单轴燃气-蒸汽联合循环机组FCB控制策略研究与应用

2024-02-20王永宏吴占元陈志刚

工业加热 2024年1期

王永宏,唐爽,江彬,吴占元,李杰,陈志刚,王林

(1.大唐万宁天然气发电有限责任公司,海南万宁 571500;2.东莞深能源樟洋电力有限公司,陕西西安 710054;3.西安热工研究院有限公司,陕西西安 710054)

广东地区经济发展迅速,用电负荷快速增长,受环保和资源制约,“粤港澳大湾区”的煤电机组逐步由燃气机组替代,同时大幅增加外送电的占比,本地电源占比降低极大影响到电网运行的安全性和可靠性。当外送电故障闭锁、电网故障发生区域性解列事故时,燃气—蒸汽联合循环机组可以快速负荷响应,通过快速切负荷的技术实现机组孤网运行,为电网尽快恢复供电、保障厂用电供电提供了可靠保证[1]。

联合循环机组快速切负荷(FCB)是指机组高于一定负荷运行时,因电网故障或解列,瞬间甩掉全部对外供电负荷,维持燃机在最低负荷运行,确保发电机带厂用电运行的自动控制功能[2-4]。FCB技术有助于发电机组的安全停运,也能作为电网故障情况下的启动电源,有助于在最短时间内恢复电网正常[5-6]。欧美等发达国家经历过多次大面积停电事故,对电网快速恢复过程的研究极为重视,明确要求电网内机组具备FCB功能[7-8]。国内则对火电机组FCB功能在电网黑启动中的应用开展了不少试验研究,解决极端天气、新能源扰动、特高压输电等带来的电网安全隐患。

1 设备概况

某电厂采用上海电气安萨尔多AE94.3A型9F级改进型燃气蒸汽联合循环、一拖一单轴带SSS离合器纯凝发电机组。机组DCS和TCS控制系统均采用ABB(S+)系统。燃气轮机主要设计参数如表1所示。

表1 燃机主要设计参数

2 联合循环机组快切孤网后控制策略

2.1 电气FCB触发条件热控判据

触发FCB条件主要是电网或线路原因的外回路故障,出现频次较高的是电网的高低频切机、线路故障[9],电气系统的安稳装置根据故障情况来自动断开主变高压侧开关。燃机侧根据主变高压侧线路断路器(HVCB)、发电机出口断路器(GCB)状态信号来判断是否发生FCB。燃机的扫描周期为30 ms且燃机系统有重负载(压气机),因此燃机转速飞升完全可控[10]。整体控制策略如图1所示。

图1 联合循环机组快切孤网后热控控制策略的技术路线图

燃机FCB判别条件:发电机出口开关(GCB)合闸、主变高压侧开关(HVCB)分闸、机组负荷突降,以上三个条件均满足时燃机FCB动作。其中,机组负荷突降的判断逻辑为机组实发功率下降速率超过80%Pe/s或者功率负荷不平衡,以下条件均满足判断为功率负荷不平衡:

(1)实际负荷低于2倍厂用电负荷的限值;

(2)实际负荷高于逆功率值;

(3)有效负荷设定值-实际负荷的差值大于两倍厂用电负荷的限值。

第(3)条件在逻辑中可手动旁路。FCB信号判断在TCS中实现,TCS采用硬接线方式将FCB动作信号传送至DEH和DCS,为提高可靠性,信号采用三冗余(三取二)方式进行。燃机FCB判别条件的逻辑框图如图2所示。

图2 燃机FCB判别条件的逻辑框图

当电网故障甩负荷或线路故障切机,机组FCB立刻响应进入“孤岛运行”工况,燃机维持着较高的运行参数以提供厂用电负荷。外部事故原因一经确认、消除,通过主变高压侧开关(HVCB)同期并网,机组在热态下完成重新并网运行,提升了电网的恢复效率[11]。

2.2 燃机与汽轮机DEH控制切换

为若电网线路发生跳闸时,FCB快切使得发电机与电网解列,用电侧跳闸损失负荷量约等于故障前的实发功率-厂用电负荷量。此时,发电机组出力大于厂用电负荷,机组转速上升,孤网频率上升。

FCB快切信号出现后,DEH快关高/中/低调门切除汽轮机做功,迅速响应机端频率的剧烈波动,随后触发汽机跳闸。当汽机完全不出力时,SSS离合器自动脱开。

燃机控制方式进入以转速控制为主的转速/负荷控制[12],当前负荷设定瞬时降至带厂用电的初值,频率回路取消负荷限制范围,改为全行程调节。燃机的燃烧方式从预混模式平稳切换到扩散模式,天然气系统的值班调阀 / 预混调阀1 / 预混调阀2以及压气机系统的IGV调阀 / CV调阀快速响应,确保能够稳燃。与此同时,燃机快速降负荷时,由于压气机耗功增加量随着转速的升高而增加,与TCS减出力控制逻辑共同作用,燃气流量调节过程迅速,燃机可以有效控制其输出功率,从而有效限制燃机转速突升,有利于机组运行的稳定性和厂用电设备网频的稳定性。

在上述设计控制策略的基础上,本课题需要初步计算厂用电负荷初值、FCB动作的瞬间负荷、燃烧方式切换过程的天然气燃料基准的FCB初值以及IGV / CV调阀的FCB初值,然后在50% /100%甩负荷试验过程中不断完善这些初值。

2.3 旁路控制

2.3.1 若旁路控制在FCB工况下主要功能

(1)机组故障减负荷过程中,避免主汽压力波动大造成汽包水位突变影响机组安全;

(2)避免旁路快开过程中,旁路后蒸汽温度上升过快造成温度高触发旁路快关同时避免喷水过量造成蒸汽饱和;

(3)通过凝汽器快速补水和维持凝结水母管压力稳定来保证旁路减温水流量充足,进而确保旁路后蒸汽温度可控;

(4)旁路减温水改造目的是正常调节时的稳定、恶劣工况下的快速、事故工况下的安全(避免超温或欠温)。

2.3.2 旁路控制策略改造主要内容

在传统的PID控制回路及高旁阀开度前馈的基础上,增加高旁前后温度感知回路,具体采用高旁前蒸汽温度与设定高旁喷水温度偏差函数作为基础前馈回路、高旁阀开度作为修正系数,同时增加若实际喷水后温度高于400 ℃时补偿修正系数,进而实现高旁喷水调阀快速动作、及时回收的控温效果。

增加旁路快开预置减温水开度回路:具体为在旁路快开触发后,锁定旁路反馈最大开度并折算对应减温水开度作为减温水初始开度的预置阀位(5 s脉冲信号并置减温水在预设开度)。主要好处:在旁路快开的初始5～15 s内,提前激活减温水调阀并在实际温度低于设定值的前提下进行喷水减温,避免后期的温度突升。

高旁中旁联动回路,在汽机带载跳闸后,高中旁路预开蒸汽流量折算的开度值上。避免单纯的快开造成主汽再热蒸汽压力突降引起汽包水位的突升。同时高旁/中旁/低旁快开改为2 s脉冲信号,并马上转为调节模式。实现旁路与主汽压力的动态匹配并随燃机负荷缓慢变化。

由燃机解列快开旁路,改为区分若汽机带负荷则快开旁路并转为预置开度;若汽机无负载,则旁路保持原状态不变。避免无效扰动造成主汽压力波动及汽包水位变化。

机组高负荷跳闸后,增加凝汽器水位快速补偿回路、低压汽包闭锁增回路、汽机轴封快切外供汽回路,实现主汽压力的平滑下降和汽包水位的快速恢复[13]。

2.3.3 旁路控制在FCB工况下的特别设定

根据触发FCB动作的瞬间负荷,孤岛旁路分为两种模式:①50%Pe负荷(负荷低于50%额定负荷);②100%Pe(负荷在50%～100%额定负荷范围内)。由孤岛旁路的两种模式,分别制定高/中/低旁路的控制策略。旁路动作原则是其初始开度要匹配FCB动作瞬间的蒸汽流量,然后进入压力滑压控制直至匹配燃机当前负荷,压力下降速率须平缓进行,确保蒸汽压力不出现大的波动、锅炉水位稳定。

当FCB快切条件触发后,旁路预开汽机跳闸前总负荷折算开度值,初设压力切为跳闸前实际压力,按照速率缓慢下滑,保证高/中/低压力稳定即控制住汽包水位[14]。在FCB运行前后的不同工况下,高/中/低旁路阀位限制、FCB触发后的超驰阀位。

2.4 余热锅炉控制

当FCB快切触发后,机组运行由协调控制切为燃机本地功率模式,锅炉的蒸汽压力主要由旁路系统调节。高压主蒸汽通过高压旁路、再热器、中压旁路排至凝汽器,低压主蒸汽通过低压旁路直接排至凝汽器,蒸汽通道畅通确保锅炉正常运行[15]。

当机组孤岛运行时,锅炉汽包水位由三冲量控制转为单冲量控制,为防止汽包在FCB快切过程中出现的虚假水位引起过大的扰动,增加汽包水位调节前馈。给水调门指令的前馈逻辑为减去对应汽包的30 s前汽包压力和60 s汽包压力的差值,以高压给水为例的控制回路如图3所示。

图3 FCB快切时,高压给水调门控制逻辑图

从系统工质的能量和质量平衡以及汽包壁温变化速率等角度考虑,结合FCB快切前的负荷量,PCV阀、高中压安全阀配合着高中低压旁路适时开启,高压过热器减温水调节阀、再热器减温水调节阀快关30 s后投入自动。

2.5 辅助蒸汽控制

当FCB快切触发后,机组运行由协调控制切为燃机本地功率模式,锅炉的蒸汽压力主要由旁路系统调节。高压主蒸汽通过高压旁路、再热器、中压旁路排至凝汽器。

辅助蒸汽系统的作用是保证汽机安全可靠的启机和停机,及在低负荷和异常工况下提供所需压力及温度的足量汽源,同时向有关设备提供生产加热用汽。对于本机组,辅汽系统分别向除氧器供汽和汽轮机轴封供汽。

汽轮机高负荷运行时,采用自密封平衡供汽的轴封系统,只有启停机或低负荷过程中需要辅助蒸汽提供轴封用汽。汽机的轴封温度稳定至关重要,因而FCB触发后联启轴封电加热器来保证辅汽至轴封温度稳定,避免轴封失压、温降过快,造成抱轴和振动增大等事故。同时监控低压汽包温度,保持辅汽至低压汽包的蒸汽有较高温度,满足除氧效果。

最后,必须保证辅汽联箱的汽源稳定可靠。FCB快切动作后,辅汽联箱的汽源为冷端再热蒸汽来和启动锅炉来。启动锅炉日常采用自动保压方式运行,冷再蒸汽至辅汽段和启锅至辅汽段的疏水阀应定期开关,确保管路末端预暖充分,保证汽源在热备用状态,并随时能投入使用。