國華臺電1000MW 機組FCB技術汽輪機系統(tǒng)應對策略

宋 勇 高志華

（神華廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東省臺山市，529228）

1 火電FCB技術概述

自從2001年美國加州大面積停電后，國內(nèi)各電網(wǎng)公司大力研究電網(wǎng)大面積停電后 “黑啟動”技術。因電網(wǎng)大面積停電后，發(fā)電機組，尤其是火力發(fā)電機組，在沒有任何外來電源的條件下進行 “黑啟動”，非常困難。采取技術應對措施，在電網(wǎng)大面積停電事故發(fā)生時能保留部分電源點，避免出現(xiàn)被迫實施 “黑啟動”的被動局面。通過保存下來、隨時能向外供電的發(fā)電機組，以星火燎原之勢，使電網(wǎng)恢復供電，以使因停電造成的損失降到最低。

FCB是指火電機組在電網(wǎng)或線路出現(xiàn)故障，而機組本身運行正常的情況下，機組主變出線高壓側(cè)開關跳閘，不聯(lián)跳汽輪機和鍋爐，汽輪機保持3000r／min，鍋爐快速減少燃料量，高、低壓旁路（簡稱高旁、低旁）快速開啟，實現(xiàn)機組僅帶從發(fā)電機和主變之間引出的廠用電的 “孤島運行”?；痣姍C組的FCB （Fast Cut Back）功能，正是為了應對 “黑啟動”這一局面的一項重要技術。

根據(jù)廣東電網(wǎng) 《基于大型火電機組FCB 技術的防止大面積停電電網(wǎng)自愈理論研究與實踐》工作規(guī)劃，由廣東省電力調(diào)度控制中心牽頭，國華臺電和廣東電科院共同研究，選取國華臺山電廠6 號1000 MW 機組為試點，通過技術改造和反復試驗，實現(xiàn)了國華臺山電廠在生產(chǎn)期改造具有FCB 功能的國內(nèi)首臺百萬機組的圓滿成功，其成為廣東電網(wǎng)名副其實的 “黑啟動”電源點。

2 國華臺山電廠FCB動作過程設計

2.1 國華臺山電廠1000 MW 汽輪機設備簡介

國華臺山電廠1000 MW 汽輪機為上汽公司引進西門子技術體系生產(chǎn)的產(chǎn)品，型號為N1000／26.25／600／600，高中壓聯(lián)合啟動、超超臨界、一次中間再熱、單軸、雙背壓、四缸四排汽。汽輪機采用定-滑-定運行方式。

旁路系統(tǒng)配置了100% BMCR 容量高壓旁路（由4×25%BMCR 閥組成），該旁路替代過熱器安全閥，作為主汽壓力調(diào)節(jié)閥，俗稱 “三用閥”系統(tǒng)。低壓旁路容量為65% BMCR，由2×32.5%BMCR 閥組成，另配100%再熱器安全閥。給水系統(tǒng)配置2×50%容量的汽動給水泵組，采用雙列高加，每列高加各設有給水大旁路。凝結(jié)水系統(tǒng)配置3×50%容量凝結(jié)水泵，正常運行兩運一備。2 號高加汽源來自低溫再熱汽母管，其他加熱器汽源來自汽輪機各段抽汽。除氧器正常由4段抽汽供汽，還有來自輔汽的汽源做備用。給水泵汽輪機汽源也由4段抽汽提供，另有輔汽蒸汽作為備用及啟動用汽源，輔助蒸汽汽源則由一期輔汽、7號機輔汽及該機冷再、四抽多路構成，正常運行由6、7號機的冷再汽源經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓后提供。

2.2 國華臺山電廠FCB動作過程

FCB由電網(wǎng)線路側(cè)根據(jù)故障情況發(fā)信號至安穩(wěn)裝置。安穩(wěn)裝置收到指令后，發(fā)指令跳開6號主變高壓側(cè)開關5041及5042。同時，發(fā)指令到發(fā)變組保護系統(tǒng)閉鎖，發(fā)電機出口斷路器806 開關跳閘。同時，發(fā)FCB 動作信號至汽輪機、鍋爐的熱控DCS 系統(tǒng)，啟動機、爐的FCB 動作過程。5041、5042開關跳開與系統(tǒng)解列后，發(fā)變組繼續(xù)運行，并經(jīng)2臺高壓廠用變壓器繼續(xù)帶約35 MW的廠用電負荷，鍋爐側(cè)保留3臺磨煤機快減熱負荷至47%左右，高、低壓旁路快開泄掉慣性能量后投入自動，按設定壓力調(diào)節(jié)維持主、再熱蒸汽壓力，汽輪機則由負荷控制模式切換為轉(zhuǎn)速控制模式，DEH 通過汽輪機調(diào)門控制汽輪機轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速維持在3000r／min。最終機組穩(wěn)定在發(fā)電機僅帶自身廠用電的 “孤島”運行方式，等待向系統(tǒng)送電或通過5042開關與系統(tǒng)重新并列。國華臺山電廠6號機接線如圖1所示。

3 FCB實施中汽輪機系統(tǒng)應對策略

3.1 FCB動作后的工質(zhì)能量平衡

具有大容量的旁路系統(tǒng)是工質(zhì)能量平衡的基本途徑，是FCB成功的先決條件。旁路可視作一個減溫減壓器，其控制功能和性能是FCB 成功的關鍵。FCB動作后汽輪機調(diào)門快關時，旁路通過快開功能以與汽輪機快關相當?shù)乃俣却蜷_高、低旁路，取代汽輪機的蒸汽通道，鍋爐帶旁路運行，保證鍋爐出口蒸汽形成通路而不超壓。在汽壓恢復后，控制汽壓和氣溫，滿足機組的運行要求。高旁控制主汽壓力，其配備的由主給水管道輸送來的減溫水，控制高旁的出口氣溫。另外，設計上高旁還要替代過熱器安全閥，即使當高旁投入而減溫水未投入時，高旁仍需投入運行，高旁閥后至再熱器入口管道按此進行管材選擇及強度核算，高旁閥后管道設計溫度525℃，材料為ASTM A691Cr2-1／4CrCL22。從再熱汽母管直接引至凝汽器的低壓旁路，控制中壓缸進汽壓力，其配備來自凝結(jié)水母管的減溫水，以控制低旁的出口氣溫。

旁路運行時，大部分蒸汽通過低旁在凝汽器內(nèi)冷卻后，形成工質(zhì)循環(huán)鏈。此外，還有小汽輪機、除氧器、2號高加使用冷段蒸汽并回收，在鍋爐滿負荷時甩負荷 （FCB）工況下，將有609t／h 蒸汽通過再熱安全門排入大氣。需要2臺500m3／h的凝結(jié)水輸送泵同時啟動，向系統(tǒng)補水，方能維持工質(zhì)循環(huán)鏈。

要實現(xiàn)鍋爐滿負荷時甩負荷 （FCB）工況，除了旁路系統(tǒng)按鍋爐的要求配置外，主汽、再熱及旁路蒸汽系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)、高加疏水系統(tǒng)中的設備參數(shù)、容量及管道材料選用、管徑，比一般工程要求高，特別是要求系統(tǒng)中的閥門控制應靈敏、開關速度快，以適應FCB劇烈工況擾動的要求。

3.2 維持鍋爐穩(wěn)定的汽輪機系統(tǒng)措施

從汽輪機系統(tǒng)角度，F(xiàn)CB 動作后若要保證鍋爐工況穩(wěn)定，就必須保證給水供給穩(wěn)定，并維持足夠的熱量，以避免因鍋爐流量不足而跳閘，或因工質(zhì)在鍋爐加熱不夠帶來的金屬溫度劇降，甚至產(chǎn)生水沖擊。

FCB動作后，由于汽輪機負荷驟降至僅帶廠用電負荷，汽輪機調(diào)門會關至很小開度。這時，為防止汽輪機水沖擊，將會切除汽輪機本體的各部分抽汽，從而使各級加熱器、除氧器失去熱源，鍋爐的給水溫度大幅下降。另外，給水泵汽輪機汽源由4段抽汽供汽也將失去，從而使進入鍋爐的給水失去動力。

經(jīng)過反復論證、試驗，針對國華臺山電廠的加熱量、除氧器、給水泵汽輪機氣源、輔助蒸汽系統(tǒng)，采取了相應的措施，具體如下。

3.2.1 加熱器

由于2號高加汽源來自于冷再母管，由于有高旁作用，冷再蒸汽仍然富足。在FCB 動作時，2號高加不需切除汽源，繼續(xù)保持運行，既能起到回收冷再工質(zhì)及熱量，減少冷再壓力溫升，避免對高壓缸葉片的損害作用，又加熱了給水，減少了鍋爐進水的溫降。設計上2號高加雙列布置，設計參數(shù)按高壓旁路閥后設計壓力7.53MPa，溫度425℃，材料為12Cr1MoVG。2號高加疏水由正常逐級自流管道切換至事故疏水管道，引至凝汽器。為防止高旁開啟后，冷再溫度劇烈上升而造成2號高加過負荷損壞，從邏輯上設計FCB 觸發(fā)后，2 號高加進汽電動門自動關小至10%開度。2號高加邏輯變更如圖2所示。

圖2 2號高加邏輯變更圖

由于汽輪機甩負荷的劇烈工況變化，不可避免地對加熱器水位產(chǎn)生大幅擾動，水位高至保護值時，原邏輯中加熱器水側(cè)泄漏保護將會把加熱器切至旁路，這將使加熱器恢復運行操作復雜化。因此FCB動作時，不必將加熱器水側(cè)切旁路，在邏輯上也增加了FCB 啟動時閉鎖加熱器切旁路邏輯。同時，增加FCB 啟動后，預開加熱器危急疏水門15%開度的邏輯，減少FCB對加熱器水位的擾動。

3.2.2 除氧器

除氧器采用上海動力設備有限公司生產(chǎn)的GC-3250／GS-350型一體化除氧器，水箱有效容積350m3，可滿足機組BMCR 工況6.7 min的給水量，滿足機組TRL 工況7.1 min的給水量。在機組FCB工況下，除氧器水位會發(fā)生劇烈波動，除氧器加熱4段抽汽蒸汽立即失去供應，導致除氧器壓力劇減而發(fā)生汽化，有可能引起汽動前置泵汽蝕。但是，可以通過從主蒸汽系統(tǒng)—高壓旁路—再熱冷段管道—輔助蒸汽聯(lián)箱—除氧器的緊急汽源的設置，維持除氧器壓力穩(wěn)定；也可以通過對除氧器最低水位設置，以及對3臺凝結(jié)水泵、凝結(jié)水補給水泵的快速啟動，維持除氧器水位，不會導致除氧器斷水及給水溫度急劇變化，也不會導致因除氧器壓力急劇降低而引起的給水泵組汽蝕。在鍋爐滿負荷時甩負荷 （FCB）工況下，除氧器溫升不受限制，由此計算除氧器緊急汽源量為492t／h （按溫升120℃計算）。為簡化系統(tǒng)，不再從冷段單獨引一路到除氧器，而是考慮此工況下冷段蒸汽經(jīng)減壓后先到輔助蒸汽聯(lián)箱，然后由輔助蒸汽聯(lián)箱到除氧器。在進行除氧器招標時已考慮此工況，在除氧器技術協(xié)議中規(guī)定安全閥采用進口產(chǎn)品，每臺除氧器設置4 個彈簧全啟式安全閥，總排汽量約為720t／h。為了滿足鍋爐滿負荷時甩負荷 （FCB）工況下除氧器加熱用汽進汽量，輔助蒸汽聯(lián)箱至除氧器的管道加大為?820mm×16mm。

附后氧器加熱汽源邏輯變更如圖3所示。除氧器控制邏輯變更如下：自動開輔汽至除氧器關斷門；如果輔汽壓力高于除氧器壓力，則將輔汽至除氧器調(diào)節(jié)閥設定10%開度 （試驗所得數(shù)值）后切手動。

圖3 除氧器加熱汽源邏輯變更圖

3.2.3 給水泵汽輪機汽源

正常運行時，汽動給水泵的汽源取自汽輪機4級抽汽，主汽輪機甩負荷后，抽汽壓力迅速跌落，必須迅速將其切換自輔助蒸汽聯(lián)箱供汽。該機組由于高壓旁路的快速開啟，作為備用汽源的冷段蒸汽依然存在。在汽源切換期間要滿足2方面要求：一是，鍋爐煤水比的不平衡在允許范圍內(nèi)，即氣溫不超溫；二是，保持鍋爐水動力的穩(wěn)定，即滿足鍋爐水冷壁最小循環(huán)流量要求，水冷壁出口溫度控制在允許范圍內(nèi)。

為滿足鍋爐滿負荷時甩負荷 （FCB）工況下給水泵汽輪機進汽量，輔助蒸汽聯(lián)箱至給水泵汽輪機的母管規(guī)格加大為?630mm×13mm，支管加大為?457mm×9 mm。供汽門采用氣動速動型，當FCB啟動時，供汽門快速打開，使給水泵汽輪機汽源保持連續(xù)，維持鍋爐給水及高旁減溫水供給。

3.2.4 輔助蒸汽系統(tǒng)

為滿足鍋爐滿負荷時甩負荷 （FCB）工況下除氧器、給水泵汽輪機進汽量，再熱冷段至輔助蒸汽聯(lián)箱管道進行的增容設計，減壓閥前管道材料采用12Cr1MoVG，規(guī)格為?480mm×18mm，減壓調(diào)節(jié)閥后管道材料采用20號鋼，規(guī)格為?820×16。

機組在額定負荷時甩負荷 （FCB）工況下，高壓旁路進口前參數(shù)為26.25 MPa （a），600℃。當4個高壓旁路閥的噴水減溫均正常時，高壓旁路出口參數(shù)為6.26 MPa（a），400℃。當4個高壓旁路閥中的一個噴水減溫器因故障不能噴水時，4個高壓旁路出口母管至輔助蒸汽聯(lián)箱的蒸汽參數(shù)為6.26 MPa（a），427℃。再熱冷段至輔助蒸汽聯(lián)箱減壓調(diào)節(jié)閥后壓力，可通過調(diào)節(jié)閥控制輔助蒸汽系統(tǒng)的正常工作壓力0.8～1.3 MPa （a），其相應的蒸氣溫度為388～392℃，不會超過輔助蒸汽系統(tǒng)的設計溫度393℃。

通過現(xiàn)場試驗，將冷再至輔汽減壓調(diào)節(jié)閥邏輯變更為當FCB啟動時，預開30%開度后，自動投入自動調(diào)節(jié)，維持輔汽聯(lián)箱壓力。

3.3 凝結(jié)水系統(tǒng)維持汽輪機自身系統(tǒng)安全穩(wěn)定的措施

為讓凝結(jié)水系統(tǒng)滿足機組FCB 功能，對低旁入口蒸汽量、低旁減溫水量、小汽輪機排汽量、2號高加疏水量、補水量進行核算，凝泵總出力應達到滿足3770 （2010+740+180+320+520）t／h，按設計出力，3臺凝結(jié)水泵同時投入運行可滿足要求。在凝結(jié)水泵選型時，已按 《火力發(fā)電廠設計技術規(guī)程》的規(guī)定予以考慮，對國華臺電6號機組最大出力試驗也驗證了凝結(jié)水泵出力滿足要求。

為了充分保證FCB 動作后除氧器、凝汽器的水位穩(wěn)定。同時，保證低壓旁路的減溫水供給，在控制邏輯上也進行了優(yōu)化。一是，F(xiàn)CB 觸發(fā)后，自動啟動備用第3臺凝結(jié)水泵，并將變頻運行的凝結(jié)水泵自動將變頻指令加滿，以增加出力，并保持3臺泵出力平衡。將FCB 加到 “非首次”啟動條件中，可以實現(xiàn)啟動備用泵，并將頻率提高到50Hz的目的。二是，當FCB觸發(fā)后，根據(jù)當前凝結(jié)水母管壓力情況，除氧器上水調(diào)節(jié)閥自動關小適當開度，以充分利用除氧器大容量裕度，來滿足低壓旁路減溫水需求。

在保證凝汽器熱井水位，機組配有1 臺500 m3的補給水箱，配備2臺500m3／h的凝結(jié)水輸送泵。當FCB觸發(fā)后自動啟動并提前補水，同時將凝汽器補水水位設定值適當提高100mm，以滿足對聯(lián)啟凝結(jié)水泵造成熱井水位急劇下降的補償要求。

3.4 其他控制邏輯的適應性調(diào)整

3.4.1 低旁壓力設定值

FCB動作后冷再的壓力值要從兩方面考慮，一是要滿足冷再保證輔汽汽源壓力需求，二是要保證高壓缸的壓降，避免高壓缸末級葉片鼓風損壞。結(jié)合現(xiàn)場試驗，國華臺電將FCB后低壓旁路壓力設定值定為2MPa，這一數(shù)值很好地滿足了兩者要求。

表1 FCB功能試驗數(shù)據(jù)

3.4.2 凝汽器

由于FCB動作后低旁、加熱器疏水等大量熱源涌入，凝汽器易過負荷，造成真空下降，增加FCB觸發(fā)后聯(lián)開水幕噴水邏輯，以及聯(lián)啟備用真空泵邏輯。

4 應對策略驗證

在經(jīng)過反復論證及準備性試驗后，國華臺電6號機組于2013年7月4日和11月7日分別進行了50%負荷FCB 動作試驗和100%負荷FCB 動作試驗，有關試驗數(shù)據(jù)見表1。

5 結(jié)論

通過試驗表明，為FCB 預設的控制邏輯動作正確，各相關參數(shù)在預計范圍內(nèi)變化，滿足了鍋爐和汽輪機的工況穩(wěn)定要求，為FCB 功能實現(xiàn)奠定了堅實的基礎。FCB功能已正式在國華臺電6號機組投入使用，為維護廣東電網(wǎng)安全運行提供了有力的支持。

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