国内首台单轴燃气—蒸汽联合循环机组FCB试验实践

李超文

（珠海市钰海电力有限公司，广东 珠海 519000）

0 引言

珠海市钰海电力有限公司为2×465MW单轴燃气-蒸汽联合循环供热机组，全厂配置为：2台燃气轮机、2台发电机、2台余热锅炉、2台蒸汽轮机，燃气轮机组和蒸汽轮发电机组为单轴布置，2台机组均配置100%容量的高、中、低三级旁路，全厂联合循环机组在设计工况下的发电出力为920MW。机组采用单元制接线方式，发电机经GCB开关并网，机组厂用变挂在主变低压侧，机组接线方式如图1。当电网发生故障时，电厂安稳装置首先断开发电机高压侧HVCB开关，此时燃机通过判断燃机转速、HVCB开关状态、GCB开关状态来触发燃机FCB状态。燃机进入FCB状态后，燃机控制模式由负荷控制模式切换至转速控制模式，进入“孤岛运行”状态，同时燃机触发汽轮机跳闸主保护（预判超速保护）动作，汽机跳闸。FCB状态下余热锅炉维持旁路运行，高压蒸汽通过高压旁路、再热器、中压旁路进入凝汽器，低压主蒸汽通过低旁直接排入凝汽器，机组热力循环示意图如图2。当电网恢复后，机组通过发电机高压侧HVCB再同期并网，燃机控制模式由转速控制模式切换至负荷控制模式。

图1 机组接线方式图Fig.1 The wiring diagram of the unit

图2 机组热力循环示意图Fig.2 Schematic diagram of the thermal cycle of the unit

1 逻辑优化

钰海电厂DCS、TCS系统分别采用两套控制系统，DCS控制系统采用南京科远公司的控制系统NT6000，实现联合机组余热锅炉及其辅助设备、热力系统、热网、循环水系统、厂用电系统的监护和控制，机岛设备（燃机－汽机－发电机）的控制采用上海安萨尔多公司配套的TCS控制系统（设备采用ABB S+系统），DCS控制系统可与TCS控制系统进行通讯，实现对燃机及其辅助系统的集中监视，实现机组的整体协调控制。

1.1 DCS侧FCB触发逻辑

DCS侧FCB触发逻辑采用TCS来FCB信号（3取2）、燃机有火、高压汽包压力大于7Mpa三者相与，DCS侧FCB动作输出信号为7min长脉冲指令，TCS侧FCB触发逻辑为燃机转速在46.667Hz～53.333Hz之间运行，GCB、HVCB均合闸状态下HVCB突然分开，TCS侧FCB信号通过硬接线方式连接至DCS系统。

1.2 自动逻辑优化

FCB动作过程参数变化剧烈，对自动调节的品质提出了更为严苛的要求，为满足FCB工况要求，非必要不切除自动调节。为实现此功能，通过在自动切除逻辑中暂时屏蔽指令反馈偏差大、被调量与设定值偏差大切自动逻辑，等待FCB动作结束后再重新恢复原逻辑。FCB动作过程中需要投入并优化的自动包括：高、中、低旁路自动；高、中、低旁路减温自动；高、中、低压汽包上水调阀自动；给水泵变频器自动。为避免FCB动作过程中，主、再热蒸汽温度快速下降，需要将主、再热蒸汽减温水全关并且切至手动控制模式。

1.3 旁路控制逻辑优化

余热锅炉采用无锡华光锅炉股份有限公司生产的立式无补燃三压再热型余热锅炉，蒸汽轮机采用上海汽轮机厂生产的三压、再热、双缸型、抽汽凝汽式供热汽轮机，配套高、中、低压蒸汽旁路，三级旁路均采用100%容量设计，该设计有利于燃机、余热锅炉在FCB工况下稳定运行。为防止蒸汽超压，FCB动作时旁路快开，快开结束后旁路进入定压模式运行，压力设定值为FCB动作前对应的压力，定压模式运行时间设定为2min，2min后旁路参数基本趋于稳定，此时通过重置冲转参数的方式使旁路进入滑参数运行模式。滑参数运行模式下，高、中、低旁路将按照热态启动的蒸汽参数要求按照设定的速率（高压0.18 Mpa/min、中压0.05 Mpa/min、低压0.02 Mpa/min）将高、中、低压蒸汽压力分别降至热态参数7Mpa、1.8Mpa、0.4Mpa，提前做好汽轮机再次冲转的准备。

1.4 轴封及低压缸喷水逻辑优化

FCB动作后汽轮机跳闸，汽轮机轴封压力将无法维持自密封模式运行。为防止汽轮机轴封压力过低，导致汽轮机进冷却空气，此时需快速切换至它密封模式，通过超驰逻辑实现快速关闭轴封溢流阀，打开轴封供气阀至60%开度，维持轴封压力稳定后将轴封压力控制模器切至正常PID控制模式。轴封逻辑优化如图3。为防止FCB动作时低压缸出现超温，增加了相关联锁逻辑：“若汽机负荷大于120MW，触发打开低压缸喷水减温阀”。

图3 轴封控制逻辑优化Fig.3 Shaft seal control logic optimization

2 3S离合器脱扣难题分析及解决方法

3S离合器全名是同步自换挡离合器（Synchro-Self Shifting），目前在上海汽轮机厂联合循环机组有广泛应用。借助3S离合器，无须借助人工或其他辅助动力设备，即可完全自主地实现轴系之间的啮合或脱离啮合。

本次试验为国内首台单轴燃气—蒸汽联合循环机组FCB试验，缺乏相关参考数据，与多轴机组不同的是多轴机组FCB过程中汽机直接跳闸，单轴机组不仅要考虑汽机跳闸后的3S离合器脱扣问题，还需考虑燃机超速控制难题。燃机超速逻辑参数设置稍有不慎将直接导致燃机跳闸，FCB试验失败。

燃机FCB动作过程防止燃机超速控制逻辑：“燃机正常启动过程中燃机维持3000rpm所需燃料量与FCB动作后燃料量相比较，若FCB动作后70s内燃料量超过正常允许值将触发燃机预判超速保护动作，燃机跳闸”。FCB动作过程中燃机-汽机在3S离合器的作用下共同暂超3000rpm，此时燃机-汽机处于啮合状态，燃料指令会降至最低。等待转速降至3000rpm以下后，燃机在转速控制模式下，为维持燃机转速燃料控制器将不断地增加燃料量。为满足3S离合器脱扣同时保证燃机不超速，燃料量的最高限制值的设置显得尤为重要。本次试验结合机组50%、100%甩负荷过程中的燃料量的实际情况，同时结合汽轮机3000rpm空载所需燃料量，将燃机预判超速中燃料量允许值由原来的5%改为20%，修改后的燃料限定值不仅能保证3S离合器脱扣所需能量，同时也保证了燃机不超速，成功解决了单轴机组FCB过程中3S离合器脱扣难题。

3 FCB试验过程工况

3.1 FCB试验前所需具备条件

FCB试验考验的是机组调节系统的动态特性、励磁自动调节器的动态特性及机组孤岛运行的能力，为防止试验过程发生不安全事件，同时确保试验过程顺利，需提前对机组进行全面的检查，并完成相关的试验，具体要求详见表1。

表1 FCB试验前需具备的条件Table 1 Conditions to be met before FCB test

3.2 甩50%负荷FCB试验

2021年12月10日17：25：06，通过人为控制安全稳定控制装置进行切机操作，#1机组主变压器高压断路器2201跳闸，机组负荷从210.93MW快速减负荷至5.74MW，机组转入孤岛运行模式，发电机仅带厂用电负荷运行，汽轮机跳闸，蒸汽走旁路，燃气轮机转速约500ms达最高3061.19 r/min，为额定转速的102.04%。然后转速迅速下降，约13s转速降至2959.4 r/min，后转速缓慢平稳上升至3000 r/min，发电机出口电压最大为20.23 kV，最小为19.98 kV，调节时间为1s，震荡次数为1，调节器调节性能良好。发电机在试验过程中，机端电压正常，励磁系统运行正常，无其他异常报警信号，厂用电辅机运行正常。详细参数见表2，主要运行参数趋势图如图4。FCB试验动作结束后，18：03：48利用2201断路器再同期并网。

表2 50%负荷FCB试验过程参数Table 2 50% Load FCB test process parameters

图4 主要运行参数趋势图Fig.4 Trend chart of main operating parameters

3.3 甩100%负荷FCB试验

2021年12月10日21：56：37，通 过 人 为 控 制 安全稳定控制装置进行切机操作，#1机组主变压器高压断路器2201跳闸，机组负荷从409.90MW快速减负荷至7.69MW，机组转入孤岛运行模式，发电机仅带厂用电负荷运行，汽轮机跳闸，蒸汽走旁路，燃气轮机转速约2s达最高3125.14 r/min，为额定转速的104.17%。然后转速迅速下降，约20s转速降至2964.14 r/min，后转速缓慢平稳上升至3000 r/min，发电机出口电压最大为20.31 kV，最小为20.03 kV，调节器调节性能良好。发电机在试验过程中，机端电压正常，励磁系统运行正常，无其他异常报警信号，厂用电辅机运行正常。详细参数见表3，主要运行参数趋势图如图5。FCB试验动作结束后，22：50：28利用2201断路器再同期并网。

表3 100%负荷FCB试验过程参数Table 3 100% Load FCB test process parameters

图5 主要运行参数趋势图Fig.5 Trend chart of main operating parameters

3.4 试验总结及参数优化建议

从甩50%负荷FCB试验和甩100%负荷FCB试验的结果可得，本次FCB试验效果良好。FCB的触发信号，自动逻辑、旁路逻辑优化合理，能保证燃气轮机快速切换控制模式及甩负荷，同时当机组进入FCB运行状态后，旁路系统可维持稳定运行，辅助系统的自动控制逻辑设计及硬件设备都能快速反应工况的变化。但试验中也暴露出不足之处，在本次试验中存在不足包括：①高旁减温水过量导致旁路减温后蒸汽温度过低，严重时可能会发生水击现象，后期可通过优化高旁减温水控制逻辑，保证FCB动作时不超温，同时避免温度过低；②旁路滑参数时间过长，后期可通过优化旁路控制逻辑及摸索滑参数速率，适当放大滑参数速率，可在电网需要时快速完成汽机冲转并带负荷。

4 结束语

本次钰海电力公司成功完成国内首台单轴燃气—蒸汽联合循环机组FCB试验，成功解决因FCB动作而引起的汽机与燃机脱扣难题，一次性完成50%、100%FCB试验，在为确保粤港澳大湾区电力稳定供应和提升主力电源抗自然灾害能力上作出积极贡献，同时为单轴燃气-蒸汽联合循环机组进行FCB试验提供了宝贵的实践经验。