快速甩負荷功能在循環(huán)流化床機組的試驗

劉永剛，田正彬，梁殿程

（山西京玉發(fā)電有限責任公司，山西 朔州 037200）

0 引言

快速甩負荷功能FCB(fast cut back)功能[1]是當發(fā)電機組快速甩負荷時，使機組不停運的一種控制措施。本文FCB功能指機組快速甩負荷至帶廠用電運行方式，即“小島”運行；機組在電網(wǎng)或輸電線路出現(xiàn)故障時，瞬間失去全部對外供電負荷的情況下，自動快速減負荷至廠用電，并維持機組帶廠用電運行的功能。

1 某電廠1號機組參數(shù)

鍋爐型號：SG-1178/18.64-M4504，為循環(huán)流化床，亞臨界，一次中間再熱汽包爐。每臺機組汽包設3臺25.7%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量B-MCR（boiler-maximum continue rate）的機械式安全閥，整定壓力21.0 MPa；過熱器設2臺7.8%BMCR容量的電氣壓力控制閥PCV（pressure control valve），整定壓力 19.24 MPa；過熱器設 3臺13.5%B-MCR容量機械式安全閥，整定壓力19.40 MPa；再熱器入口設3臺23.4%B-MCR容量的機械式安全閥，整定壓力為5.2 MPa；再熱器出口設2臺13.5%B-MCR容量的機械式安全閥，整定壓力4.82 MPa。

汽輪機采用NZK300-17.75/540/540型，亞臨界、一次中間再熱、直接空冷單元機組。每臺機組設高、低壓兩級串連旁路系統(tǒng)，設1個70%BMCR容量的高壓旁路閥，設2個55%B-MCR容量的低壓旁路閥。汽輪機為中壓缸啟動，高、中壓缸切換點為10%汽機最大連續(xù)出力工況T-MCR（turbine maximum continue rate）流量；中壓缸啟動機組，有利于帶低負荷長時間運行[2]。機組啟動或低負荷運行時，高壓缸高排通風閥打開，可控制高壓缸葉片鼓風加熱溫度，不存在超溫現(xiàn)象。

給水和凝結水系統(tǒng)：每臺汽輪發(fā)電機組設置2臺50%B-MCR容量的汽動給水泵，1臺30%B-MCR容量的電動調速給水泵；汽動給水泵汽源為內切換模式，可由輔助蒸汽、四段抽汽和冷再供汽提供。設2臺100%B-MCR容量電動凝結水泵，可變頻控制。

風機系統(tǒng)：每爐設置2臺50%容量動葉可調軸流式引風機，1臺100%容量動葉可調軸流式二次風機、1臺100%容量變頻離心式一次風機和3臺50%容量流化風機。

單元機組設置分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system），主機控制系統(tǒng)為新華XDPS400+，設有爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS（furnace safeguard supervisory system），鍋爐具備主燃料跳閘MFT（master fuel trip）、鍋爐跳閘 BT（boiler tripped）等保護功能；汽機設有汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)DEH（digital electro-hydraulic control），汽輪機危急遮斷保護系統(tǒng)ETS（emergency trip system），能夠實現(xiàn)汽機103%和110%額定轉速超速保護OPC（over-speed control）、具有功率不平衡 PLU(power load unbalance)和甩負荷預測LDA（load drop anticipation）等功能；2臺機組在調試期間均成功進行了50%和100%甩負荷試驗。

2 FCB功能試驗綜述

2.1 試驗方式

此次FCB試驗，是建立在機組各系統(tǒng)原有功能之上，未對系統(tǒng)進行大規(guī)模改造，通過控制流化床鍋爐燃燒工況，來實現(xiàn)FCB功能。循環(huán)流化床鍋爐在正常運行中，床體積蓄大量燃料，熱慣性大，試驗中如僅采取鍋爐MFT，床料仍將正常燃燒，在機組現(xiàn)有設備的配置下，旁路系統(tǒng)或難以滿足需要，導致超溫、超壓，危及設備安全。因此，試驗方式設定鍋爐MFT，先切斷燃料，隨后鍋爐BT，依次停運爐側風機，使鍋爐逐漸進入“壓火”狀態(tài)；機側首先進行大功率甩負荷，OPC超速保護動作，機組快速減負荷至廠用電功率，并逐漸保持穩(wěn)定。

2.2 FCB觸發(fā)條件

a）FCB試驗設置的觸發(fā)條件為機組PLU信號觸發(fā)或轉速超速OPC信號觸發(fā)（FCB投入狀態(tài)下，在內置數(shù)字信號處理器DSP（digital signal processor）卡內修改超速觸發(fā)值為3 040 r/min）。兩者任一條件成立，即可觸發(fā)FCB動作[3]。

b）FCB試驗前，應屏蔽機組LDA功能，防止降負荷至零功率；試驗時，DCS發(fā)信號模擬斷開或人工斷開主變壓器出線側201開關，模擬電網(wǎng)故障，滿足LDA功能觸發(fā)條件，LDA功能觸發(fā)速度快于FCB觸發(fā)速度。為防止LDA提前動作，將LDA功能屏蔽。

2.3 FCB觸發(fā)后的主要動作對象

a）發(fā)變組出口高壓側201開關跳閘。確保和外網(wǎng)隔斷，發(fā)電機切換至帶高廠變運行，形成內部“小島”運行條件。

b） OPC電磁閥動作。如為電超速信號觸發(fā)FCB功能，同時OPC電磁閥動作；如PLU信號觸發(fā)FCB功能，F(xiàn)CB輸出信號控制OPC電磁閥動作[4]。關閉相關關斷閥和調節(jié)閥。

c）鍋爐MFT動作，延時2 s后，鍋爐BT動作（自動或手動）。

d）聯(lián)啟電泵，電泵運行信號存在且延時2 s，發(fā)指令跳閘12號汽泵。

e）發(fā)指令至鍋爐PCV閥，其動作定值在原值基礎上降低3 MPa。

f）發(fā)指令高旁閥開度10%，隨后轉為自動調節(jié)，保證后續(xù)用汽。

g）汽泵汽源自動切換至冷再供汽。

h）輔汽供除氧器調門，在FCB動作后，自動開啟至20%。

2.4 鍋爐控制

FCB功能觸發(fā)后，鍋爐首先MFT，切斷主燃料[5]，利用爐側各類風機的較大負荷，拖住汽輪機轉速的快速升高；由于循環(huán)流化床鍋爐積蓄燃料多，僅MFT，不能滿足快速降低鍋爐負荷的要求；延遲幾秒后，汽包低水位超限，鍋爐BT，或視情況手動BT；隨后，一次風機、二次風機、流化風機等間隔跳停，徹底切斷燃燒條件，僅利用爐內積蓄的熱量來控制蒸汽溫度和壓力。

2.5 汽輪機控制

在FCB功能觸發(fā)時或觸發(fā)后，OPC電磁閥動作，迅速關斷高、中調門和汽輪機各段抽汽逆止閥；汽輪機負荷瞬間降低，由功率調節(jié)進入轉速調節(jié)狀態(tài)，汽輪機切至中壓缸運行模式。

2.6 高、低壓旁路控制

在FCB動作信號輸出后，為保證輔汽、軸封、小汽輪機用汽和中壓缸穩(wěn)定進汽，高旁閥自動開啟10%。隨后，根據(jù)機組運行設置高、低旁轉為壓力自動控制。為避免高旁門因減溫水壓力低出現(xiàn)關閉，在FCB試驗前關閉此保護功能。同理，低旁采用自動控制模式，低旁減溫水壓低保護解除。

2.7 給水泵控制

在FCB功能動作后，輸出信號聯(lián)啟電動給水泵，電泵啟動信號存在2 s后，跳閘1臺汽泵。啟動電泵，一是增加汽輪機的制動扭矩，二是保證給鍋爐補水。為防止汽泵全停觸發(fā)機組BT動作，汽泵的跳閘是在電泵啟動信號存在2 s后發(fā)出。由于抽汽壓力的突降，汽泵可能在汽源切換時出現(xiàn)問題[6]。汽泵汽源自動切換至輔助蒸汽或冷再供汽，汽源量存在減小波動，自動跳閘1臺汽泵，利于汽源穩(wěn)定，而后視汽包水位情況，手動關閉第2臺汽泵。

3 FCB試驗過程

3.1試驗前準備條件

為確保試驗的安全性，需做大機交流潤滑油泵聯(lián)啟試驗、大機主汽門活動試驗、小機調門活動試驗、主汽門活動試驗、電泵聯(lián)啟試驗等[7]，各種文章多有論述，不再贅述。

3.2 FCB試驗前參數(shù)表

FCB試驗前各項參數(shù)如表1所示。

表1 1號機組試驗前部分參數(shù)值

試驗前主要參數(shù)，機組在順閥控制，綜合閥位92%。

3.3 FCB試驗過程及數(shù)據(jù)

某電廠300 MW循環(huán)流化床直接空冷機組，在多次進行FCB有關試驗的基礎上，于2015年10月13日21時進行了機組高負荷FCB功能試驗，并取得了成功，試驗情況如下。

2015年10月13日21點21分36秒，1號機組功率約250 MW，轉速3 001 r/min。21分36秒約400 ms，拉開主變壓器201開關，模擬電網(wǎng)故障。21分36秒約600ms，機組甩負荷由249.47 MW降至30.67 MW，轉速由3 001.2 r/min陡升至3 087.3 r/min，OPC超速觸發(fā)FCB動作。如圖1所示，OPC為電超速信號，當轉速超過3 040 r/min，觸發(fā)FCB功能。PLU信號值為分布式處理單元DPU（distributed processing unit）軟件計算的機組電負荷與機械負荷的偏差，當其值大于等于30%，PLU輸出信號，觸發(fā)FCB動作，信號時長2 s。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，OPC硬件觸發(fā)比PLU軟件觸發(fā)早約500 ms，這對汽機轉速控制至關重要，越早觸發(fā)，轉速升高峰值越低。

表2 某電廠300 MW機組功率、轉速和FCB觸發(fā)時間表

續(xù)表

表2中每列以100 ms為計時單位。

OPC超速信號發(fā)出，觸發(fā)FCB的同時，OPC電磁閥動作，快速關閉高壓調門、中壓調門和汽機本體抽汽逆止閥。

FCB觸發(fā)后，隨即動作2.3項所列功能。高旁閥自動開啟至10%開度，鍋爐MFT動作，電泵啟動，鍋爐BT等如圖1所示。電泵聯(lián)啟，電泵啟動信號存在2 s后，12汽泵聯(lián)跳；期間，汽包水位大幅降低，汽包液位到-213.65 mm；22分17秒，手動鍋爐BT，鍋爐各風機陸續(xù)跳閘，充分利用鍋爐熱慣性維持機組運轉；其后試驗過程中汽包液位變化范圍為：-201～-375 mm。

圖1中時間軸順序依次為：36：400 ms、36：500 ms、37：000 ms、37：800 ms、39：000 ms、 40：500 ms。

圖1負荷、轉速曲線及主要設備動作時序圖

機組FCB過程中負荷波動情況。在有效的時間測量周期內的機組負荷由21分36秒的249.5 MW快速降至30.67 MW，經(jīng)17.55 MW、16.17 MW，降至11.32 MW；在21分39秒，電泵啟動后，負荷又升至23.31 MW；其后，隨著鍋爐BT，爐側二次風機、一次風機、引風機的停運，負荷經(jīng)17.39 MW、10.56 MW，最終廠用電負荷穩(wěn)定在8.06 MW附近。

FCB觸發(fā)后，機組負荷降至30 MW以下，汽機切至中壓缸運行模式，自動進入轉速調節(jié)。整個過程中轉速波動范圍為3 121.5～2 920.7 r/min，并在21分51秒左右轉速穩(wěn)定在3 000 r/min附近。FCB過程中，輔機的啟停過程，對汽輪機轉速的影響并不十分明顯，例如電泵啟動、風機跳閘等，轉速波動曲線顯示波動范圍在±25 r/min之間。

FCB動作后，高旁聯(lián)開10%，PCV閥動作值降低3 MPa。主汽壓力最高升至16.8 MPa，比試驗前升高2.13 MPa，安全閥未動作，蒸汽未外排，利于機組工質平衡。汽包爐蓄熱量大，容積大，比直流鍋爐機組主汽壓力攀升小得多[8]。

再熱器壓力在合理范圍內，未打開低旁，機組背壓下降，未聯(lián)啟備用真空泵；低旁未開啟，未使用低旁減溫水及三級減溫水，凝結水用量未增加，單臺凝泵運行即可滿足用水需求。

小機供汽由輔汽聯(lián)箱提供，輔汽聯(lián)箱供汽由冷再提供，輔汽聯(lián)箱壓力由0.72 MPa降至0.32 MPa，輔汽聯(lián)箱溫度341℃降至282℃，冷再供輔汽調門迅速開啟，輔汽壓力基本在0.5 MPa左右。小機轉速調節(jié)滿足協(xié)調控制系統(tǒng)CCS（coordination control system）給水自動要求；11汽泵維持汽包較低液位運行，根據(jù)運行經(jīng)驗，給水泵只需保證200 t/h的上水量即可。

FCB動作后，給水溫度雖大幅降低，但鍋爐熱慣性大，仍可保持過熱蒸汽、再熱蒸汽溫度在合理范圍內；再熱蒸汽熱段溫度最低時501.45℃，中壓缸內缸上壁溫為489℃，滿足進汽運行要求；21時41分45秒給煤機重新投入運行，此時距離FCB動作20 min；之后，再熱熱段蒸汽溫度維持在516℃，21時49分27秒機組再次并網(wǎng)。機組孤島運行28 min，各項參數(shù)穩(wěn)定，完成試驗。

FCB試驗過程中，發(fā)電機出口電壓波動范圍為22.74～23.21 kV，滿足鍋爐、汽機各輔機用電要求。

4 結論

某電廠300 MW機組快速甩負荷帶下用電運行試驗的成功，證實了該機組已具備高負荷條件下FCB功能。機組FCB的控制功能相較于100%甩負荷試驗要求更為苛刻，使機組的控制功能得到了進一步提高?，F(xiàn)階段受電網(wǎng)負荷限制，山西、內蒙古部分電廠單機長期運行，F(xiàn)CB功能的實現(xiàn)，使機組在因電網(wǎng)故障或自身問題出現(xiàn)甩負荷的情況下，避免全廠失電事故，待問題消除后，快速恢復負荷，具有較強優(yōu)勢。

機組未能實現(xiàn)滿負荷情況下的FCB試驗及獲得相關試驗數(shù)據(jù)。循環(huán)流化床機組高負荷下FCB試驗的完成，可向同類型機組試驗提供經(jīng)驗及借鑒作用。