單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組FCB控制策略研究與應(yīng)用

王永宏,唐 爽,江 彬,吳占元,李 杰,陳志剛,王 林

(1.大唐萬(wàn)寧天然氣發(fā)電有限責(zé)任公司,海南 萬(wàn)寧 571500;2.東莞深能源樟洋電力有限公司,陜西 西安 710054;3.西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710054)

廣東地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,用電負(fù)荷快速增長(zhǎng),受環(huán)保和資源制約,“粵港澳大灣區(qū)”的煤電機(jī)組逐步由燃?xì)鈾C(jī)組替代,同時(shí)大幅增加外送電的占比,本地電源占比降低極大影響到電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性。當(dāng)外送電故障閉鎖、電網(wǎng)故障發(fā)生區(qū)域性解列事故時(shí),燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組可以快速負(fù)荷響應(yīng),通過(guò)快速切負(fù)荷的技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行,為電網(wǎng)盡快恢復(fù)供電、保障廠用電供電提供了可靠保證[1]。

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組快速切負(fù)荷(FCB)是指機(jī)組高于一定負(fù)荷運(yùn)行時(shí),因電網(wǎng)故障或解列,瞬間甩掉全部對(duì)外供電負(fù)荷,維持燃機(jī)在最低負(fù)荷運(yùn)行,確保發(fā)電機(jī)帶廠用電運(yùn)行的自動(dòng)控制功能[2-4]。FCB技術(shù)有助于發(fā)電機(jī)組的安全停運(yùn),也能作為電網(wǎng)故障情況下的啟動(dòng)電源,有助于在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)電網(wǎng)正常[5-6]。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)歷過(guò)多次大面積停電事故,對(duì)電網(wǎng)快速恢復(fù)過(guò)程的研究極為重視,明確要求電網(wǎng)內(nèi)機(jī)組具備FCB功能[7-8]。國(guó)內(nèi)則對(duì)火電機(jī)組FCB功能在電網(wǎng)黑啟動(dòng)中的應(yīng)用開展了不少試驗(yàn)研究,解決極端天氣、新能源擾動(dòng)、特高壓輸電等帶來(lái)的電網(wǎng)安全隱患。

1 設(shè)備概況

某電廠采用上海電氣安薩爾多AE94.3A型9F級(jí)改進(jìn)型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)、一拖一單軸帶SSS離合器純凝發(fā)電機(jī)組。機(jī)組DCS和TCS控制系統(tǒng)均采用ABB(S+)系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 燃機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組快切孤網(wǎng)后控制策略

2.1 電氣FCB觸發(fā)條件熱控判據(jù)

觸發(fā)FCB條件主要是電網(wǎng)或線路原因的外回路故障,出現(xiàn)頻次較高的是電網(wǎng)的高低頻切機(jī)、線路故障[9],電氣系統(tǒng)的安穩(wěn)裝置根據(jù)故障情況來(lái)自動(dòng)斷開主變高壓側(cè)開關(guān)。燃機(jī)側(cè)根據(jù)主變高壓側(cè)線路斷路器(HVCB)、發(fā)電機(jī)出口斷路器(GCB)狀態(tài)信號(hào)來(lái)判斷是否發(fā)生FCB。燃機(jī)的掃描周期為30 ms且燃機(jī)系統(tǒng)有重負(fù)載(壓氣機(jī)),因此燃機(jī)轉(zhuǎn)速飛升完全可控[10]。整體控制策略如圖1所示。

圖1 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組快切孤網(wǎng)后熱控控制策略的技術(shù)路線圖

燃機(jī)FCB判別條件:發(fā)電機(jī)出口開關(guān)(GCB)合閘、主變高壓側(cè)開關(guān)(HVCB)分閘、機(jī)組負(fù)荷突降,以上三個(gè)條件均滿足時(shí)燃機(jī)FCB動(dòng)作。其中,機(jī)組負(fù)荷突降的判斷邏輯為機(jī)組實(shí)發(fā)功率下降速率超過(guò)80%Pe/s或者功率負(fù)荷不平衡,以下條件均滿足判斷為功率負(fù)荷不平衡:

(1)實(shí)際負(fù)荷低于2倍廠用電負(fù)荷的限值;

(2)實(shí)際負(fù)荷高于逆功率值;

(3)有效負(fù)荷設(shè)定值-實(shí)際負(fù)荷的差值大于兩倍廠用電負(fù)荷的限值。

第(3)條件在邏輯中可手動(dòng)旁路。FCB信號(hào)判斷在TCS中實(shí)現(xiàn),TCS采用硬接線方式將FCB動(dòng)作信號(hào)傳送至DEH和DCS,為提高可靠性,信號(hào)采用三冗余(三取二)方式進(jìn)行。燃機(jī)FCB判別條件的邏輯框圖如圖2所示。

圖2 燃機(jī)FCB判別條件的邏輯框圖

當(dāng)電網(wǎng)故障甩負(fù)荷或線路故障切機(jī),機(jī)組FCB立刻響應(yīng)進(jìn)入“孤島運(yùn)行”工況,燃機(jī)維持著較高的運(yùn)行參數(shù)以提供廠用電負(fù)荷。外部事故原因一經(jīng)確認(rèn)、消除,通過(guò)主變高壓側(cè)開關(guān)(HVCB)同期并網(wǎng),機(jī)組在熱態(tài)下完成重新并網(wǎng)運(yùn)行,提升了電網(wǎng)的恢復(fù)效率[11]。

2.2 燃機(jī)與汽輪機(jī)DEH控制切換

為若電網(wǎng)線路發(fā)生跳閘時(shí),FCB快切使得發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)解列,用電側(cè)跳閘損失負(fù)荷量約等于故障前的實(shí)發(fā)功率-廠用電負(fù)荷量。此時(shí),發(fā)電機(jī)組出力大于廠用電負(fù)荷,機(jī)組轉(zhuǎn)速上升,孤網(wǎng)頻率上升。

FCB快切信號(hào)出現(xiàn)后,DEH快關(guān)高/中/低調(diào)門切除汽輪機(jī)做功,迅速響應(yīng)機(jī)端頻率的劇烈波動(dòng),隨后觸發(fā)汽機(jī)跳閘。當(dāng)汽機(jī)完全不出力時(shí),SSS離合器自動(dòng)脫開。

燃機(jī)控制方式進(jìn)入以轉(zhuǎn)速控制為主的轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制[12],當(dāng)前負(fù)荷設(shè)定瞬時(shí)降至帶廠用電的初值,頻率回路取消負(fù)荷限制范圍,改為全行程調(diào)節(jié)。燃機(jī)的燃燒方式從預(yù)混模式平穩(wěn)切換到擴(kuò)散模式,天然氣系統(tǒng)的值班調(diào)閥 / 預(yù)混調(diào)閥1 / 預(yù)混調(diào)閥2以及壓氣機(jī)系統(tǒng)的IGV調(diào)閥 / CV調(diào)閥快速響應(yīng),確保能夠穩(wěn)燃。與此同時(shí),燃機(jī)快速降負(fù)荷時(shí),由于壓氣機(jī)耗功增加量隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加,與TCS減出力控制邏輯共同作用,燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)過(guò)程迅速,燃機(jī)可以有效控制其輸出功率,從而有效限制燃機(jī)轉(zhuǎn)速突升,有利于機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和廠用電設(shè)備網(wǎng)頻的穩(wěn)定性。

在上述設(shè)計(jì)控制策略的基礎(chǔ)上,本課題需要初步計(jì)算廠用電負(fù)荷初值、FCB動(dòng)作的瞬間負(fù)荷、燃燒方式切換過(guò)程的天然氣燃料基準(zhǔn)的FCB初值以及IGV / CV調(diào)閥的FCB初值,然后在50% /100%甩負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程中不斷完善這些初值。

2.3 旁路控制

2.3.1 若旁路控制在FCB工況下主要功能

(1)機(jī)組故障減負(fù)荷過(guò)程中,避免主汽壓力波動(dòng)大造成汽包水位突變影響機(jī)組安全;

(2)避免旁路快開過(guò)程中,旁路后蒸汽溫度上升過(guò)快造成溫度高觸發(fā)旁路快關(guān)同時(shí)避免噴水過(guò)量造成蒸汽飽和;

(3)通過(guò)凝汽器快速補(bǔ)水和維持凝結(jié)水母管壓力穩(wěn)定來(lái)保證旁路減溫水流量充足,進(jìn)而確保旁路后蒸汽溫度可控;

(4)旁路減溫水改造目的是正常調(diào)節(jié)時(shí)的穩(wěn)定、惡劣工況下的快速、事故工況下的安全(避免超溫或欠溫)。

2.3.2 旁路控制策略改造主要內(nèi)容

在傳統(tǒng)的PID控制回路及高旁閥開度前饋的基礎(chǔ)上,增加高旁前后溫度感知回路,具體采用高旁前蒸汽溫度與設(shè)定高旁噴水溫度偏差函數(shù)作為基礎(chǔ)前饋回路、高旁閥開度作為修正系數(shù),同時(shí)增加若實(shí)際噴水后溫度高于400 ℃時(shí)補(bǔ)償修正系數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高旁噴水調(diào)閥快速動(dòng)作、及時(shí)回收的控溫效果。

增加旁路快開預(yù)置減溫水開度回路:具體為在旁路快開觸發(fā)后,鎖定旁路反饋?zhàn)畲箝_度并折算對(duì)應(yīng)減溫水開度作為減溫水初始開度的預(yù)置閥位(5 s脈沖信號(hào)并置減溫水在預(yù)設(shè)開度)。主要好處:在旁路快開的初始5～15 s內(nèi),提前激活減溫水調(diào)閥并在實(shí)際溫度低于設(shè)定值的前提下進(jìn)行噴水減溫,避免后期的溫度突升。

高旁中旁聯(lián)動(dòng)回路,在汽機(jī)帶載跳閘后,高中旁路預(yù)開蒸汽流量折算的開度值上。避免單純的快開造成主汽再熱蒸汽壓力突降引起汽包水位的突升。同時(shí)高旁/中旁/低旁快開改為2 s脈沖信號(hào),并馬上轉(zhuǎn)為調(diào)節(jié)模式。實(shí)現(xiàn)旁路與主汽壓力的動(dòng)態(tài)匹配并隨燃機(jī)負(fù)荷緩慢變化。

由燃機(jī)解列快開旁路,改為區(qū)分若汽機(jī)帶負(fù)荷則快開旁路并轉(zhuǎn)為預(yù)置開度;若汽機(jī)無(wú)負(fù)載,則旁路保持原狀態(tài)不變。避免無(wú)效擾動(dòng)造成主汽壓力波動(dòng)及汽包水位變化。

機(jī)組高負(fù)荷跳閘后,增加凝汽器水位快速補(bǔ)償回路、低壓汽包閉鎖增回路、汽機(jī)軸封快切外供汽回路,實(shí)現(xiàn)主汽壓力的平滑下降和汽包水位的快速恢復(fù)[13]。

2.3.3 旁路控制在FCB工況下的特別設(shè)定

根據(jù)觸發(fā)FCB動(dòng)作的瞬間負(fù)荷,孤島旁路分為兩種模式:①50%Pe負(fù)荷(負(fù)荷低于50%額定負(fù)荷);②100%Pe(負(fù)荷在50%～100%額定負(fù)荷范圍內(nèi))。由孤島旁路的兩種模式,分別制定高/中/低旁路的控制策略。旁路動(dòng)作原則是其初始開度要匹配FCB動(dòng)作瞬間的蒸汽流量,然后進(jìn)入壓力滑壓控制直至匹配燃機(jī)當(dāng)前負(fù)荷,壓力下降速率須平緩進(jìn)行,確保蒸汽壓力不出現(xiàn)大的波動(dòng)、鍋爐水位穩(wěn)定。

當(dāng)FCB快切條件觸發(fā)后,旁路預(yù)開汽機(jī)跳閘前總負(fù)荷折算開度值,初設(shè)壓力切為跳閘前實(shí)際壓力,按照速率緩慢下滑,保證高/中/低壓力穩(wěn)定即控制住汽包水位[14]。在FCB運(yùn)行前后的不同工況下,高/中/低旁路閥位限制、FCB觸發(fā)后的超馳閥位。

2.4 余熱鍋爐控制

當(dāng)FCB快切觸發(fā)后,機(jī)組運(yùn)行由協(xié)調(diào)控制切為燃機(jī)本地功率模式,鍋爐的蒸汽壓力主要由旁路系統(tǒng)調(diào)節(jié)。高壓主蒸汽通過(guò)高壓旁路、再熱器、中壓旁路排至凝汽器,低壓主蒸汽通過(guò)低壓旁路直接排至凝汽器,蒸汽通道暢通確保鍋爐正常運(yùn)行[15]。

當(dāng)機(jī)組孤島運(yùn)行時(shí),鍋爐汽包水位由三沖量控制轉(zhuǎn)為單沖量控制,為防止汽包在FCB快切過(guò)程中出現(xiàn)的虛假水位引起過(guò)大的擾動(dòng),增加汽包水位調(diào)節(jié)前饋。給水調(diào)門指令的前饋邏輯為減去對(duì)應(yīng)汽包的30 s前汽包壓力和60 s汽包壓力的差值,以高壓給水為例的控制回路如圖3所示。

圖3 FCB快切時(shí),高壓給水調(diào)門控制邏輯圖

從系統(tǒng)工質(zhì)的能量和質(zhì)量平衡以及汽包壁溫變化速率等角度考慮,結(jié)合FCB快切前的負(fù)荷量,PCV閥、高中壓安全閥配合著高中低壓旁路適時(shí)開啟,高壓過(guò)熱器減溫水調(diào)節(jié)閥、再熱器減溫水調(diào)節(jié)閥快關(guān)30 s后投入自動(dòng)。

2.5 輔助蒸汽控制

當(dāng)FCB快切觸發(fā)后,機(jī)組運(yùn)行由協(xié)調(diào)控制切為燃機(jī)本地功率模式,鍋爐的蒸汽壓力主要由旁路系統(tǒng)調(diào)節(jié)。高壓主蒸汽通過(guò)高壓旁路、再熱器、中壓旁路排至凝汽器。

輔助蒸汽系統(tǒng)的作用是保證汽機(jī)安全可靠的啟機(jī)和停機(jī),及在低負(fù)荷和異常工況下提供所需壓力及溫度的足量汽源,同時(shí)向有關(guān)設(shè)備提供生產(chǎn)加熱用汽。對(duì)于本機(jī)組,輔汽系統(tǒng)分別向除氧器供汽和汽輪機(jī)軸封供汽。

汽輪機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí),采用自密封平衡供汽的軸封系統(tǒng),只有啟停機(jī)或低負(fù)荷過(guò)程中需要輔助蒸汽提供軸封用汽。汽機(jī)的軸封溫度穩(wěn)定至關(guān)重要,因而FCB觸發(fā)后聯(lián)啟軸封電加熱器來(lái)保證輔汽至軸封溫度穩(wěn)定,避免軸封失壓、溫降過(guò)快,造成抱軸和振動(dòng)增大等事故。同時(shí)監(jiān)控低壓汽包溫度,保持輔汽至低壓汽包的蒸汽有較高溫度,滿足除氧效果。

最后,必須保證輔汽聯(lián)箱的汽源穩(wěn)定可靠。FCB快切動(dòng)作后,輔汽聯(lián)箱的汽源為冷端再熱蒸汽來(lái)和啟動(dòng)鍋爐來(lái)。啟動(dòng)鍋爐日常采用自動(dòng)保壓方式運(yùn)行,冷再蒸汽至輔汽段和啟鍋至輔汽段的疏水閥應(yīng)定期開關(guān),確保管路末端預(yù)暖充分,保證汽源在熱備用狀態(tài),并隨時(shí)能投入使用。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

依托某燃機(jī)電廠#5機(jī)組基建調(diào)試項(xiàng)目,完善后FCB控制策略分別于2021年1月9日和2021年4月9日進(jìn)行機(jī)組甩50%和甩100%負(fù)荷試驗(yàn)中得到成功驗(yàn)證,表明相關(guān)熱控的控制策略實(shí)用有效。

由圖4～圖5可知,機(jī)組甩負(fù)荷后,蒸汽壓力、溫度,燃機(jī)轉(zhuǎn)速等均在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。電氣燃機(jī)超頻、欠頻定值見表2。

圖4 機(jī)組甩100%Pe負(fù)荷(余熱鍋爐側(cè))

圖5 機(jī)組甩100%Pe負(fù)荷后(汽輪機(jī)側(cè))

表2 電氣燃機(jī)超頻、欠頻定值(實(shí)測(cè))

燃機(jī)在線路斷路器、發(fā)電機(jī)出口斷路器均合閘時(shí),若進(jìn)行FCB功能的空線路充電試驗(yàn),需要燃機(jī)保持在轉(zhuǎn)速控制模式并維持轉(zhuǎn)速50 Hz,隨著網(wǎng)內(nèi)并列電廠增加、調(diào)度要求轉(zhuǎn)為功率控制時(shí),需要燃機(jī)轉(zhuǎn)為功率控制模式并要求初負(fù)荷跟蹤實(shí)發(fā)功率后,然后改為運(yùn)行手動(dòng)設(shè)定功率的常規(guī)操作方式。

4 結(jié) 論

通過(guò)機(jī)組甩50%Pe和50%Pe工況考驗(yàn),本電氣系統(tǒng)、旁路控制、鍋爐控制、輔汽控制及其余輔機(jī)相關(guān)聯(lián)的熱控控制策略及量化組態(tài)等得到了較好的應(yīng)用,特別是動(dòng)態(tài)測(cè)試并獲取了轉(zhuǎn)速飛升數(shù)據(jù),為后續(xù)電氣安穩(wěn)裝置定值的修改提供了依據(jù)。在外系統(tǒng)具備FCB工況條件后,即具備了進(jìn)行相關(guān)的FCB試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>