火电机组FCB设计及试验分析

2019-01-16李鹏赵启成

综合智慧能源 2018年12期

李鹏，赵启成

(中国电力建设工程咨询中南有限公司，武汉 430000)

0 引言

随着电网规模的不断扩大，其影响力也不断增强。2001年美国加州和2008年2月美国佛罗里达州的大面积停电，给当地人民的生活造成了很大影响[1]；2008年我国南方因冰雪天气引起的电网大范围瘫痪，让过半数的中国人度过了一个异常“难忘”的春节。人们对电网安全重要性的认识在不断增强。

除加强电网建设以增加其可靠性外，发电厂机组快速甩负荷带厂用电(FCB)功能的建设也引起了越来越高的关注。FCB功能对提高电网的安全性有着极大的作用，也大大降低了自备电厂的投资[1]。

1 FCB工况概述

1.1 FCB工况定义

FCB指在电力系统故障或电厂内部故障造成发电机突然甩去部分负荷或全负荷的情况下，锅炉在保证在不停炉的前提下快速减少负荷并稳定燃烧，待事故消除后迅速恢复机组正常运行[1]。

1.2 FCB工况功能

FCB可维持带厂用电“孤岛运行”或者“停机不停炉”，其主要功能如下[2]。

(1)对电网：有助于电网在最短时间内恢复正常，减少停电事故造成的损失。

(2)对电厂：有助于发电机组的正常停运，同时减少停机次数，提高电厂的经济安全性。

(3)对铝厂、钢厂等自备电站：在工艺设备发生故障时，维持孤网运行，故障排除后，快速恢复全厂供电，最大程度上减少停电造成的损失。

1.3 FCB工况下的控制流程

在FCB全过程中，过热器和再热器安全阀不开启；在FCB工况投入初期(过渡状态)，汽机主蒸汽(以下简称主汽)阀快速关闭，汽机旁路快速打开；如果锅炉负荷不能相应快速降低，主汽压力会升高，这时锅炉过热器出口压力调节阀(PCV阀)会短暂打开，排放一定量的蒸汽；随着锅炉负荷降低，主汽压力恢复正常，PCV阀关闭；FCB工况稳定运行期间，PCV阀都是关闭的，不能排放蒸汽。

2 主要热力系统设计

2.1 汽机旁路系统

(1)高压旁路(以下简称高旁)阀一般按照60%锅炉最大连续蒸发量(BMCR)设置[2]，锅炉过热器出口PCV阀系统按40%BMCR主汽量设置，这样可以确保100%的蒸汽通流量，确保FCB工况投入初期锅炉过热器安全阀不打开。许多欧洲国家以核电和水电作为基本负荷，用大型火电厂调峰，常采用100%BMCR的高旁。

(2)低压旁路(以下简称低旁)容量按高旁出口流量配置，包括高旁减温水量。

(3)高、低旁采用液动旁路。高旁具有快开功能；低旁具有快开和快关功能。

2.2 除氧器

FCB瞬时除氧器出水与进水工质存在差值。FCB会造成除氧器水位急剧下降，故要求除氧器具有一定水容积。适当增加水箱容积，增加投资不大，但可以有效提高FCB瞬时机组安全性。除氧器有效容积可为在除氧器凝结水断水时，满足BMCR工况运行8 min的给水流量。除氧器有效容积此时为正常水位与低水位间容积差。

FCB工况时汽机四段抽汽已经解列。除氧器加热汽源为再热冷段，从辅汽联箱引接管道至除氧器的加热蒸汽管道。再热冷段至辅汽联箱管道和辅汽至除氧器管道上设置快开调节阀。辅汽联箱本身就有稳压的作用，快开调节阀全部打开仅需要2 s，而一般调节阀设计开度不大于75%，所以系统完全可以满足FCB瞬态加热要求。而且该系统简单，投资较少。

2.3 给水泵

对于汽动给水泵，正常汽源为四段抽汽，当FCB瞬态时，需要切换到备用汽源再热冷段，控制较复杂[3]；若采用电动给水泵则不存在切换问题，有利于FCB工况瞬态的机组稳定运行。

2.4 高压缸排汽通风阀

机组投入FCB带厂用电运行时，中压缸带厂用负荷运行[2]。在汽轮机高压缸排汽管路设置高压缸排汽通风阀(以下简称高排通风阀)。高排通风阀的设计通风流量应满足高压缸不超温，防止机组高排通风阀超温跳闸。高排通风阀应直接接入排汽装置或凝汽器，接口处应设置减温消能装置。

2.5 末端冷却装置

机组外部负荷甩掉时，低旁阀打开，进入末端冷却装置(空冷或水冷凝汽器)的热量瞬间激增，此时需校核热量增加时机组背压变化，需确保不因背压升高引起跳机。

2.6 再热压力选取

FCB工况设计的关键是再热压力的选取。由于甩负荷带厂用电负荷率较低(一般为5%到10%)，所需进汽量小。若再热蒸汽压力过(以下简称再热压力)低，蒸汽比容增大，则必须增加低压旁路系统容量以维持低旁额定流量，导致投资增加，布置困难；若再热压力过高，则中压调节阀(以下简称中调阀)开度较小。再热压力为1.5 MPa，3.0 MPa时中调阀开度与流量的关系曲线如图1所示：中调阀开度较小时，流量变化很大，易造成负荷波动大；为了稳定负荷、降低再热汽压力，增大阀门开度，此时流量对阀门开度敏感性较差。

图1 中调阀开度与流量关系曲线

FCB工况设计的再热压力通常选取1.2 MPa。

2.7 运行方式选择

鉴于FCB运行时机组处于低负荷运行，应优先选择中/低压缸进汽、高压缸不进汽的运行方式,以提高机组运行安全性，其优点如下。

(1)高压缸不进汽使高压缸高温部件金属温度与蒸汽温度间无负匹配，避免产生大的热应力。

(2)高压缸不进汽做功可增大中压缸进汽流量，直接增加低压排汽流量，有利于低压冷却。

(3)高压缸不进汽，只需调节中调阀开度即可控制转速、负荷，调节方式简单。

2.8 汽轮机入口参数要求

为避免中压进汽部分金属温度与蒸汽温度间负匹配太大，应控制中压蒸汽的温度：前期温差越小越好，最高不超过40 ℃；机组稳定后蒸汽温度可降至机组极热态启动时的温度，温降率控制在2 ℃/min以内。

3 FCB工况时机组的运行控制调节

3.1 FCB投运至稳定运行的过渡阶段

FCB过渡阶段，锅炉、汽机及相关辅机均处在负荷及参数急剧变化的阶段，通过相关的调节手段，保证机组不报警跳机，锅炉安全阀不打开，使机组达到FCB稳定运行的参数条件。

FCB工况发生时，汽机数字电液控制系统(DEH)快速关闭，高压调节阀(以下简称高调阀)和中调阀延时2 s，同时将协调控制方式切换为转速调节；若2 s后转速持续超过3 000 r/min，则超速保护控制(OPC)动作；待OPC动作恢复后，中调阀重新打开；此后由DEH通过比例-积分-微分(PID)控制器对转速进行控制，维持机组在3 000 r/min运行。

FCB稳定运行阶段，汽机采用中压缸进汽带厂用电负荷，自动调节中调阀带厂用电运行，维持汽机转速3 000 r/min，并通过高排通风阀维持高压缸温度不过热。

3.2 FCB结束阶段

按汽机中压缸启动程序，即可并网升负荷至满负荷。

4 FCB工况案例分析

截至目前，沙特660 MW亚临界机组、兰溪600 MW超临界机组、伊朗ARAK 325 MW亚临界、印尼龙湾300 MW亚临界机组等已成功完成了FCB功能试验。以沙特660 MW亚临界机组FCB试验为例进行试验分析，其典型时刻分散控制系统(DCS)显示值见表1。

表1 沙特660 MW亚临界机组FCB试验典型时刻汽机参数

注：统计点间隔为13 s。

机组从15:41:27(第44个统计点)开始进行试验，在接下来一个统计点(13 s)内，4个高调阀和2个中调阀迅速关闭，高、低旁阀迅速打开，同时转速由3 611 r/min增加到3 778 r/min；主汽压力由16.7 MPa升高到17.1 MPa；汽机负荷由额定迅速降低至39.7 MW。大约进行7个统计周期(91 s)后：转速经过调速控制下降至3 628 r/min；主汽压力开始下降至16.6 MPa；中调阀开度至约14%；汽机负荷小幅升至44.7 MW。经过一段时间的调整，机组达到FCB工况稳定运行状态，在16:18:51时：转速稳定在额定3 600 r/min左右；中调阀开度至约16%；再热压力为1.2 MPa。

整个试验过程机组主要参数变化趋势如图2所示。由图2可以看出，在FCB工况投入初期(过渡状态)，汽机高调阀和中调阀快速关闭，高、低旁阀快速打开，主汽压力升高，转速飞升；而后中调阀打开，中压缸进汽，机组做功；经过短暂的调整，转速恢复额定，主汽压力、主汽流量和功率经过振荡调整后维持稳定，达到稳定状态。