350MW小旁路燃煤機組FCB試驗淺析

柳瑤斌

（上海電氣電站工程公司，上海 201100）

FCB是機組在正常運行工況下，由于內(nèi)部或外部原因造成機組與電網(wǎng)解列后，機組能夠快速減負(fù)荷至帶廠用電運行或停機不停爐的自動控制功能［1］。機組在小島運行期間，要求保證機組的運行參數(shù)在安全范圍內(nèi)，不引起保護(hù)動作，不危及設(shè)備安全，在電網(wǎng)允許的情況下，機組可迅速重新并網(wǎng)。

本文結(jié)合上海電氣350MW機組在印尼PALABUHANRATU電廠成功完成FCB試驗的案例，闡述了小旁路情況下100%負(fù)荷FCB試驗的難點、創(chuàng)新和經(jīng)驗。

1 機組系統(tǒng)配置

印尼PALABUHANRATU項目建設(shè)規(guī)模為3臺350MW亞臨界燃煤機組，上海電氣作為總包方并作為主要設(shè)備供應(yīng)商。

鍋爐為上海鍋爐廠制造的亞臨界壓力參數(shù)、自然循環(huán)、單爐膛、一次中間再熱、燃燒器擺動調(diào)溫、平衡通風(fēng)、四角切向燃燒、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，露天布置的汽包爐。鍋爐在燃燒設(shè)計煤種時，不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷不大于40%BMCR，過熱器出口配置10%BMCR容量動力泄放閥3臺。制粉系統(tǒng)采用上海重型機器廠制造的中速碗式磨煤機，5用1備。

汽輪機為上海汽輪機廠制造的雙缸雙排汽、單軸反動式、一次中間再熱、純凝式汽輪機。汽機旁路配置高壓和低壓二級串聯(lián)液動旁路，高壓旁路的容量為鍋爐BMCR工況出力的30%，低壓旁路的容量為高壓旁路的蒸汽流量與噴水流量之和。給水系統(tǒng)配置2臺50%BMCR容量汽動給水泵，1臺25%BMCR容量電動給水泵。機組所配發(fā)電機為水氫氫汽輪發(fā)電機。

汽輪機調(diào)節(jié)采用數(shù)字電液調(diào)節(jié)DEH系統(tǒng)，采用與DCS系統(tǒng)一體化設(shè)計。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)配置圖

2 FCB試驗難點

機組在FCB動作時，機組主要參數(shù)將發(fā)生劇烈變化，相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備需能夠快速響應(yīng)。根據(jù)此前國內(nèi)部分電廠FCB的成功經(jīng)驗來看，無不在機組配置上有得天獨厚的優(yōu)勢。上海外高橋二期發(fā)電廠2×900MW于2004年成功實現(xiàn)滿負(fù)荷FCB試驗，其汽機島、鍋爐島、儀控島均為進(jìn)口設(shè)備，分別為西門子、阿爾斯通、日本日立供貨，而且采用的是100%BMCR高旁和50%BMCR低壓旁路以及100%再熱安全門。華能石洞口第二發(fā)電廠2×600MW于1996年和1999年兩次成功實現(xiàn)FCB，其汽機和發(fā)電機為ABB公司生產(chǎn)，鍋爐為CE公司和SULZER公司生產(chǎn)，DCS、DEH等全為進(jìn)口的infi-90控制系統(tǒng)，高旁容量為100%BMCR，低旁容量為65%BMCR。廣東粵電珠海電廠2×700MW的2臺機組先后實現(xiàn)5次FCB試驗，其鍋爐和汽機為三菱重工設(shè)備，發(fā)電機為美國西屋設(shè)備，高旁和低旁容量均為40%BMCR，但其在過熱器出口配置了7只PCV閥，總排量35.8%BMCR［1］。

綜合上述部分國內(nèi)電廠成功實現(xiàn)FCB的案例，其共同特點主要設(shè)備均為進(jìn)口設(shè)備，大容量旁路或者大排放量的PCV閥。本項目機組主要設(shè)備完全國產(chǎn)化，另外就其配置而言，實現(xiàn)FCB試驗難度很大。

2.1 低容量旁路配置

由于業(yè)主大合同要求和工程投資考慮，本項目采用低容量旁路設(shè)計，高旁容量只有30%BMCR，低旁容量為高壓旁路的蒸汽流量與噴水流量之和。鑒于此，本項目考慮在過熱器出口增加PCV閥。按ASME標(biāo)準(zhǔn)，一般只配10%BMCR排量的PCV閥，本項目配置3只PCV閥，總排放量30%。按此設(shè)計，理論上機組60%以下負(fù)荷運行時，F(xiàn)CB較易實現(xiàn)。但當(dāng)負(fù)荷超過60%時，多余蒸汽將需要通過安全門排放，即當(dāng)100%負(fù)荷情況下，將有70%TMCR流量的蒸汽排向大氣。在這種情況下，極易引起機組瞬間工質(zhì)不平衡而導(dǎo)致機組跳閘［2］。所以低容量旁路配置將對機組FCB試驗是一個重大考驗。

2.2 機組全自動條件下實施FCB試驗

在與印尼業(yè)主討論FCB試驗方案過程當(dāng)中，業(yè)主提出在FCB試驗之前機組必須全自動且投入?yún)f(xié)調(diào)CCS，而且在機組FCB投入并主變出口斷路器斷開之后，10s之內(nèi)機組不能進(jìn)行人工干預(yù)，必須完全靠機組自動控制系統(tǒng)對機組進(jìn)行協(xié)調(diào)。不能進(jìn)行人工干預(yù)增加了FCB試驗的風(fēng)險，任何一個細(xì)小的環(huán)節(jié)出問題都將導(dǎo)致FCB試驗失敗。

2.3 FCB試驗時不投油槍、電泵不起

在此前國內(nèi)大部分FCB成功案例來看，F(xiàn)CB試驗開始之后為維持燃燒穩(wěn)定，在快速降低鍋爐熱負(fù)荷的同時，會快速投入一層油槍，確保鍋爐不會由于燃燒不穩(wěn)定而導(dǎo)致MFT動作。但在本項目FCB邏輯當(dāng)中并未考慮油槍投入，以便更真實模擬機組突發(fā)狀況時的情景。此外，在部分FCB案例當(dāng)中，電動給水泵處于備用狀態(tài)，即電泵已啟動，處于再循環(huán)狀態(tài)，或者和汽泵已并列運行。電泵已經(jīng)運行對于控制汽包水位以及規(guī)避汽泵汽源不穩(wěn)風(fēng)險有很大幫助，同時甩負(fù)荷后增加了廠用電負(fù)荷，能更快穩(wěn)定汽機轉(zhuǎn)速。應(yīng)業(yè)主要求，F(xiàn)CB后不聯(lián)起電泵，電泵只有在威脅到機組運行安全時才會投入運行，這也對汽泵以及汽泵汽源穩(wěn)定提出了更高的要求。

2.4 汽動給水泵的汽源切換問題

正常運行時汽動給水泵的汽源取自汽輪機四段抽汽，汽輪機甩負(fù)荷后抽汽壓力迅速跌落。由于電泵不允許啟動，要使汽動給水泵維持運行，必須迅速將其切至備用汽源。本項目在設(shè)計之初就考慮輔汽聯(lián)箱來源不僅有四抽，還有冷再。在機組正常運行時，將四抽和冷再并汽運行，確保輔汽壓力。在FCB之后，四抽壓力迅速降低，而冷再則可以繼續(xù)提供輔汽壓力，但高排逆止門快速關(guān)閉，而高旁開啟需要2s，并且高旁快開之后，壓力也會波動較大。所以輔汽壓力能否快速切換和保持穩(wěn)定，將成為FCB能否成功的關(guān)鍵。在本項目的3號機FCB時，為確保輔汽壓力，F(xiàn)CB試驗開始10s過后，手動打閘一臺小機，確保一臺汽泵正常運行。

3 FCB試驗準(zhǔn)備

由于FCB試驗是對機組所有工藝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)性能的一次嚴(yán)峻考驗，所以必須保證在FCB試驗之前機組處于一個良好的狀態(tài)，并且在此之前完成了大量的前期準(zhǔn)備工作。主要包括：

（1）鍋爐最低穩(wěn)燃試驗試驗，試驗結(jié)果表明可維持30%BMCR負(fù)荷；

（2）鍋爐安全門試驗合格，動力泄放閥試驗合格，動作正常；

（3）鍋爐緊急放水門動作正常；

（4）減溫水門動作正常，自動正常；

（5）OPC保護(hù)動作正常，汽機超速試驗合格；

（6）汽機閥門嚴(yán)密性試驗合格，主汽門、調(diào)速汽門關(guān)閉時間靜態(tài)試驗合格；

（7）高低旁閥門動作正常，自動正常；

（8）高排逆止門和高排通風(fēng)閥動作正常；

（9）抽汽逆止門動作正常；

（10）除氧器緊急放水門動作正常；

（11）柴油發(fā)電機工作正常；

（12）直流電源及所有直流油泵工作正常；

（13）勵磁系統(tǒng)正常；

（14）機組完成負(fù)荷擺動試驗，一次調(diào)頻試驗，AGC試驗；

（15）機爐電大聯(lián)鎖試驗完成；

（16）機組保護(hù)系統(tǒng)可靠，全部投入；

（17）FCB邏輯檢查修改完成；

（18）FCB試驗正式開始之前，進(jìn)行油槍試投，電泵試轉(zhuǎn)，輔汽、軸封、旁路等管道的暖管等。

4 FCB試驗情況介紹

本項目3臺機組先后總計進(jìn)行過9次FCB試驗，其中5次50%負(fù)荷，4次100%負(fù)荷，前2次50%負(fù)荷FCB試驗失敗，后7次全部成功。以下就FCB試驗失敗和成功的案例做一詳細(xì)介紹。

4.1 FCB試驗失敗分析

2013年5月15日22：49：30，1號機首次進(jìn)行50%負(fù)荷FCB試驗，試驗前機組負(fù)荷179 MW。此次試驗最終失敗，失敗的主要原因是由于中調(diào)門沒能及時打開參與轉(zhuǎn)速控制。在FCB信號發(fā)出及斷開主變出口斷路器后，OPC動作，高調(diào)門和中調(diào)門迅速關(guān)閉，汽輪機轉(zhuǎn)速瞬間轉(zhuǎn)速上升至3 075rpm，沒有超過3 090rpm，負(fù)荷降至廠用電運行，最初負(fù)荷17.2MW。7.5s后中調(diào)門自動打開1%，高調(diào)門處于關(guān)閉狀態(tài)，隨后轉(zhuǎn)速開始下降，在轉(zhuǎn)速下降過程中，中調(diào)門開度仍然沒有超過1%，高調(diào)門也未打開參與調(diào)節(jié)，直至轉(zhuǎn)速下降至2 700rpm，周波低到45Hz，發(fā)電機低頻保護(hù)動作，發(fā)電機跳，鍋爐MFT，汽機跳機。

針對此次試驗失敗，DEH廠家將中調(diào)門延時7.5s開啟改成延時2s開啟，預(yù)開度仍為1%，取消冷再壓力大于0.828MPa高調(diào)門關(guān)閉的聯(lián)鎖。

2013年5月16日22：25：27，一號機組進(jìn)行第二次50%負(fù)荷FCB試驗。試驗同樣失敗，失敗的主要原因是高排通風(fēng)閥沒能及時打開。當(dāng)FCB信號發(fā)出，主變出口斷路器斷開后，高調(diào)門和中調(diào)門迅速關(guān)閉，負(fù)荷降至18.7MW。1s后汽機轉(zhuǎn)速上升至最高3 064rpm，隨后開始下降，2 s后中調(diào)門自動開1%，參與調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)速。但此時高排通風(fēng)閥仍無開啟反應(yīng)，轉(zhuǎn)速繼續(xù)降，6s后高調(diào)門GV2開始動作，隨后GV1、GV3、GV4也開始動作，22：26：00高調(diào)門最大開度6.5%左右，由于高排通風(fēng)閥沒有開啟，而高排逆止門也處于關(guān)閉狀態(tài)，高壓缸只有進(jìn)汽，沒有排汽，無法調(diào)節(jié)汽機轉(zhuǎn)速。22：25：58.3轉(zhuǎn)速下降至2 700rpm以下，周波低于45Hz，發(fā)電機低頻保護(hù)動作，汽機和發(fā)電機跳閘，鍋爐MFT。

以上2次50%負(fù)荷FCB試驗失敗，主要原因是DEH邏輯控制器內(nèi)的壓力跟蹤速率設(shè)定值太低，中調(diào)門無法跟蹤控制汽機轉(zhuǎn)速，其次設(shè)備機械故障也是導(dǎo)致試驗失敗的另外一個原因，隨后對高排通風(fēng)閥都進(jìn)行了解體檢查，確保冷態(tài)時閥門完全開啟時間在10s左右。DEH廠家也對邏輯進(jìn)行了修改，F(xiàn)CB及主變斷路器斷開后延時2s中調(diào)門開啟，開度預(yù)設(shè)值6%，高調(diào)門在冷再壓力低于0.828MPa后投入?yún)⑴c調(diào)節(jié)。

4.2 FCB試驗成功介紹

以下選取3號機組50%負(fù)荷FCB試驗和100%負(fù)荷FCB試驗進(jìn)行介紹。

4.2.1 50%負(fù)荷FCB試驗

2013年12月31日03：28：05，3號機開始50%負(fù)荷FCB試驗。試驗前參數(shù)為：負(fù)荷175.87MW，汽機轉(zhuǎn)速2 988rpm，主蒸汽壓力15.55 MPa，主蒸汽溫度531℃，再熱蒸汽壓力1.86 MPa，再熱蒸汽溫度514℃，發(fā)電機電壓19.98 kV，發(fā)電機電流5 498A。ABCD四臺磨運行，總給煤量105.8t／h，AB兩臺汽泵運行，給水量528.9t／h。高調(diào)門開度分別為15.8%，15.2%，15.0%，15.9%，中調(diào)門開度99.4%，98.9%。

試驗過程：

（1）03：28：05.7主變出口斷路器斷開，OPC動作，高調(diào)門和中調(diào)門迅速關(guān)閉，高低旁迅速開啟，高排通風(fēng)閥逐漸開啟，PCV閥迅速打開。

（2）03：28：08中調(diào)門開始打開，開度0.6%，轉(zhuǎn)速上升至3 042rpm后開始回落。

（3）03：28：11A 磨煤機自動停磨，總給煤量下降至78.8t／h。主蒸汽壓力上升至最高15.84 MPa后開始回落。

（4）10s過后，03：28：15可以開始人工干預(yù)機組控制，高低旁切為手動操作。高低旁開度分別為95.5%和97.3%。

（5）03：30：05由于高旁后溫度超溫，高旁自動閉鎖，冷再壓力開始下降，主汽壓力上升。

（6）03：30：22轉(zhuǎn)速下降至2 919rpm，中調(diào)門開度分別為7.2%和7.3%，冷再壓力下降至0.8 MPa，高調(diào)門開始動作。由于高調(diào)門開啟速度較慢，轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降。調(diào)試人員強制高旁后溫度，解除高旁閉鎖。

（7）03：30：43轉(zhuǎn)速下降至2 778rpm，冷再壓力低至0.4MPa，高旁開始手動開啟，開度30%。中調(diào)門開度分別為7.2%和7.3%，高調(diào)門開度分別為4.7%，4.3%，3.9%，4.9%，轉(zhuǎn)速開始回升。

（8）約3min后，03：33：29轉(zhuǎn)速穩(wěn)定2 999 rpm，03：33：36機組成功重新并網(wǎng)，并網(wǎng)時機組主要參數(shù)：汽機轉(zhuǎn)速2 997rpm，主蒸汽壓力14.5 MPa，主蒸汽溫度508℃，再熱蒸汽壓力1.19 MPa，再熱蒸汽溫度533℃，爐膛負(fù)壓-115.8 Pa，汽包水位17.5mm，總給煤量83.9t／h，發(fā)電機電壓19.81kV，發(fā)電機電流554A。

表1 50%負(fù)荷FCB試驗記錄

在整個FCB過程中，汽機各軸承溫度均在合格范圍內(nèi)，無劇烈波動，除6瓦和7瓦短時間有較大波動外，最大波動到114μm，其余各瓦振動均無明顯波動。50%負(fù)荷FCB曲線如圖2所示。

4.2.2 100%負(fù)荷FCB試驗

在完成50%負(fù)荷FCB試驗后，機組立即加負(fù)荷至350MW，準(zhǔn)備開始進(jìn)行100%負(fù)荷FCB試驗。2013年12月31日06：01：55，3號機開始100%負(fù)荷FCB試驗。試驗前參數(shù)為：負(fù)荷349.4MW，汽機轉(zhuǎn)速3 007rpm，主蒸汽壓力16.57MPa，主蒸汽溫度524℃，再熱蒸汽壓力3.51MPa，再熱蒸汽溫度523℃，發(fā)電機電壓20.2kV，發(fā)電機電流10 359A。ABCDF五臺磨運行，總給煤量195.8t／h，AB兩臺汽泵運行，給 水 量1 102.3t／h。高 調(diào) 門 開 度 分 別 為41.8%，40.9%，40.9%，41.6%，中調(diào)門開度99.6%，98.9%。

圖2 50%負(fù)荷FCB曲線

試驗過程：

（1）06：01：55.3主變出口斷路器斷開，OPC動作，高調(diào)門和中調(diào)門迅速關(guān)閉，高低旁迅速開啟，高排通風(fēng)閥逐漸開啟，PCV閥迅速打開。

（2）06：01：57轉(zhuǎn)速飛升至最高轉(zhuǎn)速3 141rpm，高調(diào)門和中調(diào)門均處于關(guān)閉狀態(tài)。高旁開度52.09%，高旁減溫水閥門開度99.9%，低旁開度28.29%，低旁減溫水閥門開度99.2%，主汽壓力上升至16.99MPa，并且繼續(xù)上升，A磨自動跳磨。

（3）06：01：59轉(zhuǎn)速下降至3 101r／min，高調(diào)門和中調(diào)門仍處于關(guān)閉狀態(tài)。高旁開度96.05%，高旁減溫水閥門開度99.9%，低旁開度97.9%，冷再壓力3.718 1MPa，低旁減溫水閥門開度99.2%，主汽壓力上升至17.4MPa，并且繼續(xù)上升，F(xiàn)磨自動跳磨，總給煤量116.3t／h。

（4）06：02：01轉(zhuǎn)速下降至3 066r／min，低于3 090rpm，中調(diào)門開始參與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，中調(diào)門開度分別為2.8%和2.6%，此后汽機轉(zhuǎn)速均未超過3 090r／min。

（5）06：02：05可以開始人工干預(yù)，考慮輔汽壓力可能不足，決定逐步解列B小機。此時輔汽壓力0.79MPa，A小機轉(zhuǎn)速5 003r／min，B小機轉(zhuǎn)速5 122r／min，給水流量980t／h，汽包水位-56.77mm。中調(diào)門開度均為4.3%，汽機轉(zhuǎn)速3 024r／min。

（6）06：03：11由于高旁投自動波動較大，改為手動，設(shè)定95%開度。

（7）06：03：20低旁改為手動，設(shè)定97.9%開度，再熱蒸汽壓力下降。

（8）06：06：01轉(zhuǎn)速2 988r／min，中調(diào)門開度開到最大值11.4%和11.6%，再熱蒸汽壓力0.912 5MPa，轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，高調(diào)門開始動作，中調(diào)門開始逐漸關(guān)小。

（9）06：06：57轉(zhuǎn)速下降至最低2 919r／min，中調(diào)門開度分別為9.6%和9.8%，高調(diào)門開度分別為3.2%，2.7%，2.2%，3.3%。

（10）06：09：30 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 2 990r／min，06：09：35機組成功重新并網(wǎng)。并網(wǎng)時機組主要參數(shù)：汽機轉(zhuǎn)速2 994r／min，主蒸汽壓力17.1 MPa，主蒸汽溫度506℃，再熱蒸汽壓力1.39 MPa，再熱蒸汽溫度548℃，爐膛負(fù)壓-165.5 Pa，汽包水位-207.2mm，總給煤量94.8t／h，發(fā)電機電壓19.9kV，發(fā)電機電流2 945A。

在整個FCB過程中，汽機各軸承溫度和振動均在合格范圍內(nèi)，均無明顯劇烈波動。如圖3所示。

表2 100%負(fù)荷FCB試驗記錄

圖3 100%負(fù)荷FCB曲線

4.3 FCB試驗分析

（1）50%負(fù)荷FCB時轉(zhuǎn)速更容易穩(wěn)定。50%負(fù)荷時從試驗開始到汽機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定并網(wǎng)時長5分31秒，100%負(fù)荷則用時7分40秒。

（2）高旁減溫水應(yīng)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。在50%負(fù)荷試驗時，由于高旁后溫度超溫，高旁自動閉鎖，即使減溫水門一直保持100%開度，高旁關(guān)小，但高旁溫度依然上漲，主要是由于50%負(fù)荷時給水流量有限，溫度無法控制。在100%負(fù)荷時，給水流量大，高旁沒有超溫。

（3）低旁減溫水應(yīng)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。在兩次試驗過程當(dāng)中，低旁溫度均超溫，在今后機組設(shè)計是否可考慮增大凝泵出力。

（4）中調(diào)門和高調(diào)門自動控制跟蹤速率應(yīng)加以完善。在50%負(fù)荷試驗時，高旁閉鎖，冷再壓力下降，再熱蒸汽流量減少，中調(diào)門即使開大，轉(zhuǎn)速也下降過快，在高調(diào)門開始打開之后，中調(diào)門關(guān)閉速率過快，而高調(diào)門開啟速度較慢，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速快速跌至2 778r／min，接近低頻保護(hù)動作值。

（5）需改善爐膛負(fù)壓控制邏輯。100%負(fù)荷FCB時，爐膛負(fù)壓在2臺磨煤機跳閘后，爐膛負(fù)壓迅速降低至-1 035.53Pa。

5 結(jié)語

小島運行作為一種事故工況下的運行方式，對機組的安全經(jīng)濟(jì)運行和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的意義。本文介紹了印尼PALABUHANRATU電廠的FCB試驗情況，表明國產(chǎn)350MW機組在小旁路的情況下完全可以成功實現(xiàn)小島運行，將給國產(chǎn)同類型機組從設(shè)計到設(shè)備選型及調(diào)試運行提供一定的參考。

［1］ 騰衛(wèi)明.國產(chǎn)600MW超臨界機組FCB功能實現(xiàn)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2008.

［2］ 馮偉忠.900MW超臨界機組FCB試驗［J］.中國電力，2005（2）：74-77.FENG Wei-zhong.FCB test for 900MW supercritical units［J］.Electric Power，2005，38（2）：74-77.