快速甩負(fù)荷功能在循環(huán)流化床機(jī)組的試驗(yàn)

劉永剛，田正彬，梁殿程

（山西京玉發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 037200）

0 引言

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

1 某電廠1號(hào)機(jī)組參數(shù)

鍋爐型號(hào)：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(tái)機(jī)組汽包設(shè)3臺(tái)25.7%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量B-MCR（boiler-maximum continue rate）的機(jī)械式安全閥，整定壓力21.0 MPa；過(guò)熱器設(shè)2臺(tái)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(guò)熱器設(shè) 3臺(tái)13.5%B-MCR容量機(jī)械式安全閥，整定壓力19.40 MPa；再熱器入口設(shè)3臺(tái)23.4%B-MCR容量的機(jī)械式安全閥，整定壓力為5.2 MPa；再熱器出口設(shè)2臺(tái)13.5%B-MCR容量的機(jī)械式安全閥，整定壓力4.82 MPa。

汽輪機(jī)采用NZK300-17.75/540/540型，亞臨界、一次中間再熱、直接空冷單元機(jī)組。每臺(tái)機(jī)組設(shè)高、低壓兩級(jí)串連旁路系統(tǒng)，設(shè)1個(gè)70%BMCR容量的高壓旁路閥，設(shè)2個(gè)55%B-MCR容量的低壓旁路閥。汽輪機(jī)為中壓缸啟動(dòng)，高、中壓缸切換點(diǎn)為10%汽機(jī)最大連續(xù)出力工況T-MCR（turbine maximum continue rate）流量；中壓缸啟動(dòng)機(jī)組，有利于帶低負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行[2]。機(jī)組啟動(dòng)或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，高壓缸高排通風(fēng)閥打開，可控制高壓缸葉片鼓風(fēng)加熱溫度，不存在超溫現(xiàn)象。

給水和凝結(jié)水系統(tǒng)：每臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)置2臺(tái)50%B-MCR容量的汽動(dòng)給水泵，1臺(tái)30%B-MCR容量的電動(dòng)調(diào)速給水泵；汽動(dòng)給水泵汽源為內(nèi)切換模式，可由輔助蒸汽、四段抽汽和冷再供汽提供。設(shè)2臺(tái)100%B-MCR容量電動(dòng)凝結(jié)水泵，可變頻控制。

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)：每爐設(shè)置2臺(tái)50%容量動(dòng)葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)，1臺(tái)100%容量動(dòng)葉可調(diào)軸流式二次風(fēng)機(jī)、1臺(tái)100%容量變頻離心式一次風(fēng)機(jī)和3臺(tái)50%容量流化風(fēng)機(jī)。

單元機(jī)組設(shè)置分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system），主機(jī)控制系統(tǒng)為新華XDPS400+，設(shè)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(hù)功能；汽機(jī)設(shè)有汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)DEH（digital electro-hydraulic control），汽輪機(jī)危急遮斷保護(hù)系統(tǒng)ETS（emergency trip system），能夠?qū)崿F(xiàn)汽機(jī)103%和110%額定轉(zhuǎn)速超速保護(hù)OPC（over-speed control）、具有功率不平衡 PLU(power load unbalance)和甩負(fù)荷預(yù)測(cè)LDA（load drop anticipation）等功能；2臺(tái)機(jī)組在調(diào)試期間均成功進(jìn)行了50%和100%甩負(fù)荷試驗(yàn)。

2 FCB功能試驗(yàn)綜述

2.1 試驗(yàn)方式

此次FCB試驗(yàn)，是建立在機(jī)組各系統(tǒng)原有功能之上，未對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模改造，通過(guò)控制流化床鍋爐燃燒工況，來(lái)實(shí)現(xiàn)FCB功能。循環(huán)流化床鍋爐在正常運(yùn)行中，床體積蓄大量燃料，熱慣性大，試驗(yàn)中如僅采取鍋爐MFT，床料仍將正常燃燒，在機(jī)組現(xiàn)有設(shè)備的配置下，旁路系統(tǒng)或難以滿足需要，導(dǎo)致超溫、超壓，危及設(shè)備安全。因此，試驗(yàn)方式設(shè)定鍋爐MFT，先切斷燃料，隨后鍋爐BT，依次停運(yùn)爐側(cè)風(fēng)機(jī)，使鍋爐逐漸進(jìn)入“壓火”狀態(tài)；機(jī)側(cè)首先進(jìn)行大功率甩負(fù)荷，OPC超速保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組快速減負(fù)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(yàn)設(shè)置的觸發(fā)條件為機(jī)組PLU信號(hào)觸發(fā)或轉(zhuǎn)速超速OPC信號(hào)觸發(fā)（FCB投入狀態(tài)下，在內(nèi)置數(shù)字信號(hào)處理器DSP（digital signal processor）卡內(nèi)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(dòng)作[3]。

b）FCB試驗(yàn)前，應(yīng)屏蔽機(jī)組LDA功能，防止降負(fù)荷至零功率；試驗(yàn)時(shí)，DCS發(fā)信號(hào)模擬斷開或人工斷開主變壓器出線側(cè)201開關(guān)，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(dòng)作，將LDA功能屏蔽。

2.3 FCB觸發(fā)后的主要?jiǎng)幼鲗?duì)象

a）發(fā)變組出口高壓側(cè)201開關(guān)跳閘。確保和外網(wǎng)隔斷，發(fā)電機(jī)切換至帶高廠變運(yùn)行，形成內(nèi)部“小島”運(yùn)行條件。

b） OPC電磁閥動(dòng)作。如為電超速信號(hào)觸發(fā)FCB功能，同時(shí)OPC電磁閥動(dòng)作；如PLU信號(hào)觸發(fā)FCB功能，F(xiàn)CB輸出信號(hào)控制OPC電磁閥動(dòng)作[4]。關(guān)閉相關(guān)關(guān)斷閥和調(diào)節(jié)閥。

c）鍋爐MFT動(dòng)作，延時(shí)2 s后，鍋爐BT動(dòng)作（自動(dòng)或手動(dòng)）。

d）聯(lián)啟電泵，電泵運(yùn)行信號(hào)存在且延時(shí)2 s，發(fā)指令跳閘12號(hào)汽泵。

e）發(fā)指令至鍋爐PCV閥，其動(dòng)作定值在原值基礎(chǔ)上降低3 MPa。

f）發(fā)指令高旁閥開度10%，隨后轉(zhuǎn)為自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證后續(xù)用汽。

g）汽泵汽源自動(dòng)切換至冷再供汽。

h）輔汽供除氧器調(diào)門，在FCB動(dòng)作后，自動(dòng)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(cè)各類風(fēng)機(jī)的較大負(fù)荷，拖住汽輪機(jī)轉(zhuǎn)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(fù)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(dòng)BT；隨后，一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、流化風(fēng)機(jī)等間隔跳停，徹底切斷燃燒條件，僅利用爐內(nèi)積蓄的熱量來(lái)控制蒸汽溫度和壓力。

2.5 汽輪機(jī)控制

在FCB功能觸發(fā)時(shí)或觸發(fā)后，OPC電磁閥動(dòng)作，迅速關(guān)斷高、中調(diào)門和汽輪機(jī)各段抽汽逆止閥；汽輪機(jī)負(fù)荷瞬間降低，由功率調(diào)節(jié)進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)狀態(tài)，汽輪機(jī)切至中壓缸運(yùn)行模式。

2.6 高、低壓旁路控制

在FCB動(dòng)作信號(hào)輸出后，為保證輔汽、軸封、小汽輪機(jī)用汽和中壓缸穩(wěn)定進(jìn)汽，高旁閥自動(dòng)開啟10%。隨后，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行設(shè)置高、低旁轉(zhuǎn)為壓力自動(dòng)控制。為避免高旁門因減溫水壓力低出現(xiàn)關(guān)閉，在FCB試驗(yàn)前關(guān)閉此保護(hù)功能。同理，低旁采用自動(dòng)控制模式，低旁減溫水壓低保護(hù)解除。

2.7 給水泵控制

在FCB功能動(dòng)作后，輸出信號(hào)聯(lián)啟電動(dòng)給水泵，電泵啟動(dòng)信號(hào)存在2 s后，跳閘1臺(tái)汽泵。啟動(dòng)電泵，一是增加汽輪機(jī)的制動(dòng)扭矩，二是保證給鍋爐補(bǔ)水。為防止汽泵全停觸發(fā)機(jī)組BT動(dòng)作，汽泵的跳閘是在電泵啟動(dòng)信號(hào)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(shí)出現(xiàn)問(wèn)題[6]。汽泵汽源自動(dòng)切換至輔助蒸汽或冷再供汽，汽源量存在減小波動(dòng)，自動(dòng)跳閘1臺(tái)汽泵，利于汽源穩(wěn)定，而后視汽包水位情況，手動(dòng)關(guān)閉第2臺(tái)汽泵。

3 FCB試驗(yàn)過(guò)程

3.1試驗(yàn)前準(zhǔn)備條件

為確保試驗(yàn)的安全性，需做大機(jī)交流潤(rùn)滑油泵聯(lián)啟試驗(yàn)、大機(jī)主汽門活動(dòng)試驗(yàn)、小機(jī)調(diào)門活動(dòng)試驗(yàn)、主汽門活動(dòng)試驗(yàn)、電泵聯(lián)啟試驗(yàn)等[7]，各種文章多有論述，不再贅述。

3.2 FCB試驗(yàn)前參數(shù)表

FCB試驗(yàn)前各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 1號(hào)機(jī)組試驗(yàn)前部分參數(shù)值

試驗(yàn)前主要參數(shù)，機(jī)組在順閥控制，綜合閥位92%。

3.3 FCB試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)

某電廠300 MW循環(huán)流化床直接空冷機(jī)組，在多次進(jìn)行FCB有關(guān)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于2015年10月13日21時(shí)進(jìn)行了機(jī)組高負(fù)荷FCB功能試驗(yàn)，并取得了成功，試驗(yàn)情況如下。

2015年10月13日21點(diǎn)21分36秒，1號(hào)機(jī)組功率約250 MW，轉(zhuǎn)速3 001 r/min。21分36秒約400 ms，拉開主變壓器201開關(guān)，模擬電網(wǎng)故障。21分36秒約600ms，機(jī)組甩負(fù)荷由249.47 MW降至30.67 MW，轉(zhuǎn)速由3 001.2 r/min陡升至3 087.3 r/min，OPC超速觸發(fā)FCB動(dòng)作。如圖1所示，OPC為電超速信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)3 040 r/min，觸發(fā)FCB功能。PLU信號(hào)值為分布式處理單元DPU（distributed processing unit）軟件計(jì)算的機(jī)組電負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷的偏差，當(dāng)其值大于等于30%，PLU輸出信號(hào)，觸發(fā)FCB動(dòng)作，信號(hào)時(shí)長(zhǎng)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(duì)汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制至關(guān)重要，越早觸發(fā)，轉(zhuǎn)速升高峰值越低。

表2 某電廠300 MW機(jī)組功率、轉(zhuǎn)速和FCB觸發(fā)時(shí)間表

續(xù)表

表2中每列以100 ms為計(jì)時(shí)單位。

OPC超速信號(hào)發(fā)出，觸發(fā)FCB的同時(shí)，OPC電磁閥動(dòng)作，快速關(guān)閉高壓調(diào)門、中壓調(diào)門和汽機(jī)本體抽汽逆止閥。

FCB觸發(fā)后，隨即動(dòng)作2.3項(xiàng)所列功能。高旁閥自動(dòng)開啟至10%開度，鍋爐MFT動(dòng)作，電泵啟動(dòng)，鍋爐BT等如圖1所示。電泵聯(lián)啟，電泵啟動(dòng)信號(hào)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(dòng)鍋爐BT，鍋爐各風(fēng)機(jī)陸續(xù)跳閘，充分利用鍋爐熱慣性維持機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)；其后試驗(yàn)過(guò)程中汽包液位變化范圍為：-201～-375 mm。

圖1中時(shí)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(fù)荷、轉(zhuǎn)速曲線及主要設(shè)備動(dòng)作時(shí)序圖

機(jī)組FCB過(guò)程中負(fù)荷波動(dòng)情況。在有效的時(shí)間測(cè)量周期內(nèi)的機(jī)組負(fù)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(dòng)后，負(fù)荷又升至23.31 MW；其后，隨著鍋爐BT，爐側(cè)二次風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的停運(yùn)，負(fù)荷經(jīng)17.39 MW、10.56 MW，最終廠用電負(fù)荷穩(wěn)定在8.06 MW附近。

FCB觸發(fā)后，機(jī)組負(fù)荷降至30 MW以下，汽機(jī)切至中壓缸運(yùn)行模式，自動(dòng)進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。整個(gè)過(guò)程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍為3 121.5～2 920.7 r/min，并在21分51秒左右轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min附近。FCB過(guò)程中，輔機(jī)的啟停過(guò)程，對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的影響并不十分明顯，例如電泵啟動(dòng)、風(fēng)機(jī)跳閘等，轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線顯示波動(dòng)范圍在±25 r/min之間。

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

再熱器壓力在合理范圍內(nèi)，未打開低旁，機(jī)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(jí)減溫水，凝結(jié)水用量未增加，單臺(tái)凝泵運(yùn)行即可滿足用水需求。

小機(jī)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(diào)門迅速開啟，輔汽壓力基本在0.5 MPa左右。小機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)滿足協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)CCS（coordination control system）給水自動(dòng)要求；11汽泵維持汽包較低液位運(yùn)行，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，給水泵只需保證200 t/h的上水量即可。

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

FCB試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)出口電壓波動(dòng)范圍為22.74～23.21 kV，滿足鍋爐、汽機(jī)各輔機(jī)用電要求。

4 結(jié)論

某電廠300 MW機(jī)組快速甩負(fù)荷帶下用電運(yùn)行試驗(yàn)的成功，證實(shí)了該機(jī)組已具備高負(fù)荷條件下FCB功能。機(jī)組FCB的控制功能相較于100%甩負(fù)荷試驗(yàn)要求更為苛刻，使機(jī)組的控制功能得到了進(jìn)一步提高。現(xiàn)階段受電網(wǎng)負(fù)荷限制，山西、內(nèi)蒙古部分電廠單機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，F(xiàn)CB功能的實(shí)現(xiàn)，使機(jī)組在因電網(wǎng)故障或自身問(wèn)題出現(xiàn)甩負(fù)荷的情況下，避免全廠失電事故，待問(wèn)題消除后，快速恢復(fù)負(fù)荷，具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

機(jī)組未能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷情況下的FCB試驗(yàn)及獲得相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。循環(huán)流化床機(jī)組高負(fù)荷下FCB試驗(yàn)的完成，可向同類型機(jī)組試驗(yàn)提供經(jīng)驗(yàn)及借鑒作用。