間降至極低流量，在壓力平穩(wěn)后，給水流量迅速增大的情況，故要考慮在FCB工況發(fā)生時，需要根據(jù)實際實驗情況對鍋爐主保護(hù)中的給水流量保護(hù)進(jìn)行確認(rèn)。

3.1.2 爐膛壓力控制

為了滿足FCB發(fā)生后鍋爐快速減負(fù)荷，鍋爐側(cè)勢必要快速減煤、減風(fēng)，那么爐膛負(fù)壓會劇烈變化，采用以下方法來抑制爐膛負(fù)壓大范圍波動：優(yōu)化爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其具有很強的快速性和準(zhǔn)確性；增加兩臺給煤機跳閘的間隔時間，給調(diào)節(jié)器提供一定的調(diào)整時間；適當(dāng)放緩二次風(fēng)風(fēng)量的下調(diào)速度（放大二次風(fēng)調(diào)節(jié)的積分時間），遲滯負(fù)壓的負(fù)向劇烈變化；增加FCB發(fā)生后爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)器自動投自動的邏輯。

3.1.3 鍋爐燃燒控制

將FCB信號引入鍋爐主控出口處，當(dāng)FCB觸發(fā)后，切除鍋爐主控及汽機主控自動，F(xiàn)CB信號為切換開關(guān)，燃料主控指令切換至FCB目標(biāo)燃料量，還需增加以下邏輯：燃料主控制器以及各給煤系統(tǒng)調(diào)節(jié)器自動投自動的邏輯；鍋爐主控切為跟隨模式，按一定的降負(fù)荷速率減煤至最低直流負(fù)荷運行下的主汽壓力；采取間隔跳閘給煤機的方式，自上而下跳閘至預(yù)設(shè)的臺數(shù)，并考慮汽溫；根據(jù)二次風(fēng)量與對應(yīng)煤量關(guān)系自動調(diào)整調(diào)節(jié)二次風(fēng)，并增加自動投自動的邏輯；一次風(fēng)控制自動調(diào)整，并增加自動投自動的邏輯。

3.1.4 主蒸汽及再熱蒸汽壓力控制

當(dāng)突然甩負(fù)荷的工況出現(xiàn)時，為了快速泄去鍋爐負(fù)荷（壓力、流量），通常采取的辦法有三個，一是快速切除燃料，二是快開旁路系統(tǒng)，三是打開PCV閥進(jìn)行泄壓。

設(shè)定負(fù)荷，F(xiàn)CB動作后聯(lián)開PCV閥泄壓，壓力到一定值后聯(lián)關(guān)PCV閥。

3.1.5 汽溫控制

FCB發(fā)生后，由于負(fù)荷的劇烈變化、燃料量的快速下降以及高加的切除等等，汽溫控制也相對較難。對于汽溫控制，需增加以下邏輯或優(yōu)化：FCB發(fā)生后聯(lián)關(guān)減溫水門并自動投自動。

3.1.6 汽機轉(zhuǎn)速控制

FCB動作后DEH切至汽機空轉(zhuǎn)下的轉(zhuǎn)速控制模式，在此基礎(chǔ)上加入頻率的一次調(diào)頻回路或孤網(wǎng)預(yù)判邏輯[5]。

3.1.7 模擬量控制系統(tǒng)

煤礦機械工作環(huán)境十分惡劣，空氣中多伴有粉塵水汽等物質(zhì)，同時環(huán)境十分潮濕。為延長機械的使用壽命，就必須在日常工作中加強維護(hù)保養(yǎng)，禁止所有不規(guī)范的操作流程。此外，還要選擇某一固定時間檢測機械設(shè)備，第一時間更換損耗過重的機械部件，徹底清除安全隱患，保證井下作業(yè)的安全。在機械設(shè)備的操作過程中要嚴(yán)格遵循適度原則，盡可能防止發(fā)生超載和超速的現(xiàn)象，有效預(yù)防由于過度使用導(dǎo)致的機械損耗，提高機械設(shè)備使用效率。

FCB的發(fā)生是突然的，人為的調(diào)整和干預(yù)是根本實現(xiàn)不了的，所以模擬量控制系統(tǒng)就顯得尤為重要，需要著重注意以下幾方面：

FCB發(fā)生后鍋爐主控切手動，按一定速率降負(fù)荷至預(yù)定負(fù)荷；汽機主控切為DEH轉(zhuǎn)速控制；其他子系統(tǒng)應(yīng)保持自動運行方式；FCB是極其劇烈的工況，過程中大部分參數(shù)有可能即將達(dá)到極限，為防止因設(shè)定值與實際值偏差大切除手動，放大或解除偏差大切手動的條件；對于某些FCB工況下緊急投入的系統(tǒng)在自動投自動時，跟蹤當(dāng)前設(shè)定值的大小要重點考慮，如旁路控制的壓力設(shè)定、減溫水設(shè)定等；根據(jù)FCB的惡劣工況，優(yōu)化模擬量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)。

3.1.8 其他系統(tǒng)控制

FCB發(fā)生時，機組帶廠用負(fù)荷，修改電氣滅磁開關(guān)不跳閘、發(fā)電機脫網(wǎng)不跳閘汽輪機，發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)必須處于(AVR)自動方式，修改勵磁系統(tǒng)定子電壓限制定值在一個比較保守的范圍。

當(dāng)FCB發(fā)生后，除氧器、凝汽器的水位有可能出現(xiàn)大幅度波動，這就需要在FCB過程中快速的實現(xiàn)工質(zhì)及能量的平衡，應(yīng)采取以下幾點措施：優(yōu)化以加速除氧器的補水調(diào)節(jié)系統(tǒng)；及時并平滑的切換除氧器汽源；由于FCB后除氧器的大量補水、低旁快開大量減溫水的投入，凝結(jié)水需求量會急劇上升，同時低旁的打開導(dǎo)致大量汽水進(jìn)入凝汽器造成其水容器液位急劇上升，可以聯(lián)啟一臺備用凝結(jié)水泵，滿足水系統(tǒng)相互間的暫態(tài)平衡；因低旁打開，大量的排汽至凝汽器，導(dǎo)致凝汽器壓力急劇上升，可以聯(lián)啟一臺備用真空泵的方法抑制凝汽器壓力的上升。

3.2 FCB功能邏輯框圖

FCB為機組與電網(wǎng)解列，汽機維持3000rpm，鍋爐不滅火，且機組帶廠用電的運行模式，此部分邏輯在DCS系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)[6]。通過討論，優(yōu)化邏輯，該廠FCB功能邏輯框圖如圖1所示。

圖1 FCB功能邏輯框圖

3.3 FCB功能試驗

考慮到局域網(wǎng)的特殊性，僅進(jìn)行30MW左右負(fù)荷FCB工況試驗。

3.3.1 FCB投入條件（與）

運行人員FCB功能手動投入；無MFT動作；汽機未跳閘。

3.3.2 FCB觸發(fā)條件

發(fā)電機出口主開關(guān)分閘位置（人為斷開發(fā)電機主開關(guān)觸發(fā)FCB）。

3.3.3 FCB信號復(fù)位條件（或）

運行人員手動復(fù)位；汽機跳閘；FCB觸發(fā)后，延時180s。

3.3.4 FCB試驗動作過程

該發(fā)電廠1號機組2018年08月24日開始做FCB試驗，試驗前機組負(fù)荷32MW，汽輪機轉(zhuǎn)速3009 rpm，主汽壓力9.8MPa，主汽溫度502℃，再熱壓力0.75MPa，再熱溫度510℃。18:15:10運行人員手動分開200A開關(guān)，觸發(fā)FCB動作，同時OPC動作，最高轉(zhuǎn)速至3125rpm，之后轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。FCB動作后，發(fā)電機能維持廠用電運行，汽機在轉(zhuǎn)速控制模式下維持轉(zhuǎn)速在3000rpm，發(fā)電機有功16.9MW，主變有功基本為零，母線電壓10.5kV，鍋爐各參數(shù)運行正常，機組部分參數(shù)變化情況如圖2所示，18:23:25機組再次并網(wǎng)，帶初負(fù)荷18MW。

圖2 1號機組FCB動作后部分參數(shù)曲線

2號機組、3號機組FCB試驗分別完成，F(xiàn)CB動作后，發(fā)電機能維持廠用電運行，汽機在轉(zhuǎn)速控制模式下維持轉(zhuǎn)速在3000rpm，鍋爐能維持各參數(shù)正常運行。

其它設(shè)備動作過程如下：DEH控制方式由CCS控制切換至轉(zhuǎn)速控制，OPC動作，所有調(diào)門先關(guān)后開。機組維持3000rpm；關(guān)閉高低壓抽汽快關(guān)閥；跳閘2臺兩側(cè)給煤機（負(fù)荷＞50%），降給煤機轉(zhuǎn)速至對應(yīng)的負(fù)荷（45%）給煤量；高旁閥和低旁閥開關(guān)按照高低旁邏輯執(zhí)行；打開過熱器出口PCV閥（負(fù)荷＞105MW，開左側(cè)，負(fù)荷＞175MW開左右側(cè)），PCV閥聯(lián)關(guān)條件為主汽壓力低于26.13MPa，脈沖關(guān)閉，若壓力達(dá)不到自動關(guān)條件無法達(dá)到，需手動關(guān)閉；聯(lián)啟備用真空泵；打開VV閥；關(guān)閉高排逆止閥；輔汽至軸封調(diào)閥投自動，軸封溢流閥投自動，軸封減溫水投自動；關(guān)閉過熱器、再熱器減溫水調(diào)閥及電動門；關(guān)閉高低加抽汽電動門和抽汽逆止門，打開高低加疏水門；打開機側(cè)主再熱蒸汽系統(tǒng)疏水門；冷再至輔汽電動門快速打開、電動調(diào)節(jié)門快速開啟至30%，自動投入自動，維持輔汽聯(lián)箱壓力輔汽汽源切換至冷再供汽。關(guān)閉四抽供輔汽電動門；自動關(guān)閉各監(jiān)視段抽汽逆止門、電動門；自動開啟各監(jiān)視段抽汽管道疏水電動門、氣動門；自動開啟汽機本體疏水閥。

實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，表明FCB功能能夠滿足機組安全穩(wěn)定運行需要。為了確保FCB動作后的安全生產(chǎn)，防止設(shè)備損壞，做好各種事故預(yù)想，根據(jù)試驗情況，不斷優(yōu)化，制定鍋爐專業(yè)、汽機專業(yè)、電氣專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)卡，定期培訓(xùn)，實行標(biāo)準(zhǔn)化操作，減少人員失誤，防止鍋爐超溫、汽輪機超速等各種風(fēng)險。

4 結(jié)語

從機組FCB試驗情況來看，各項設(shè)計功能均能夠長期正常投入，滿足運行要求。但是因區(qū)域電網(wǎng)的特殊性，只進(jìn)行了低負(fù)荷的FCB試驗，另外每次動作的條件、設(shè)備運行狀況也不一樣，比如機組負(fù)荷、流量、壓力、溫度等參數(shù)以及調(diào)節(jié)閥門開度、調(diào)節(jié)區(qū)間、調(diào)節(jié)量等都是不一樣，在隨后的幾次機組甩負(fù)荷后，F(xiàn)CB有成功的、也有不成功的，F(xiàn)CB動作后需要運行人員密切關(guān)注各重要參數(shù)，若自動控制不能維持參數(shù)正常，應(yīng)盡快手動干預(yù)。FCB動作是否成功的關(guān)鍵在于旁路控制、冷再至輔汽調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)、給水流量控制等。為了確保FCB功能實現(xiàn)，要定期進(jìn)行仿真試驗、高旁低旁開關(guān)性能試驗，結(jié)合實際動作情況進(jìn)行優(yōu)化，對其邏輯、運行方式等進(jìn)行優(yōu)化，從而滿足電網(wǎng)需求。