350MW超臨界循環流化床機組FCB功能的研究與應用

廣西華磊新材料有限公司發電廠 李建軍 趙 平

1 前言

FCB（FAST CUT BACK，快速切負荷）是機組從正常運行方式快速甩掉當前所帶負荷，過渡到僅帶5%廠用負荷的運行方式，也就是“小島運行”[1]。FCB功能于上世界80年代隨日本三菱機組引入中國，但在國內發展較慢。自2001年美國加州大停電后，國內各電網公司開始大力研究電網停電后的“黑啟動”技術，因為電網停電后發電機組在沒有任何外來電源的條件下，進行“黑啟動”是非常困難的，對于火電機組更是難上加難。如果在電網事故停電后能保留一部分電源點，就能隨時向外供電，使電網盡快恢復供電，而火電機組的FCB功能，正是在電網故障時能使機組幸存下來的重要功能。

2 項目情況

2.1 循環流化床鍋爐

循環流化床鍋爐技術是上世紀七十年代發展起來的新技術，是工業化程度最高的潔凈煤燃燒技術[2]，具有燃料適應性廣、燃燒效率高、高效脫硫、氮氧化物(NOx)排放低[2]、燃燒強度高，負荷調節快、燃料預處理系統簡單、給煤點少等優點，成為煤矸石、油頁巖、城市垃圾、淤泥和其他廢棄物等難燃固體燃料能源利用的先進技術，隨著近年來循環流化床鍋爐已經很好的解決了熱力學、力學、材料學等基礎問題和膨脹、磨損、超溫等工程問題。作為世界上能源技術發展的三大方向之一，該技術在不斷地在工業鍋爐和電站鍋爐行業得到實踐和發展，近年來，在國內投產的循環流化床鍋爐不斷增加，而且向大容量、高參數發展（600MW或以上亞臨界、超臨界等級）[3]。

2.2 機組情況

某發電廠鍋爐為單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、露天島式布置、全鋼架懸吊結構超臨界循環流化床鍋爐,每臺爐共配套8臺NJGC-30D/40T型稱重式給煤機,用天然氣進行點火啟動；汽輪機為超臨界、中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、八級回熱抽汽、抽汽凝汽式汽輪機，配置2×50%BMCR汽動給水泵，中壓缸排汽管道上安裝有一個低壓供熱調節閥（BV閥）。配QFSN－350－2－20型的水氫氫冷、機端自并勵發電機。鍋爐與汽輪機熱力系統采用單元制布置，發變組采用單元方式接入公司220kV升壓站，啟動/備用電源通過啟備變從局域網倒送方式。

鍋爐出口蒸汽參數25.4MPa/571℃/556℃,過熱器出口安裝兩個安全閥，單個容量為107.1t/h，兩個PCV閥，單個容量為76.5t/h；再熱器出口安裝兩個安全閥，單個容量為100.3t/h，兩個向空排汽閥，單個容量為150t/h。該機組采用定參數高中壓缸聯合啟動方式，并設置了兩級串聯夜動的高、低壓旁路系統，其中高旁容量為80%BMCR，低旁容量為2×30%BMCR。

機組DCS及DEH選用的是HOLLiAS MACS V6.5.3火電版系統。

該發電廠建有3×350MW超臨界循環流化床熱電聯產機組，送出線路為220kV，并入某局域網，配套建有40萬噸500kA電解鋁及320萬噸氧化鋁，發電廠主要向電解鋁供電、氧化鋁供高低壓蒸汽，單臺機組高壓供汽最大流量為250t/h，抽汽參數為7.2MPa/384.9℃；低壓供汽最大流量為125t/h，抽汽參數為1.05MPa/361.1℃。該局域網目前只有9臺機組，已與大電網完全斷開，總裝機容量為5×350+2×150+2×135=2320MW，主要有兩個電源點、兩個用戶，單機容量占比高達15%，超過了8-10%的要求，局域網的調度原則為“自發自用、互為安?！?。若電網故障或機組停運后，電解鋁面臨著限產、抽鋁水，氧化爐面臨著限產、悶罐等巨大風險，且停電時間越長損失越巨大，因此電網故障后，需要機組盡快啟動、電網盡快恢復正常，若此時機組FCB功能成功，能隨時向外供電，能盡快恢復電解、氧化鋁企業用電、用汽需求，減少經濟損失。有的局域網，自己建有大容量柴油發電機，滿足單臺機組啟動時廠用電的需求，但是當電網故障后，從柴油發電機啟動到火電機組極熱態啟動、并網，至少需要時間3小時。

3 FCB功能研究與應用

由于該超臨界循環流化床鍋爐機組并入局域網，電網容量比較小，抗干擾能力差，因此機組非常有必要具備FCB功能，即機組在實現快速甩負荷，不引起停機停爐保護動作，帶廠用電穩定運行，同時要保證各運行參數的變化在安全范圍內，不危及設備安全，以便有可能在較短的時間內重新并網。

FCB是機組在異常工況下的負荷控制，集模擬量控制和開關量控制于一體，是一種復雜的復合控制系統，它對主輔設備可靠性、自動化程度要求高，需要FSSS、MCS、DEH、旁路控制系統以及發電機勵磁調節系統等協調工作、共同來完成。

3.1 FCB功能控制策略分析

3.1.1 鍋爐給水控制

當FCB發生后，由于汽輪機的調門快速關閉，主蒸汽流量大幅度突降，而給水流量的下降速度相對要慢一點，從而造成工質的嚴重不平衡，引起過熱度的大幅度波動[4]，因此給水控制的難度比較大，影響因素也比較多，所以采用多階遲滯控制方式是必要的。

在正常運行時，汽動給水泵的汽源來自于四段抽汽，在FCB工況發生后，四段抽汽的壓力迅速下降，需要將汽動給水泵的汽源由四抽供汽切換至輔汽供汽模式，維持汽輪機轉速。

在FCB工況發生時，由于主汽壓力劇烈上升，給水流量可能會發生瞬間降至極低流量，在壓力平穩后，給水流量迅速增大的情況，故要考慮在FCB工況發生時，需要根據實際實驗情況對鍋爐主保護中的給水流量保護進行確認。

3.1.2 爐膛壓力控制

為了滿足FCB發生后鍋爐快速減負荷，鍋爐側勢必要快速減煤、減風，那么爐膛負壓會劇烈變化，采用以下方法來抑制爐膛負壓大范圍波動：優化爐膛負壓調節器的參數，使其具有很強的快速性和準確性；增加兩臺給煤機跳閘的間隔時間，給調節器提供一定的調整時間；適當放緩二次風風量的下調速度（放大二次風調節的積分時間），遲滯負壓的負向劇烈變化；增加FCB發生后爐膛負壓調節器自動投自動的邏輯。

3.1.3 鍋爐燃燒控制

將FCB信號引入鍋爐主控出口處，當FCB觸發后，切除鍋爐主控及汽機主控自動，FCB信號為切換開關，燃料主控指令切換至FCB目標燃料量，還需增加以下邏輯：燃料主控制器以及各給煤系統調節器自動投自動的邏輯；鍋爐主控切為跟隨模式，按一定的降負荷速率減煤至最低直流負荷運行下的主汽壓力；采取間隔跳閘給煤機的方式，自上而下跳閘至預設的臺數，并考慮汽溫；根據二次風量與對應煤量關系自動調整調節二次風，并增加自動投自動的邏輯；一次風控制自動調整，并增加自動投自動的邏輯。

3.1.4 主蒸汽及再熱蒸汽壓力控制

當突然甩負荷的工況出現時，為了快速泄去鍋爐負荷（壓力、流量），通常采取的辦法有三個，一是快速切除燃料，二是快開旁路系統，三是打開PCV閥進行泄壓。

設定負荷，FCB動作后聯開PCV閥泄壓，壓力到一定值后聯關PCV閥。

3.1.5 汽溫控制

FCB發生后，由于負荷的劇烈變化、燃料量的快速下降以及高加的切除等等，汽溫控制也相對較難。對于汽溫控制，需增加以下邏輯或優化：FCB發生后聯關減溫水門并自動投自動。

3.1.6 汽機轉速控制

FCB動作后DEH切至汽機空轉下的轉速控制模式，在此基礎上加入頻率的一次調頻回路或孤網預判邏輯[5]。

3.1.7 模擬量控制系統

煤礦機械工作環境十分惡劣，空氣中多伴有粉塵水汽等物質，同時環境十分潮濕。為延長機械的使用壽命，就必須在日常工作中加強維護保養，禁止所有不規范的操作流程。此外，還要選擇某一固定時間檢測機械設備，第一時間更換損耗過重的機械部件，徹底清除安全隱患，保證井下作業的安全。在機械設備的操作過程中要嚴格遵循適度原則，盡可能防止發生超載和超速的現象，有效預防由于過度使用導致的機械損耗，提高機械設備使用效率。

FCB的發生是突然的，人為的調整和干預是根本實現不了的，所以模擬量控制系統就顯得尤為重要，需要著重注意以下幾方面：

FCB發生后鍋爐主控切手動，按一定速率降負荷至預定負荷；汽機主控切為DEH轉速控制；其他子系統應保持自動運行方式；FCB是極其劇烈的工況，過程中大部分參數有可能即將達到極限，為防止因設定值與實際值偏差大切除手動，放大或解除偏差大切手動的條件；對于某些FCB工況下緊急投入的系統在自動投自動時，跟蹤當前設定值的大小要重點考慮，如旁路控制的壓力設定、減溫水設定等；根據FCB的惡劣工況，優化模擬量控制系統調節參數。

3.1.8 其他系統控制

FCB發生時，機組帶廠用負荷，修改電氣滅磁開關不跳閘、發電機脫網不跳閘汽輪機，發電機勵磁調節系統必須處于(AVR)自動方式，修改勵磁系統定子電壓限制定值在一個比較保守的范圍。

當FCB發生后，除氧器、凝汽器的水位有可能出現大幅度波動，這就需要在FCB過程中快速的實現工質及能量的平衡，應采取以下幾點措施：優化以加速除氧器的補水調節系統；及時并平滑的切換除氧器汽源；由于FCB后除氧器的大量補水、低旁快開大量減溫水的投入，凝結水需求量會急劇上升，同時低旁的打開導致大量汽水進入凝汽器造成其水容器液位急劇上升，可以聯啟一臺備用凝結水泵，滿足水系統相互間的暫態平衡；因低旁打開，大量的排汽至凝汽器，導致凝汽器壓力急劇上升，可以聯啟一臺備用真空泵的方法抑制凝汽器壓力的上升。

3.2 FCB功能邏輯框圖

FCB為機組與電網解列，汽機維持3000rpm，鍋爐不滅火，且機組帶廠用電的運行模式，此部分邏輯在DCS系統內實現[6]。通過討論，優化邏輯，該廠FCB功能邏輯框圖如圖1所示。

圖1 FCB功能邏輯框圖

3.3 FCB功能試驗

考慮到局域網的特殊性，僅進行30MW左右負荷FCB工況試驗。

3.3.1 FCB投入條件（與）

運行人員FCB功能手動投入；無MFT動作；汽機未跳閘。

3.3.2 FCB觸發條件

發電機出口主開關分閘位置（人為斷開發電機主開關觸發FCB）。

3.3.3 FCB信號復位條件（或）

運行人員手動復位；汽機跳閘；FCB觸發后，延時180s。

3.3.4 FCB試驗動作過程

該發電廠1號機組2018年08月24日開始做FCB試驗，試驗前機組負荷32MW，汽輪機轉速3009 rpm，主汽壓力9.8MPa，主汽溫度502℃，再熱壓力0.75MPa，再熱溫度510℃。18:15:10運行人員手動分開200A開關，觸發FCB動作，同時OPC動作，最高轉速至3125rpm，之后轉速趨于穩定。FCB動作后，發電機能維持廠用電運行，汽機在轉速控制模式下維持轉速在3000rpm，發電機有功16.9MW，主變有功基本為零，母線電壓10.5kV，鍋爐各參數運行正常，機組部分參數變化情況如圖2所示，18:23:25機組再次并網，帶初負荷18MW。

圖2 1號機組FCB動作后部分參數曲線

2號機組、3號機組FCB試驗分別完成，FCB動作后，發電機能維持廠用電運行，汽機在轉速控制模式下維持轉速在3000rpm，鍋爐能維持各參數正常運行。

其它設備動作過程如下：DEH控制方式由CCS控制切換至轉速控制，OPC動作，所有調門先關后開。機組維持3000rpm；關閉高低壓抽汽快關閥；跳閘2臺兩側給煤機（負荷＞50%），降給煤機轉速至對應的負荷（45%）給煤量；高旁閥和低旁閥開關按照高低旁邏輯執行；打開過熱器出口PCV閥（負荷＞105MW，開左側，負荷＞175MW開左右側），PCV閥聯關條件為主汽壓力低于26.13MPa，脈沖關閉，若壓力達不到自動關條件無法達到，需手動關閉；聯啟備用真空泵；打開VV閥；關閉高排逆止閥；輔汽至軸封調閥投自動，軸封溢流閥投自動，軸封減溫水投自動；關閉過熱器、再熱器減溫水調閥及電動門；關閉高低加抽汽電動門和抽汽逆止門，打開高低加疏水門；打開機側主再熱蒸汽系統疏水門；冷再至輔汽電動門快速打開、電動調節門快速開啟至30%，自動投入自動，維持輔汽聯箱壓力輔汽汽源切換至冷再供汽。關閉四抽供輔汽電動門；自動關閉各監視段抽汽逆止門、電動門；自動開啟各監視段抽汽管道疏水電動門、氣動門；自動開啟汽機本體疏水閥。

實現了預期目標，表明FCB功能能夠滿足機組安全穩定運行需要。為了確保FCB動作后的安全生產，防止設備損壞，做好各種事故預想，根據試驗情況，不斷優化，制定鍋爐專業、汽機專業、電氣專業標準作業卡，定期培訓，實行標準化操作，減少人員失誤，防止鍋爐超溫、汽輪機超速等各種風險。

4 結語

從機組FCB試驗情況來看，各項設計功能均能夠長期正常投入，滿足運行要求。但是因區域電網的特殊性，只進行了低負荷的FCB試驗，另外每次動作的條件、設備運行狀況也不一樣，比如機組負荷、流量、壓力、溫度等參數以及調節閥門開度、調節區間、調節量等都是不一樣，在隨后的幾次機組甩負荷后，FCB有成功的、也有不成功的，FCB動作后需要運行人員密切關注各重要參數，若自動控制不能維持參數正常，應盡快手動干預。FCB動作是否成功的關鍵在于旁路控制、冷再至輔汽調節門調節、給水流量控制等。為了確保FCB功能實現，要定期進行仿真試驗、高旁低旁開關性能試驗，結合實際動作情況進行優化，對其邏輯、運行方式等進行優化，從而滿足電網需求。