火力发电机组快速甩负荷功能设计方案研究

宋洪涛，杨立征

(中国华电工程(集团)有限公司，北京 100035)

0 引言

火力发电机组的快速甩负荷FCB(Fast Cut Back)是指机组因外部电网故障或内部发电机－变压器组故障导致机组主变压器出线开关跳闸，瞬间甩掉全部对外供电负荷并维持发电机带机组厂用电运行(俗称小岛运行)的功能。FCB功能的最大优点是当电网出现大面积停电时，机组可在电网故障消除后最短时间内向系统重要负荷和系统内其他电厂提供启动用电，是尽快恢复电网运行的首选方案。

2001年北美州地区大停电事件发生以后，世界各国对电力系统的可靠性要求越来越高。我国电力行业设计、采购、施工 EPC(Engineer，Procure，Construction)总承包商在海外投标项目中经常需要面对FCB功能要求，在一些国家FCB甚至已经成为强制性标准。虽然我国在20世纪80年代后引进的部分火电机组配置了FCB功能，但很长一段时间小岛运行方式一直不被电力行业人士所看好。由于FCB功能在电厂运行中的实用率较低，设计和调试中又存在很多问题，国内设计中具有FCB功能的机组不多，能够真正实现FCB功能的电厂更少，目前只有上海外高桥第三发电有限责任公司等少数电站真正具有FCB功能。国内的设计单位对FCB功能所要求的系统配置、设备选型和控制组态等方面还缺乏实践经验。为配合国内电力行业总承包商执行海外EPC合同，避免由于FCB功能要求所导致的技术风险，本文主要针对机组FCB的设计提供一些建议，与电力设计同行共勉。

1 FCB工况运行过程概况

火力发电机组从正常工作状态进入到FCB工况运行，需要经历FCB的投入、带机组厂用电稳定运行和机组重新并网升负荷3个主要阶段。

FCB工况投入的第1个阶段是非常重要的阶段，该阶段的主要运行目标是汽轮机能够维持3000 r/min的转速，锅炉能够顺利从正常运行状态降至不投油的最低稳燃负荷状态，保持机组工质平衡，避免机组的任何保护动作导致停机，任何机组停机都意味着FCB运行失败。由于锅炉的热惯性较大，动作时间远远滞后于汽轮机的响应速度，因此，机组至少需要5min才能进入FCB工况的第2个阶段。

FCB工况的第2个阶段是一个稳定的运行阶段，汽轮发电机组通过中压缸进汽带厂用电运行。该阶段的工作重点是维持中压进汽的压力和温度，避免汽轮机高压缸运行超温和低压缸排汽压力过高。FCB工况是汽轮发电机组极其恶劣的运行工况，对设备具有较大的损伤，通常该阶段的运行时间宜控制在30min之内。由于还没有法规明确规定FCB工况的运行数据，EPC总承包商在海外项目谈判的过程中也缺少法律依据，总承包合同通常要求适当延长该时段，但最长运行时间应控制在2 h以内，以避免机组可能存在的额外损伤。

FCB工况的第3个阶段是外网故障消除，机组由FCB工况切换到并网发电的阶段。该阶段的工作目标是调整锅炉和汽轮机的运行参数，保持工质平衡，汽轮机高压缸进汽，将机组推进到正常热态启动模式，避免汽轮机的任何设备损失和保护动作。

2 主机设备的运行方式和要求

FCB工况是火力发电机组极为恶劣的运行工况，该工况对锅炉、汽轮发电机组以及主要热力系统的设计和运行都提出了许多特殊的要求。EPC总承包商应在主机选型阶段就充分注意到FCB功能要求的特殊性，充分与主机制造商进行FCB方案的研究和交流，只有在确认主机供应商具备设计和制造FCB机组能力的基础上，才能签署技术协议和供货合同。

在合同执行阶段，汽轮机供应商应首先明确机组在FCB 3个不同阶段进汽参数和流量的要求，包括FCB各个阶段压力、温度、负荷和流量的变化曲线以及FCB运行工况对汽轮发电机组的寿命影响分析。锅炉制造商将根据汽轮机的要求，完善锅炉快速甩负荷的设计方案，以保证锅炉的运行参数与汽轮机相匹配，保持机组工质平衡，避免主燃料跳闸(MFT)保护动作。在锅炉和汽轮机方案研究的基础上，由电力设计院牵头进行研究，确定机组旁路系统、回热系统、锅炉给水系统和凝结水系统的基本配置和主要附属设备选型，最终汇总形成完整的FCB运行方案。

3 工艺系统的配置和设备选型

3．1 汽轮机高、低压旁路系统容量的选择

我国目前设计的大部分火电机组不考虑FCB功能，机组配置的旁路系统的容量为锅炉最大连续蒸发量(BMCR)的35%左右，这种旁路系统的主要功能是满足机组启动要求。当机组在FCB工况下运行时，由于进入汽轮机的蒸汽大幅度减少或切断，原来进入高压缸的蒸汽通过高压旁路排放，原来进入中压缸的蒸汽通过低压旁路排放，锅炉出力在发生FCB时必须快速降至旁路能通过的最大流量。由于锅炉的热惯性较大、燃料系统的响应速度较慢，容量为35%左右BMCR的旁路系统不能满足机组FCB的要求。

通常FCB开始时汽轮机高压调速汽门需要瞬间关闭，连锁控制旁路系统瞬间开启，锅炉一次蒸汽通过旁路系统排放以维持运行，建议汽轮机选用容量为100%BMCR的高压旁路系统，并替代锅炉过热器安全阀排放功能，取消锅炉过热器安全门。汽轮机低压旁路系统的设计流量应综合考虑锅炉不投油的最低稳定工况、FCB工况的工质回收和平衡、凝汽器的投资、除氧器水位控制等因素，建议采用容量为60%～80%BMCR的低压旁路系统，并在再热系统设置可调节式安全门，建议再热系统安全门的容量按照100%BMCR主蒸汽流量加喷水流量考虑。

3．2 锅炉给水泵的选择

火力发电机组FCB功能对锅炉给水泵的选择可能影响较大，建议在工程设计的起始阶段能够根据合同要求或与业主交流的情况确定FCB时汽轮机最大运行工况，该工况通常为100%最大连续运行(TMCR)工况，特殊工程也可能根据业主要求而选择100%阀门全开(VWO)工况。FCB时汽轮机最大运行工况应作为给水泵选型的校核工况之一，以满足在该工况下锅炉给水和高压旁路喷水的流量要求。当机组采用汽动给水泵时，根据上海外高桥第三发电有限责任公司的经验，应采用具有特殊内切换功能的专用小汽轮机，以保证给水泵汽轮机正常工况驱动汽源(主汽轮机抽汽)和低负荷工况驱动汽源(冷再热蒸汽)的快速切换，避免在FCB工况下小汽轮机驱动汽源切换滞后所导致的锅炉缺水、水冷壁出口温度迅速升高、汽动给水泵跳闸或锅炉MFT保护动作。

3．3 汽轮机回热系统配置和设备选择

当汽轮发电机组从正常运行切换到FCB工况时，所有汽轮机抽汽都将在瞬间停止，汽轮机回热系统中只有使用高压缸排汽(冷再热蒸汽)作为汽源的高压加热器和除氧器能够维持运行。由于机组低压旁路的容量通常为60%～80%BMCR，在FCB工况起始阶段再热系统安全门将开启，以维持再热系统蒸汽压力，造成系统内工质的部分流失。为减少系统内的工质流失，维持工质平衡，建议在合理的范围内尽量增大该高压加热器的容量。加热器供应商应明确进水温度快速降低、加热蒸汽流量增加对加热器结构的影响，确保加热器安全、稳定运行。除氧器的正常工作汽源为汽轮机抽汽，但在FCB工况下应迅速切换到冷再热蒸汽。因此，在系统设计中，应考虑设置再热冷段到除氧器的FCB工况专用管线并配置快速开启式调节阀和超压闭锁装置。除氧器在FCB起始工况瞬时的进、出水位差较大，为防止除氧器水位急剧波动和下降，建议适当增加除氧器的容积，通常为锅炉BMCR工况下7min左右的蒸发量。

3．4 凝结水和凝结水补水系统配置和设备选择

火力发电机组通常以单元制系统配置2×100%容量或3×50%容量的凝结水泵，FCB工况时，系统应快速连锁启动备用凝结水泵，加大凝结水流量，以满足低压旁路喷水和维持除氧器水位稳定的要求。凝结水补水系统的设计能力应能够满足FCB工况的运行要求，凝结水储存水箱的容量应充分考虑FCB工况的工质流失量，凝结水补水系统的输送能力应考虑FCB工况时的流量变化。

4 控制系统的主要设计理念

火力发电机组要成功实现FCB功能，除上述汽轮机、锅炉和主要工艺系统设备选型有变化以外，同样也对机组控制和运行方式提出了更高的要求，是火电机组控制设计理念的一次更新。

FCB是机组在电网故障情况下由正常运行状态瞬间转为带厂用电负荷的运行工况。通常这种电网故障是突发性的，不会有任何先兆。为确保FCB功能的实现，机组应完全进入FCB模式的自动控制，任何人工干预都将导致FCB功能切换失败。

机组应采用单向连锁保护方式，当电网故障时只切断主变压器出口开关，锅炉和汽轮发电机不产生联动保护动作，使机组连锁保护模式能够适应机组FCB的要求。根据上海外高桥第三发电有限责任公司的运行经验，建议设置发电机出口断路器(GCB)，以便在FCB工况时由发电机带厂用电进行小岛运行，但在发电机保护动作时，机组将厂用电自动切换至备用变压器。

汽轮机数字电液控制系统(DEH)控制回路切换到转速控制，将汽轮机转速稳定在3 000 r/min。分散控制系统(DCS)主要控制锅炉按照快减负荷(RB)控制方式快速减至最低稳燃负荷，控制旁路系统快速开启，根据FCB各个阶段要求控制给水系统、回热系统和凝结水系统的参数和流量。

［1］冯伟忠．大机组实现快速甩负荷的现实性和技术分析［J］．动力工程，2008，28(4):532 －536．

［2］沈丛奇．超(超)临界机组FCB功能和作用［C］//百万千瓦等级超(超)临界机组运行及控制技术研讨会论文集．上海:中国国电集团公司，2008．

［3］冯伟忠．1000MW超超临界机组FCB试验［J］．中国电力，2008，41(10):62 －66．

［4］石佳．1 000MW级机组实现FCB功能的热力系统配置［J］．科技资讯，2008(31):126 －127．