火力發電機組快速甩負荷功能設計方案研究

宋洪濤，楊立征

(中國華電工程(集團)有限公司，北京 100035)

0 引言

火力發電機組的快速甩負荷FCB(Fast Cut Back)是指機組因外部電網故障或內部發電機－變壓器組故障導致機組主變壓器出線開關跳閘，瞬間甩掉全部對外供電負荷并維持發電機帶機組廠用電運行(俗稱小島運行)的功能。FCB功能的最大優點是當電網出現大面積停電時，機組可在電網故障消除后最短時間內向系統重要負荷和系統內其他電廠提供啟動用電，是盡快恢復電網運行的首選方案。

2001年北美州地區大停電事件發生以后，世界各國對電力系統的可靠性要求越來越高。我國電力行業設計、采購、施工 EPC(Engineer，Procure，Construction)總承包商在海外投標項目中經常需要面對FCB功能要求，在一些國家FCB甚至已經成為強制性標準。雖然我國在20世紀80年代后引進的部分火電機組配置了FCB功能，但很長一段時間小島運行方式一直不被電力行業人士所看好。由于FCB功能在電廠運行中的實用率較低，設計和調試中又存在很多問題，國內設計中具有FCB功能的機組不多，能夠真正實現FCB功能的電廠更少，目前只有上海外高橋第三發電有限責任公司等少數電站真正具有FCB功能。國內的設計單位對FCB功能所要求的系統配置、設備選型和控制組態等方面還缺乏實踐經驗。為配合國內電力行業總承包商執行海外EPC合同，避免由于FCB功能要求所導致的技術風險，本文主要針對機組FCB的設計提供一些建議，與電力設計同行共勉。

1 FCB工況運行過程概況

火力發電機組從正常工作狀態進入到FCB工況運行，需要經歷FCB的投入、帶機組廠用電穩定運行和機組重新并網升負荷3個主要階段。

FCB工況投入的第1個階段是非常重要的階段，該階段的主要運行目標是汽輪機能夠維持3000 r/min的轉速，鍋爐能夠順利從正常運行狀態降至不投油的最低穩燃負荷狀態，保持機組工質平衡，避免機組的任何保護動作導致停機，任何機組停機都意味著FCB運行失敗。由于鍋爐的熱慣性較大，動作時間遠遠滯后于汽輪機的響應速度，因此，機組至少需要5min才能進入FCB工況的第2個階段。

FCB工況的第2個階段是一個穩定的運行階段，汽輪發電機組通過中壓缸進汽帶廠用電運行。該階段的工作重點是維持中壓進汽的壓力和溫度，避免汽輪機高壓缸運行超溫和低壓缸排汽壓力過高。FCB工況是汽輪發電機組極其惡劣的運行工況，對設備具有較大的損傷，通常該階段的運行時間宜控制在30min之內。由于還沒有法規明確規定FCB工況的運行數據，EPC總承包商在海外項目談判的過程中也缺少法律依據，總承包合同通常要求適當延長該時段，但最長運行時間應控制在2 h以內，以避免機組可能存在的額外損傷。

FCB工況的第3個階段是外網故障消除，機組由FCB工況切換到并網發電的階段。該階段的工作目標是調整鍋爐和汽輪機的運行參數，保持工質平衡，汽輪機高壓缸進汽，將機組推進到正常熱態啟動模式，避免汽輪機的任何設備損失和保護動作。

2 主機設備的運行方式和要求

FCB工況是火力發電機組極為惡劣的運行工況，該工況對鍋爐、汽輪發電機組以及主要熱力系統的設計和運行都提出了許多特殊的要求。EPC總承包商應在主機選型階段就充分注意到FCB功能要求的特殊性，充分與主機制造商進行FCB方案的研究和交流，只有在確認主機供應商具備設計和制造FCB機組能力的基礎上，才能簽署技術協議和供貨合同。

在合同執行階段，汽輪機供應商應首先明確機組在FCB 3個不同階段進汽參數和流量的要求，包括FCB各個階段壓力、溫度、負荷和流量的變化曲線以及FCB運行工況對汽輪發電機組的壽命影響分析。鍋爐制造商將根據汽輪機的要求，完善鍋爐快速甩負荷的設計方案，以保證鍋爐的運行參數與汽輪機相匹配，保持機組工質平衡，避免主燃料跳閘(MFT)保護動作。在鍋爐和汽輪機方案研究的基礎上，由電力設計院牽頭進行研究，確定機組旁路系統、回熱系統、鍋爐給水系統和凝結水系統的基本配置和主要附屬設備選型，最終匯總形成完整的FCB運行方案。

3 工藝系統的配置和設備選型

3．1 汽輪機高、低壓旁路系統容量的選擇

我國目前設計的大部分火電機組不考慮FCB功能，機組配置的旁路系統的容量為鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)的35%左右，這種旁路系統的主要功能是滿足機組啟動要求。當機組在FCB工況下運行時，由于進入汽輪機的蒸汽大幅度減少或切斷，原來進入高壓缸的蒸汽通過高壓旁路排放，原來進入中壓缸的蒸汽通過低壓旁路排放，鍋爐出力在發生FCB時必須快速降至旁路能通過的最大流量。由于鍋爐的熱慣性較大、燃料系統的響應速度較慢，容量為35%左右BMCR的旁路系統不能滿足機組FCB的要求。

通常FCB開始時汽輪機高壓調速汽門需要瞬間關閉，連鎖控制旁路系統瞬間開啟，鍋爐一次蒸汽通過旁路系統排放以維持運行，建議汽輪機選用容量為100%BMCR的高壓旁路系統，并替代鍋爐過熱器安全閥排放功能，取消鍋爐過熱器安全門。汽輪機低壓旁路系統的設計流量應綜合考慮鍋爐不投油的最低穩定工況、FCB工況的工質回收和平衡、凝汽器的投資、除氧器水位控制等因素，建議采用容量為60%～80%BMCR的低壓旁路系統，并在再熱系統設置可調節式安全門，建議再熱系統安全門的容量按照100%BMCR主蒸汽流量加噴水流量考慮。

3．2 鍋爐給水泵的選擇

火力發電機組FCB功能對鍋爐給水泵的選擇可能影響較大，建議在工程設計的起始階段能夠根據合同要求或與業主交流的情況確定FCB時汽輪機最大運行工況，該工況通常為100%最大連續運行(TMCR)工況，特殊工程也可能根據業主要求而選擇100%閥門全開(VWO)工況。FCB時汽輪機最大運行工況應作為給水泵選型的校核工況之一，以滿足在該工況下鍋爐給水和高壓旁路噴水的流量要求。當機組采用汽動給水泵時，根據上海外高橋第三發電有限責任公司的經驗，應采用具有特殊內切換功能的專用小汽輪機，以保證給水泵汽輪機正常工況驅動汽源(主汽輪機抽汽)和低負荷工況驅動汽源(冷再熱蒸汽)的快速切換，避免在FCB工況下小汽輪機驅動汽源切換滯后所導致的鍋爐缺水、水冷壁出口溫度迅速升高、汽動給水泵跳閘或鍋爐MFT保護動作。

3．3 汽輪機回熱系統配置和設備選擇

當汽輪發電機組從正常運行切換到FCB工況時，所有汽輪機抽汽都將在瞬間停止，汽輪機回熱系統中只有使用高壓缸排汽(冷再熱蒸汽)作為汽源的高壓加熱器和除氧器能夠維持運行。由于機組低壓旁路的容量通常為60%～80%BMCR，在FCB工況起始階段再熱系統安全門將開啟，以維持再熱系統蒸汽壓力，造成系統內工質的部分流失。為減少系統內的工質流失，維持工質平衡，建議在合理的范圍內盡量增大該高壓加熱器的容量。加熱器供應商應明確進水溫度快速降低、加熱蒸汽流量增加對加熱器結構的影響，確保加熱器安全、穩定運行。除氧器的正常工作汽源為汽輪機抽汽，但在FCB工況下應迅速切換到冷再熱蒸汽。因此，在系統設計中，應考慮設置再熱冷段到除氧器的FCB工況專用管線并配置快速開啟式調節閥和超壓閉鎖裝置。除氧器在FCB起始工況瞬時的進、出水位差較大，為防止除氧器水位急劇波動和下降，建議適當增加除氧器的容積，通常為鍋爐BMCR工況下7min左右的蒸發量。

3．4 凝結水和凝結水補水系統配置和設備選擇

火力發電機組通常以單元制系統配置2×100%容量或3×50%容量的凝結水泵，FCB工況時，系統應快速連鎖啟動備用凝結水泵，加大凝結水流量，以滿足低壓旁路噴水和維持除氧器水位穩定的要求。凝結水補水系統的設計能力應能夠滿足FCB工況的運行要求，凝結水儲存水箱的容量應充分考慮FCB工況的工質流失量，凝結水補水系統的輸送能力應考慮FCB工況時的流量變化。

4 控制系統的主要設計理念

火力發電機組要成功實現FCB功能，除上述汽輪機、鍋爐和主要工藝系統設備選型有變化以外，同樣也對機組控制和運行方式提出了更高的要求，是火電機組控制設計理念的一次更新。

FCB是機組在電網故障情況下由正常運行狀態瞬間轉為帶廠用電負荷的運行工況。通常這種電網故障是突發性的，不會有任何先兆。為確保FCB功能的實現，機組應完全進入FCB模式的自動控制，任何人工干預都將導致FCB功能切換失敗。

機組應采用單向連鎖保護方式，當電網故障時只切斷主變壓器出口開關，鍋爐和汽輪發電機不產生聯動保護動作，使機組連鎖保護模式能夠適應機組FCB的要求。根據上海外高橋第三發電有限責任公司的運行經驗，建議設置發電機出口斷路器(GCB)，以便在FCB工況時由發電機帶廠用電進行小島運行，但在發電機保護動作時，機組將廠用電自動切換至備用變壓器。

汽輪機數字電液控制系統(DEH)控制回路切換到轉速控制，將汽輪機轉速穩定在3 000 r/min。分散控制系統(DCS)主要控制鍋爐按照快減負荷(RB)控制方式快速減至最低穩燃負荷，控制旁路系統快速開啟，根據FCB各個階段要求控制給水系統、回熱系統和凝結水系統的參數和流量。

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