單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組FCB控制策略研究與應用

王永宏,唐 爽,江 彬,吳占元,李 杰,陳志剛,王 林

(1.大唐萬寧天然氣發電有限責任公司,海南 萬寧 571500;2.東莞深能源樟洋電力有限公司,陜西 西安 710054;3.西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710054)

廣東地區經濟發展迅速,用電負荷快速增長,受環保和資源制約,“粵港澳大灣區”的煤電機組逐步由燃氣機組替代,同時大幅增加外送電的占比,本地電源占比降低極大影響到電網運行的安全性和可靠性。當外送電故障閉鎖、電網故障發生區域性解列事故時,燃氣—蒸汽聯合循環機組可以快速負荷響應,通過快速切負荷的技術實現機組孤網運行,為電網盡快恢復供電、保障廠用電供電提供了可靠保證[1]。

聯合循環機組快速切負荷(FCB)是指機組高于一定負荷運行時,因電網故障或解列,瞬間甩掉全部對外供電負荷,維持燃機在最低負荷運行,確保發電機帶廠用電運行的自動控制功能[2-4]。FCB技術有助于發電機組的安全停運,也能作為電網故障情況下的啟動電源,有助于在最短時間內恢復電網正常[5-6]。歐美等發達國家經歷過多次大面積停電事故,對電網快速恢復過程的研究極為重視,明確要求電網內機組具備FCB功能[7-8]。國內則對火電機組FCB功能在電網黑啟動中的應用開展了不少試驗研究,解決極端天氣、新能源擾動、特高壓輸電等帶來的電網安全隱患。

1 設備概況

某電廠采用上海電氣安薩爾多AE94.3A型9F級改進型燃氣蒸汽聯合循環、一拖一單軸帶SSS離合器純凝發電機組。機組DCS和TCS控制系統均采用ABB(S+)系統。燃氣輪機主要設計參數如表1所示。

表1 燃機主要設計參數

2 聯合循環機組快切孤網后控制策略

2.1 電氣FCB觸發條件熱控判據

觸發FCB條件主要是電網或線路原因的外回路故障,出現頻次較高的是電網的高低頻切機、線路故障[9],電氣系統的安穩裝置根據故障情況來自動斷開主變高壓側開關。燃機側根據主變高壓側線路斷路器(HVCB)、發電機出口斷路器(GCB)狀態信號來判斷是否發生FCB。燃機的掃描周期為30 ms且燃機系統有重負載(壓氣機),因此燃機轉速飛升完全可控[10]。整體控制策略如圖1所示。

圖1 聯合循環機組快切孤網后熱控控制策略的技術路線圖

燃機FCB判別條件:發電機出口開關(GCB)合閘、主變高壓側開關(HVCB)分閘、機組負荷突降,以上三個條件均滿足時燃機FCB動作。其中,機組負荷突降的判斷邏輯為機組實發功率下降速率超過80%Pe/s或者功率負荷不平衡,以下條件均滿足判斷為功率負荷不平衡:

(1)實際負荷低于2倍廠用電負荷的限值;

(2)實際負荷高于逆功率值;

(3)有效負荷設定值-實際負荷的差值大于兩倍廠用電負荷的限值。

第(3)條件在邏輯中可手動旁路。FCB信號判斷在TCS中實現,TCS采用硬接線方式將FCB動作信號傳送至DEH和DCS,為提高可靠性,信號采用三冗余(三取二)方式進行。燃機FCB判別條件的邏輯框圖如圖2所示。

圖2 燃機FCB判別條件的邏輯框圖

當電網故障甩負荷或線路故障切機,機組FCB立刻響應進入“孤島運行”工況,燃機維持著較高的運行參數以提供廠用電負荷。外部事故原因一經確認、消除,通過主變高壓側開關(HVCB)同期并網,機組在熱態下完成重新并網運行,提升了電網的恢復效率[11]。

2.2 燃機與汽輪機DEH控制切換

為若電網線路發生跳閘時,FCB快切使得發電機與電網解列,用電側跳閘損失負荷量約等于故障前的實發功率-廠用電負荷量。此時,發電機組出力大于廠用電負荷,機組轉速上升,孤網頻率上升。

FCB快切信號出現后,DEH快關高/中/低調門切除汽輪機做功,迅速響應機端頻率的劇烈波動,隨后觸發汽機跳閘。當汽機完全不出力時,SSS離合器自動脫開。

燃機控制方式進入以轉速控制為主的轉速/負荷控制[12],當前負荷設定瞬時降至帶廠用電的初值,頻率回路取消負荷限制范圍,改為全行程調節。燃機的燃燒方式從預混模式平穩切換到擴散模式,天然氣系統的值班調閥 / 預混調閥1 / 預混調閥2以及壓氣機系統的IGV調閥 / CV調閥快速響應,確保能夠穩燃。與此同時,燃機快速降負荷時,由于壓氣機耗功增加量隨著轉速的升高而增加,與TCS減出力控制邏輯共同作用,燃氣流量調節過程迅速,燃機可以有效控制其輸出功率,從而有效限制燃機轉速突升,有利于機組運行的穩定性和廠用電設備網頻的穩定性。

在上述設計控制策略的基礎上,本課題需要初步計算廠用電負荷初值、FCB動作的瞬間負荷、燃燒方式切換過程的天然氣燃料基準的FCB初值以及IGV / CV調閥的FCB初值,然后在50% /100%甩負荷試驗過程中不斷完善這些初值。

2.3 旁路控制

2.3.1 若旁路控制在FCB工況下主要功能

(1)機組故障減負荷過程中,避免主汽壓力波動大造成汽包水位突變影響機組安全;

(2)避免旁路快開過程中,旁路后蒸汽溫度上升過快造成溫度高觸發旁路快關同時避免噴水過量造成蒸汽飽和;

(3)通過凝汽器快速補水和維持凝結水母管壓力穩定來保證旁路減溫水流量充足,進而確保旁路后蒸汽溫度可控;

(4)旁路減溫水改造目的是正常調節時的穩定、惡劣工況下的快速、事故工況下的安全(避免超溫或欠溫)。

2.3.2 旁路控制策略改造主要內容

在傳統的PID控制回路及高旁閥開度前饋的基礎上,增加高旁前后溫度感知回路,具體采用高旁前蒸汽溫度與設定高旁噴水溫度偏差函數作為基礎前饋回路、高旁閥開度作為修正系數,同時增加若實際噴水后溫度高于400 ℃時補償修正系數,進而實現高旁噴水調閥快速動作、及時回收的控溫效果。

增加旁路快開預置減溫水開度回路:具體為在旁路快開觸發后,鎖定旁路反饋最大開度并折算對應減溫水開度作為減溫水初始開度的預置閥位(5 s脈沖信號并置減溫水在預設開度)。主要好處:在旁路快開的初始5～15 s內,提前激活減溫水調閥并在實際溫度低于設定值的前提下進行噴水減溫,避免后期的溫度突升。

高旁中旁聯動回路,在汽機帶載跳閘后,高中旁路預開蒸汽流量折算的開度值上。避免單純的快開造成主汽再熱蒸汽壓力突降引起汽包水位的突升。同時高旁/中旁/低旁快開改為2 s脈沖信號,并馬上轉為調節模式。實現旁路與主汽壓力的動態匹配并隨燃機負荷緩慢變化。

由燃機解列快開旁路,改為區分若汽機帶負荷則快開旁路并轉為預置開度;若汽機無負載,則旁路保持原狀態不變。避免無效擾動造成主汽壓力波動及汽包水位變化。

機組高負荷跳閘后,增加凝汽器水位快速補償回路、低壓汽包閉鎖增回路、汽機軸封快切外供汽回路,實現主汽壓力的平滑下降和汽包水位的快速恢復[13]。

2.3.3 旁路控制在FCB工況下的特別設定

根據觸發FCB動作的瞬間負荷,孤島旁路分為兩種模式:①50%Pe負荷(負荷低于50%額定負荷);②100%Pe(負荷在50%～100%額定負荷范圍內)。由孤島旁路的兩種模式,分別制定高/中/低旁路的控制策略。旁路動作原則是其初始開度要匹配FCB動作瞬間的蒸汽流量,然后進入壓力滑壓控制直至匹配燃機當前負荷,壓力下降速率須平緩進行,確保蒸汽壓力不出現大的波動、鍋爐水位穩定。

當FCB快切條件觸發后,旁路預開汽機跳閘前總負荷折算開度值,初設壓力切為跳閘前實際壓力,按照速率緩慢下滑,保證高/中/低壓力穩定即控制住汽包水位[14]。在FCB運行前后的不同工況下,高/中/低旁路閥位限制、FCB觸發后的超馳閥位。

2.4 余熱鍋爐控制

當FCB快切觸發后,機組運行由協調控制切為燃機本地功率模式,鍋爐的蒸汽壓力主要由旁路系統調節。高壓主蒸汽通過高壓旁路、再熱器、中壓旁路排至凝汽器,低壓主蒸汽通過低壓旁路直接排至凝汽器,蒸汽通道暢通確保鍋爐正常運行[15]。

當機組孤島運行時,鍋爐汽包水位由三沖量控制轉為單沖量控制,為防止汽包在FCB快切過程中出現的虛假水位引起過大的擾動,增加汽包水位調節前饋。給水調門指令的前饋邏輯為減去對應汽包的30 s前汽包壓力和60 s汽包壓力的差值,以高壓給水為例的控制回路如圖3所示。

圖3 FCB快切時,高壓給水調門控制邏輯圖

從系統工質的能量和質量平衡以及汽包壁溫變化速率等角度考慮,結合FCB快切前的負荷量,PCV閥、高中壓安全閥配合著高中低壓旁路適時開啟,高壓過熱器減溫水調節閥、再熱器減溫水調節閥快關30 s后投入自動。

2.5 輔助蒸汽控制

當FCB快切觸發后,機組運行由協調控制切為燃機本地功率模式,鍋爐的蒸汽壓力主要由旁路系統調節。高壓主蒸汽通過高壓旁路、再熱器、中壓旁路排至凝汽器。

輔助蒸汽系統的作用是保證汽機安全可靠的啟機和停機,及在低負荷和異常工況下提供所需壓力及溫度的足量汽源,同時向有關設備提供生產加熱用汽。對于本機組,輔汽系統分別向除氧器供汽和汽輪機軸封供汽。

汽輪機高負荷運行時,采用自密封平衡供汽的軸封系統,只有啟停機或低負荷過程中需要輔助蒸汽提供軸封用汽。汽機的軸封溫度穩定至關重要,因而FCB觸發后聯啟軸封電加熱器來保證輔汽至軸封溫度穩定,避免軸封失壓、溫降過快,造成抱軸和振動增大等事故。同時監控低壓汽包溫度,保持輔汽至低壓汽包的蒸汽有較高溫度,滿足除氧效果。

最后,必須保證輔汽聯箱的汽源穩定可靠。FCB快切動作后,輔汽聯箱的汽源為冷端再熱蒸汽來和啟動鍋爐來。啟動鍋爐日常采用自動保壓方式運行,冷再蒸汽至輔汽段和啟鍋至輔汽段的疏水閥應定期開關,確保管路末端預暖充分,保證汽源在熱備用狀態,并隨時能投入使用。

3 實際應用效果

依托某燃機電廠#5機組基建調試項目,完善后FCB控制策略分別于2021年1月9日和2021年4月9日進行機組甩50%和甩100%負荷試驗中得到成功驗證,表明相關熱控的控制策略實用有效。

由圖4～圖5可知,機組甩負荷后,蒸汽壓力、溫度,燃機轉速等均在較短時間內恢復穩定狀態。電氣燃機超頻、欠頻定值見表2。

圖4 機組甩100%Pe負荷(余熱鍋爐側)

圖5 機組甩100%Pe負荷后(汽輪機側)

表2 電氣燃機超頻、欠頻定值(實測)

燃機在線路斷路器、發電機出口斷路器均合閘時,若進行FCB功能的空線路充電試驗,需要燃機保持在轉速控制模式并維持轉速50 Hz,隨著網內并列電廠增加、調度要求轉為功率控制時,需要燃機轉為功率控制模式并要求初負荷跟蹤實發功率后,然后改為運行手動設定功率的常規操作方式。

4 結 論

通過機組甩50%Pe和50%Pe工況考驗,本電氣系統、旁路控制、鍋爐控制、輔汽控制及其余輔機相關聯的熱控控制策略及量化組態等得到了較好的應用,特別是動態測試并獲取了轉速飛升數據,為后續電氣安穩裝置定值的修改提供了依據。在外系統具備FCB工況條件后,即具備了進行相關的FCB試驗能力。