F级多轴燃气蒸汽联合循环电厂FCB功能的实践

李跃辉

（中山嘉明电力有限公司横门电厂，广东 中山 528437）

近年来，电力系统装机容量越来越大，电网结构越来越复杂，保护配合难度越来越高，这造成电网解列、大面积停电事故发生的概率大增。在电网事故发生时，如何提高电网的自愈能力，迅速恢复电网供电，保障发电厂厂用电供电，对电力系统的正常运行尤其重要，故FCB功能的实现引起了电网及电厂的高度重视。FCB的功能是指发电机组在电网或线路出现故障而机组本身运行正常的情况下，发变组出线开关（TCB）跳闸，不联跳发电机出口开关（GCB），发电机带机组厂用电实现“孤岛运行”。如果FCB成功，电网故障消除后，机组能自带厂用电快速有效地通过TCB并网向系统供电，从而迅速“激活”网内其他机组并恢复对用户的供电。因此FCB功能对于电网特殊事故处理、电网黑启动及发电厂保厂用电都具有十分重要的意义。目前在广东电网中，只有几家电厂拥有真正成功实现了FCB功能的大机组，横门电厂能成功实现燃气—蒸汽联合循环机组的FCB功能，标志着广东电网黑启动又多了一个电源支撑点，将有利于在电网发生事故的情况下快速提供恢复电网的动力。

1 多轴燃气蒸汽联合循环机组的基本配置

该联合循环机组为东方电气集团公司成套提供的M701F4改进型机组，包括1台低NOx燃气轮机、1台燃机发电机、1台燃机主变、1台蒸汽轮机、1台汽机发电机、1台汽机主变、1台无补燃三压再热余热锅炉及其相关的辅助设备。燃机发电机通过发电机出口断路器GCB实现与电网并网，而汽机发电机则通过主变高压侧断路器与电网并网，厂用电由燃机主变低压侧供电。机组热力循环示意图如图1所示，电气主接线示意图如图2所示。

当电网发生不稳定超限，电厂安稳装置或失步解列装置首先自动断开燃机主变和汽机主变高压侧断路器。此时，燃机进入FCB状态，同时汽机跳闸，高压主蒸汽通过高旁、再热器、中旁排至凝汽器，低压主蒸汽通过低旁直接排至凝汽器，余热锅炉、高中压给水泵、凝汽器及真空泵等设备将维持旁路运行，保证燃气轮机发电机组及余热锅炉在FCB工况下的正常工作。当电网恢复后，机组需要从“孤岛运行”转为并网运行，然后通过燃机主变高压侧断路器实现再并网。

图1 机组热力循环示意图

图2 三套燃气蒸汽联合循环机组电气主接线示意图

2 多轴燃气蒸汽联合循环机组FCB功能实现的条件

2.1 启动燃机FCB功能的指令选择

启动燃机FCB功能的指令一般采用安全稳控装置的切机指令，或者燃机主变高开关TCB跳闸辅助接点，或者燃机负荷突降超限延时等。综合目前成功实施FCB功能的电厂经验来看，多数选择安全稳控装置的切机指令。对于如何选择启动FCB的指令，应考虑如下因素：第一，安全稳控装置不是每个电厂都标配的设备，作为FCB的启动指令比较单一；第二，FCB时主变高开关要跳闸，而主变高开关跳闸的原因很多，很难选择FCB的启动指令；第三，燃机TCS控制系统保护要求在0.1 s内必须收到启动FCB的信号，否则频率超过51.5 Hz即发跳燃机指令，导致孤岛失败。故综合考虑上述原因，选择燃机主变高开关TCB跳闸辅助接点及发电机出口开关GCB合位信号来启动燃机FCB模式，速度快捷（只需70 ms），而且简单易行。

2.2 多轴燃气蒸汽联合循环机组FCB功能实现的配套设计

2.2.1 双同期点设计

机组正常启动时，燃机发电机通过发电机出口断路器GCB实现与电网并网，一旦发生电网不稳定超限，电网安稳装置，或者失步解列装置，或者发变组相关保护首先自动断开燃机发电机的主变UCB开关，此时，燃机进入FCB状态。当系统故障排除后，机组需要从孤岛运行再并网，则只有通过合上燃机主变TCB实现再并网过程。根据以上分析，燃机FCB功能实现必须采用双同期点，仅在燃机发电机出口设置同期点，就无法实现FCB后发电机再并网的功能。该同期装置若采用一套，则需设计同期点选择回路。

2.2.2 发变组保护的跳闸矩阵

发变组保护的跳闸出口矩阵与常规机组相比需要重新设计、修改，一般将发电机频率异常（超频）保护及失步（区内）保护出口由跳燃机发电机出口GCB改为燃机主变高开关TCB。

2.2.3 100%的旁路设计

M701F4改进型机组的余热锅炉为无补燃三压再热锅炉，在供热工况下高压蒸汽流量为310 t/h，再热蒸汽流量347.8 t/h，低压蒸汽流量49.8 t/h。根据锅炉产生的蒸汽流量参数配置了100%旁路系统，高中压旁路为两级串联旁路系统，高压旁路从高压主蒸汽管道接出，经减压、减温后接至低温再热蒸汽管道，流量310 t/h；中压旁路从高温再热蒸汽管道接出，经减压、减温后接至凝汽器，流量347.8 t/h；低压旁路从低压主蒸汽管道接出，经减压后接至凝汽器流量50 t/h。100%旁路系统设计有利于燃机、余热锅炉在FCB工况下能稳定运行。

2.2.4 机、电、炉大联锁的优化

机、电、炉大联锁要符合FCB功能要求，为实现FCB功能，机、电、炉联锁原则应符合下列要求：（1）燃机主变TCB跳闸时，汽轮机跳闸，燃机RB动作带发电机快速减负荷至带厂用电作孤岛运行（FCB），余热锅炉旁路运行；（2）汽轮机单独跳闸时，不联锁跳余热锅炉、燃机，燃机仍能带发电机单循环运行，余热锅炉旁路运行。

2.2.5 辅助系统逻辑的设计考虑

由于FCB工况不同于机组跳闸，余热锅炉汽包水位控制、高中低旁路自动快开以及凝汽器真空的逻辑设计需要单独分析考虑，否则影响FCB的成功运行。

2.2.6 厂用电供电质量不合格对辅机的影响程度

厂用电供电质量有两个因素要考虑。一是电压波动范围，电动机可在额定电压变化-5%～+10%的范围内运行，其额定出力不变。这就要求发电机励磁系统在机组甩负荷后能迅速反应，将发电机电压稳定。二是频率的波动，机组甩负荷后频率上升，返回时间若较长，电动机能否承受，特别是变频器是否会跳闸。这些需要试验验证。

3 FCB全真实运行工况试验

3.1 燃机30 MW切机自带厂用电试验

为保证FCB试验的成功率和安全性，在汽机未并网的情况下，进行了一次燃机带低负荷FCB回路检查试验。试验情况如下：试验前燃机负荷30 MW，转速3000 r/min，发电机定子电压15.7 kV，励磁系统置“恒压模式”，厂用电由燃机机组自带6 MW。2014年08月8日20时07分切燃机主变高开关，燃机直接转入孤岛运行模式，1 s后燃机负荷从30 MW快速减负荷至6 MW，转速3 013 r/min，发电机定子电压15.7 kV，3 s后转速稳定在3 000 r/min，然后重新利用燃机主变高开关再次并网。虽然试验的工况较低，但是验证了FCB启动回路、逻辑设计满足试验要求，为下一步高负荷试验奠定了实践基础。

3.2 燃机50%负荷切机自带厂用电甩负荷试验

2014年08月16日21时07分通过A套稳控装置进行切机操作。A套稳控装置联切7#、8#机组动作，启动7#、8#机组发变组E柜非电量保护，7#、8#主变高压侧开关出口跳闸，1 s燃机负荷从138.71 MW快速减负荷至5.94 MW；燃机转入孤岛运行模式，发电机仅带厂用电运行，汽轮机跳闸，燃机转速约2 s达最高3 040.5 r/min，为额定转速的101.35%；然后转速迅速下降，约7 s转速降至3 006 r/min，后转速缓慢平稳下降至3 000 r/min；发电机定子电压15.7 kV稳定不变，厂用电辅机运行正常。详细参数见表1，主要参数曲线趋势图见图3。7#机组在切机传动试验结束后于2014年08月16日21时13分利用燃机主变高开关再次成功并网。

3.3 燃机100%负荷切机自带厂用电甩负荷试验

2014年08月17日21时24分43秒通过B套稳控装置进行切机操作，B套稳控装置联切7#、8#机组动作，启动7#、8#机组发变组E柜非电量保护。7#、8#机组主变高压侧开关出口跳闸，1 s燃机负荷从275 MW快速减负荷至6.46 MW，燃机转入孤岛运行模式，发电机仅带厂用电运行，汽轮机跳闸，约3 s达最高3 133.5 r/min，为额定转速的104.45%。然后转速迅速下降，约14 s时转速降至3 003.8 r/min，后转速缓慢平稳下降至3 000 r/min，发电机定子电压15.7 kV稳定不变，厂用电辅机运行正常。详细参数见表2，主要参数曲线趋势图见图4。7#机组在切机传动试验结束后，2014年08月17日21时41分利用燃机主变高开关再次并网。

图3 主要参数曲线趋势图

图4 主要参数曲线趋势图见

表2 7#燃气机100%负荷FCB前后参数

3.4 试验总结

从整个试验过程来看，F级多轴燃气蒸汽联合循环机组实现FCB功能，相对其他类型的机组成功率较大，不用过多考虑汽轮机对燃机的影响，只要燃机RB动作正常，燃烧系统的各阀门反应快速、相互配合恰当，保证燃烧稳定，且在0.1 s内收到FCB启动信号，FCB就可能成功。剩余的问题主要是辅助系统的配合，涉及余热锅炉汽包水位调整控制、高中低旁路快开。因为汽包水位失调、汽机旁路未开，会导致余热锅炉跳闸，燃机跳闸，FCB失败。所以，要求辅助系统的自动控制逻辑设计及硬件设备要能快速反映工况的变化。电气系统只要励磁调节器投自动恒压模式，就可稳定发电机定子电压，辅机就能稳定运行。总之，只要主机岛的硬件、软件具备FCB功能，再做好相关辅助系统的设计和调试，FCB就能成功。这对相同类型燃气蒸汽联合循环机组实施FCB具有推广和借鉴作用。

4 结束语

FCB功能是目前形势的需求，它对防止大面积停电电网自愈有积极作用，能提高发电厂厂用电中断的抗风险能力，FCB的成功实践将给降低电网及发电厂厂用电运行安全风险带来希望。相对于煤电机组及单轴燃气蒸汽联合循环机组，F级多轴燃气蒸汽联合循环机组实现FCB功能要简单易行。尽管目前实现FCB功能的F级燃气蒸汽联合循环电厂很少，但是只要在电厂建设的各个阶段综合考虑FCB功能的要求，做好设备招标、设计等工作，并协调好后期的现场调试、FCB试验、机组运行等各个阶段的工作，就能够确保F级燃气蒸汽联合循环机组FCB功能的成功实施。

［1］ 王卫涛.FCB工况下汽机旁路控制方案探讨［J］.华中电力，2011，（1）：39-42.

［2］ 徐征.F级多轴燃气蒸汽联合循环电厂FCB功能的设计研究［J］.宁夏电力（学术版），2013，（8）：8-10.

［3］ 杨国保.台山百万机组FCB实验控制策略［J］.神华科技，2015，（1）：65-66，69.