火力發電廠高端的安全控制帶來高度的安全

摘 要：現代火力發電廠基于安全控制理念的不斷提升，機組容量越大自動控制功能越全面，一些新的安全控制策略和方法如汽輪機超速保護控制（OPC）、調節系統中的超馳控制、機組的輔機故障減負荷（RB）和機組快速切負荷FCB）等控制也開始廣泛應用。熱力生產過程自動化的根本意義已經由簡單的“減少人工、節省體力”轉變成更為高級的 “安全控制”以確保生產和設備的安全。

關鍵詞：超馳；OPC；RB；FCB

引言

一談起工業過程自動化，人們對其作用通常首先想到就是“減少人工、節省體力”，這種想法對于早期的工業控制應該說表述基本恰當，但對于現代的工業裝備，特別近年來投產的單機600MW以上容量、超臨界甚至超超臨界參數的大型火力發電機組而言就有定位不準之嫌了。隨著火力發電機組容量增大，機組運行參數越來越高，系統設備也越來越多，從而使機組工藝系統設備之間更加需要緊密的關聯起來，在機組的運行中，工況的轉變速度也隨著機組容量的增大而變得越來越快速，進而使人工操作的難度大幅提高，尤其是在機組啟動和停運以及負荷的突然變化過程中，大量的設備需要啟停切換、參數需要調整，操作人員需要在有限的時間內完成對應的工作。這樣就使操作人員的精神處于高度緊張狀態、且勞動強度、操作風險性也大幅提高，一旦操作不慎就可能發生不安全事件，更為嚴重的情況就會造成巨大得經濟損失。

現代火力發電廠基于安全控制理念的不斷提升，機組容量越大自動控制功能越全面，一些新的安全控制策略和方法也開始廣泛應用。熱力過程高端安全自動控制涉及到許多方面，例如汽輪機控制中的OPC（Over Speed Protection Control-超速保護控制）、調節系統中的超馳（Override Control-安全轉向控制）、機組的RB（Run Back-輔機故障減負荷）和FCB（Fast Cut Back，機組快速切負荷）等控制。熱力生產過程自動化的根本意義已經由簡單的“減少人工、節省體力”轉變成更為高級的 “安全控制”以確保生產和設備的安全。

1 OPC控制

OPC是汽輪機用快速的調節機制抑制轉速飛升防止汽輪機超速跳閘的一種控制方式。正常運行中的汽輪發電機如果因故突然甩負荷，過渡過程中轉速的動態偏差足以讓汽機跳閘，這種異常跳閘對汽輪機而言無論在經濟還是安全方面都是一種危害。OPC就是在可控的條件下最大限度地避免汽輪機發生無謂跳閘的安全控制功能?？煽康腛PC控制必須有超速預測能力，現代預測汽機超速的實用方法是將發電機負荷信號（發電機電流）減去折算量綱后的汽輪機中壓缸入口汽壓，即為機組瞬間功率不平衡信號作為超速預測量。若功率不平衡信號等于零，則機組將保持轉速恒定，如果功率不平衡信號變大（發電機負荷小于中壓缸入口汽壓），預示汽輪機將被加速。當轉速或預測超速量至大于規定值時，緊急關閉汽輪機高壓缸和中壓缸調門避免汽機進一步超速，3～5秒后再重新開啟，維持汽輪機繼續正常運行。OPC具有兼顧電網和電廠兩方面運行安全的作用，對電網能夠有效平抑突發性甩負荷造成的波動，對電廠能減少汽輪機超速跳閘的次數。

2 超馳控制

什么叫超馳控制呢？超馳控制就是當自動控制系統出現事故報警、信號偏差過大、信號越限、故障等異常時，控制邏輯將根據引起事故發生的信號將控制系統切手動狀態，并對系統的輸出依據其特點實行優先增、優先減或者禁止增、禁止減等邏輯功能，從而使系統設備朝著預先設定好的安全狀態動作，并發出報警信號。早期的控制系統絕大部分都缺少對系統內、外設備狀態的識別，其安全防護能力也就不高了。系統中信號的輸入端有稍偏差，無論系統內部是否出現問題或外部生產設備工作是否異常，控制器就會發出動作指令。超馳控制的優點就在于能有效地改善上述控制系統中的缺點。在系統內部，它能夠判斷自動控制過程中，變送器信號本身的品質，還能夠判斷變送器信號的輸入輸出偏差限值等。自動控制系統在檢測儀表本身出現問題時，自動調節的本身已不具有實際意義，此時，超馳控制便會將回路由自動控制方式切換到手動控制方式；對于外部系統而言，在自動控制儀表正常時，如果機組各設備或運行狀態產生異動，超馳控制又能夠根據其判定邏輯改變自動控制系統的控制策略或運行方式，從而使機組運行走向安全，避免危險工況的發生。

3 RUN BACK（RB）控制

火力發電廠除了機、爐、發電機等主要設備外，還有許多重要的輔機，如鍋爐的送風機、引風機、一次風機，給水系統的給水泵、循環水系統的循環水泵等，從安全和經濟方面考慮，這些輔機通常都是雙套布置，出力各占50%，如果運行中某臺輔機故障退出，最直接的影響就是機組帶負荷能力立刻失去50%。機組正常運行中突然出現這種異常工況運行人員如果反應不及時造成停機停爐的概率相對較高，而實踐證明靠人來實現大容量機組（300MW以上）RB工況操作難度大、安全風險高。設計和運用自動控制裝置來完成機組的RB功能就成為現代大型火力發電機組的一種必然，極大的提高了機組的運行安全水平。

4 FAST CUT BACK（FCB）控制

機組在應對突發大幅度甩負荷的快速反應機制方面代表性的高端功能是FCB。FCB是指運行中的機組在電網故障解列，發電機或汽輪機跳閘，機組瞬間甩負荷，而鍋爐側沒有主燃料跳閘（MFT）時，機組帶廠用電運行或“停機不停爐”的自動控制功能。FCB功能的優秀實現能夠給電網帶來非常多的好處，如2003年8月14日美國中西部和東北部的大部分地區及加拿大安大略省發生的大面積停電事故，此次事故影響人口約5000萬，僅僅美國的停電損失高達約40億～100億美元。在這次停電事故中暴露出的主要問題就是，美國的電網和各發電廠之間在整個系統、結構以及設備在安全性方面都存在隱患。從上述事件可以看出，發電廠如果能夠機組遭遇緊急故障的情況下（不論故障來源于電網還是來自于電廠本身），機組的FCB控制功能能夠優秀的實現，從而使機組處于“孤島運行”方式，那么電網系統的穩定性就能夠得到可靠地保障。

機組FCB功能的可靠實現還能夠使電網在最短的時間內恢復正常，其對電網的穩定性有非常大的幫助，具有巨大的社會效益。對于電廠方面而言，也能在設備安全、經濟運行方面提供很大的便利。在電網發生大面積停電事故時，FCB功能所實現的“孤島運行”的措施，能夠快速恢復機組對電網供電，進而在機組事故停運過程中最有效的減輕金屬應力損傷，保證電廠設備的安全。從以上FCB實現的功能可以看出，FCS能夠減少機組誤停、減緩機組溫差應力，并且降低能量損耗。綜上所述，FCB功能能夠提高電網的穩定性，還能夠減少電廠的設備損耗、能量損耗，提高電廠的經濟效益。

由多次電廠異常工況的事件可以看出，高端控制技術在保證電廠高度安全性方面所起的作用是不可替代的，這是因為面對突發故障，機組立即失去全部負荷，留給控制的反應時間不足3秒。在如此短的時間內靠人工操作同時打開鍋爐電磁泄放閥、汽輪機旁路、調節鍋爐燃料、給水、汽溫、汽壓并延續機組的運行，早就超出了人的反應極限。而FCB功能則能夠在機組懸于全停邊緣的瞬間全面地實現機組的快速自動控制，使機組朝著安全運行的方向調節，從而確保機組的安全運行。

FCB功能給電廠安全經濟運行帶來的種種好處顯而易見，其主要的表現有以下幾點：（1）在控制機組脫離緊急故障時，既能調節機組朝正常的方向運行，又能夠保證機組的熱力參數在安全的范圍內；（2）FCB與MFT比較而言，FCB的觸發給故障排除提供了機會和可能性。無論是“停機不停爐”還是僅僅帶廠用電運行都能夠使機組維持著正常的運行參數，當事故原因得到確認和消除時，機組就能迅速的帶上正常負荷。如此一來，機組運行成本和非計劃停運次數就都得到了有效控制；（3）在熱力機械壽命方面，若鍋爐快速變工況，例如滿負荷時突然發生MFT，其溫度、壓力波動幅度將發生大幅變化。如果不設計FCB功能，那么引起鍋爐MFT的可能性將大幅提高，發生鍋爐MFT的次數也會提高，從而使金屬應力變化幅度和次數隨之增加，降低設備的熱力機械壽命。而成功的FCB控制，會使機、爐熱力參數被控制在設計得允許范圍內，降低設備應力損耗，提高設備的使用壽命。

當然，既然是高端控制必然具備相當高度的技術門檻，實現FCB具有一定的技術難度，主要是被控的運行工況嚴酷，成功的可能僅存瞬息，運行參數趨近紅線，實際上是在事故邊緣力挽機組安全。這就要求機組的各自動控制系統能夠快速、全面的參與其中，并且各自動控制系統都要對控制方式切換、過程調節作出快速準確的反應。

機組FCB功能的準確實現，能夠提高電網和電廠長期的安全運行可靠性和經濟性。但是，高端的自動控制技術需要有安全可靠的工業設備作為基礎。因此，要準確可靠地實現FCB功能，就要做好機組設計、設備選型、控制策略、安裝調試等方面的工作。良好的鍋爐燃燒特性；優秀的汽輪機運行性能；可靠快速地電氣系統設備；容量合適的鍋爐壓力飛升控制設備，都是其實現的必要條件。另外，FCB還要求有高端的全過程、全自動熱工自動控制系統與之相輔相成。高級的工業設備要有高端的自動控制才能有高度的運行安全。

參考文獻

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作者簡介：王繼鵬（1980，10-），男，漢族，陜西西安，工程師，研究方向：熱工自動化。