MW超臨界機(jī)組FCB試驗(yàn)

1、.900 MW超臨界機(jī)組FCB試驗(yàn)馮偉忠（上海外高橋第二發(fā)電有限責(zé)任公司， 上海 郵編200137）摘要：闡述機(jī)組快速甩負(fù)荷（FCB）的現(xiàn)實(shí)意義，介紹外高橋2×900 MW超臨界機(jī)組的基本配置，分析機(jī)組采用全容量高壓旁路系統(tǒng)，停機(jī)不停爐、停發(fā)電機(jī)不停汽輪機(jī)等單向連鎖保護(hù)及特殊的廠用電切換方式，使機(jī)組具備了實(shí)現(xiàn)FCB功能的有利條件。同時(shí)還分析了低壓旁路容量偏小、FCB過程中工質(zhì)不平衡、汽動(dòng)給水泵汽源快速切換、控制系統(tǒng)不完善等存在的問題及解決方案。介紹全真實(shí)運(yùn)行工況的50%、70%及100%負(fù)荷的FCB試驗(yàn)情況，試驗(yàn)的成功，證實(shí)了火電大機(jī)組實(shí)現(xiàn)FCB功能的可行性。關(guān)鍵詞：火電機(jī)組；超臨界

2、參數(shù)；FCB；孤島運(yùn)行中圖分類號(hào)：TK227；TK267；TK323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004-9649（2005）02-0000-000 引言2001年的美國(guó)加州大停電事故震動(dòng)了全世界，為從事故中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，我國(guó)各大電網(wǎng)就相關(guān)的事故預(yù)想和對(duì)策進(jìn)行了研究，尤其是對(duì)萬一電網(wǎng)崩潰，各電廠如何在無電網(wǎng)倒送電的情況下進(jìn)行黑啟動(dòng)做了探討。事實(shí)上，一般火電機(jī)組在已被迫停機(jī)的情況下，若無廠用電倒送，要想啟動(dòng)是很困難的。但如電網(wǎng)內(nèi)有若干機(jī)組在電網(wǎng)故障時(shí)能不停機(jī)，并迅速轉(zhuǎn)為只帶廠用電作“孤島運(yùn)行”（FCB*），就能使其成為電網(wǎng)的“星星之火”而迅速“激活”網(wǎng)內(nèi)其它機(jī)組并恢復(fù)對(duì)重要用戶的供電。不過，自80

3、年代以來，國(guó)內(nèi)許多火電大機(jī)組雖有FCB的設(shè)計(jì)，但鮮有100%負(fù)荷下FCB試驗(yàn)的成功者。外高橋發(fā)電廠二期2×900 MW工程，在2號(hào)機(jī)組調(diào)試階段，根據(jù)機(jī)組配置特點(diǎn)和1號(hào)機(jī)組的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)分散控制系統(tǒng)（DCS）的協(xié)調(diào)控制、汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）及旁路控制系統(tǒng)作了改進(jìn)和預(yù)試驗(yàn)后，成功進(jìn)行了事先無人工干預(yù)、全真實(shí)運(yùn)行工況的70%和100%負(fù)荷的FCB試驗(yàn)。1 機(jī)組主要設(shè)備和系統(tǒng)配置本工程采用分島招標(biāo)的方式，汽輪發(fā)電機(jī)島、鍋爐島、儀控島分別由德國(guó)SIEMENS、ALSTOM能源公司和日本日立公司中標(biāo)。按照合同，外方負(fù)責(zé)島內(nèi)的全部設(shè)計(jì)和供貨。其主設(shè)備及部分主要輔助設(shè)備配置如下：鍋爐為

4、超臨界一次再熱、燃煤、四角切圓燃燒、直流塔式、螺旋水冷壁變壓運(yùn)行鍋爐。主要參數(shù)為：蒸發(fā)量2 788 t/h；主蒸汽溫度/壓力：538/24.955 MPa；再熱蒸汽溫度/壓力：566/6Mpa。制粉系統(tǒng)配置6×20%中速碗型磨煤機(jī)，正常運(yùn)行為1臺(tái)備用。汽輪機(jī)采用四缸四排汽、單軸反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)。額定功率900 MW，最大功率980 MW（2 788 t/h）。所配發(fā)電機(jī)為水氫氫冷、同軸勵(lì)磁型，額定功率900 MW，功率因數(shù)0.9，無出口斷路器。主變采用單相3×340 MVA變壓器，27kV/500 kV。旁路系統(tǒng)配置了100%BMCR高壓旁路，該旁路兼作鍋爐高壓安全門。低壓

5、旁路容量為50%BMCR，另配100%再熱安全門。給水系統(tǒng)配置2×50%BMCR汽動(dòng)給水泵、1×40%BMCR液耦調(diào)速電動(dòng)給水泵。2 機(jī)組實(shí)現(xiàn)FCB的有利條件2.1 機(jī)組連鎖保護(hù)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)國(guó)內(nèi)引進(jìn)Westinghouse/CE型300 MW和600MW亞臨界火電機(jī)組，大都采用鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)（變壓器）相互連鎖跳閘的橫向大連鎖保護(hù)方式，這種連鎖的特點(diǎn)是“同歸于盡”。機(jī)、電、爐中任何一個(gè)跳閘即導(dǎo)致機(jī)組連鎖停機(jī)。而本工程基于配置了大旁路的有利條件 ，采用了典型的歐洲風(fēng)格的單向連鎖方式。當(dāng)鍋爐跳閘后，聯(lián)跳汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)（主變）。但汽輪機(jī)跳閘時(shí)，向后聯(lián)跳發(fā)電機(jī)（主變），但不向前聯(lián)

6、跳鍋爐。而發(fā)電機(jī)故障則跳主變出線開關(guān)及滅磁，但不聯(lián)跳汽輪機(jī)及鍋爐。特別是若系統(tǒng)或主變出線故障，只跳主變出口開關(guān)，不聯(lián)跳爐、機(jī)、電。2.2 大容量旁路系統(tǒng)對(duì)于大機(jī)組，要使機(jī)組單向連鎖成為可行，或具備FCB功能，即在主開關(guān)突然跳閘的情況下能迅速轉(zhuǎn)為維持帶廠用電的孤島運(yùn)行方式，大容量旁路系統(tǒng)是重要前提。在甩負(fù)荷的情況下，鍋爐的響應(yīng)速度遠(yuǎn)低于汽輪發(fā)電機(jī)。借助調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的快速反應(yīng)，汽輪發(fā)電機(jī)可在不到1 秒的時(shí)間內(nèi)適應(yīng)負(fù)荷的變化。但鍋爐由于較大的熱慣性和燃料系統(tǒng)的延時(shí)性，鍋爐降負(fù)荷需要數(shù)分鐘的時(shí)間，另外，鍋爐有一個(gè)維持穩(wěn)定運(yùn)行的最低負(fù)荷，通常在30%BMCR以上。采用大容量旁路后，由于其開啟速

7、度極快，在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，連鎖快開旁路，鍋爐蒸汽便可借道旁路而使其維持運(yùn)行，采用100%的高壓旁路后，鍋爐還省卻了過熱器安全閥。需指出的是，引進(jìn)Westinghouse/CE型機(jī)組的典型設(shè)計(jì)，其旁路系統(tǒng)不允許參與運(yùn)行，在汽輪機(jī)啟動(dòng)前必須退出旁路系統(tǒng)。這樣的設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)FCB。2.3 廠用電切換方式按照SIEMENS的設(shè)計(jì)，在機(jī)組正常程序啟停過程中，廠用電將自動(dòng)進(jìn)行切換，機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)后，當(dāng)負(fù)荷加至100 MW，廠用電從備用變壓器自動(dòng)切至機(jī)組廠用變壓器，程序停機(jī)則反之。但在機(jī)組故障時(shí)，廠用電切換與否則視情況而定，若主變出線跳閘而發(fā)電機(jī)運(yùn)行，廠用電不切換，由發(fā)電機(jī)帶廠用電進(jìn)行孤島運(yùn)行。而若發(fā)電機(jī)跳閘，

8、則自動(dòng)切換廠用電。因此，從電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度看，機(jī)組已具備FCB的可能。3 實(shí)現(xiàn)FCB存在的問題3.1 低壓旁路容量本工程出于降低投資的考慮，并沒有采用歐洲大機(jī)組通常配置的大容量低壓旁路。只設(shè)計(jì)了50%容量的低壓旁路，另加100%的再熱安全門。若鍋爐帶旁路運(yùn)行，必須在50%熱負(fù)荷下才能維持。按此設(shè)計(jì)，從理論上，機(jī)組在50%及以下負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)CB較容易實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)負(fù)荷超過低壓旁路容量時(shí)，多余蒸汽將通過再熱安全門排向大氣。這將導(dǎo)致機(jī)組工質(zhì)循環(huán)的不平衡，在滿負(fù)荷的情況下，只消數(shù)分鐘便會(huì)造成工質(zhì)鏈中斷而導(dǎo)致機(jī)組跳閘。因此，在甩負(fù)荷（或FCB）的情況下，如何使鍋爐負(fù)荷迅速降至50%以下并穩(wěn)定運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)機(jī)

9、組FCB的關(guān)鍵之一。3.2 汽動(dòng)給水泵汽源快速切換正常運(yùn)行時(shí)，汽動(dòng)給水泵的汽源取自汽輪機(jī)五級(jí)抽汽，汽輪機(jī)甩負(fù)荷后，抽汽壓力迅速跌落。此時(shí)若緊急啟動(dòng)電動(dòng)給水泵予以替代，且不論其容量（40%）的不足，由于帶液力耦合調(diào)速裝置的電動(dòng)給水泵啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20多秒，而此時(shí)直流鍋爐煤水比平衡的迅速破壞將導(dǎo)致鍋爐跳閘。要使汽動(dòng)給水泵維持運(yùn)行，必須迅速將其切至備用汽源。本機(jī)組由于高壓旁路的快速開啟，作為備用汽源的再熱蒸汽依然存在。故解決汽源的快速切換，并確保在汽源切換期間滿足2個(gè)要求：一是鍋爐煤水比的不平衡仍在允許范圍內(nèi)，即汽溫不超溫；二是保持鍋爐水動(dòng)力的穩(wěn)定，即水冷壁出口溫度控制在允許值內(nèi)。這是實(shí)現(xiàn)FCB的關(guān)鍵

10、之二。3.3 機(jī)組的RUNBACK試驗(yàn)及工質(zhì)平衡鑒于鍋爐在旁路開啟的情況下必須在50%及以下熱負(fù)荷才能維持運(yùn)行，故要使FCB成為可能，必須先完成滿負(fù)荷下的50%RUNBACK試驗(yàn)，以確保在甩負(fù)荷或FCB發(fā)生后鍋爐能在最短時(shí)間內(nèi)將負(fù)荷降至50%。不過，即使在RUNBACK動(dòng)作后，立即切除了2臺(tái)磨煤機(jī)并迅速降低其余3臺(tái)磨煤機(jī)的進(jìn)煤量，由于鍋爐的熱慣性和燃料系統(tǒng)的延時(shí)性，鍋爐熱負(fù)荷降至50%仍需一定時(shí)間。另外，低旁的開啟速度遠(yuǎn)比高旁慢，在此階段，多余蒸汽只能通過再熱安全門排向大氣?？陀^上造成一定程度的工質(zhì)循環(huán)不平衡。低壓旁路打開后，所用減溫水取自凝結(jié)水泵出口，其量很大，相當(dāng)于低壓蒸汽量的44%。因此

11、，凝結(jié)水泵所供總水量只有70%實(shí)際到達(dá)除氧器。而除氧水箱的設(shè)計(jì)存水量只相當(dāng)于5 min的鍋爐額定蒸發(fā)量。因此，在甩負(fù)荷后的過渡過程中，若不采取應(yīng)對(duì)措施，除氧器水箱會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的低水位。 解決上述問題的途徑有二：一是在甩負(fù)荷的過渡過程中，凝汽器熱井的控制水位暫時(shí)調(diào)低，在甩負(fù)荷（或FCB）的降負(fù)荷過程中，利用其蓄水彌補(bǔ)部分缺額；二是在甩負(fù)荷發(fā)生后，連鎖啟動(dòng)備用凝結(jié)水補(bǔ)水泵，以彌補(bǔ)工質(zhì)損失。3.4 控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合FCB工況與通常情況完全不同，此時(shí)汽輪發(fā)電機(jī)必須立即轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制方式，確保整個(gè)過渡過程的周波變化在允許范圍，并在過渡過程結(jié)束后維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)要保證發(fā)電機(jī)不過電壓。旁路系統(tǒng)除快速

12、開啟外，須由原先的滑壓跟蹤溢流模式轉(zhuǎn)為跟隨燃燒率的壓力控制方式，維持FCB過渡過程的壓力穩(wěn)定，防止鍋爐水動(dòng)力失穩(wěn)。鍋爐則在RUNBACK后按熱負(fù)荷控制方式運(yùn)行。因此，有關(guān)的控制系統(tǒng)的程序和參數(shù)要作相應(yīng)修改。4 實(shí)際FCB試驗(yàn)按照我國(guó)火電機(jī)組的啟動(dòng)驗(yàn)收規(guī)程，新機(jī)組在投產(chǎn)前必須完成甩負(fù)荷試驗(yàn)。而根據(jù)甩負(fù)荷試驗(yàn)導(dǎo)則，在甩滿負(fù)荷前，必須先做50%的甩負(fù)荷試驗(yàn)，以評(píng)估汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的完好性，并預(yù)估100%甩負(fù)荷的可能性。從汽輪機(jī)超速控制的角度，F(xiàn)CB與甩負(fù)荷之間僅相差廠用電負(fù)荷，其比例較小，為減少試驗(yàn)次數(shù)，決定將兩者的半負(fù)荷試驗(yàn)合并。在50%FCB試驗(yàn)的同時(shí)，評(píng)估汽輪機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。按計(jì)劃，F(xiàn)CB試驗(yàn)分為

13、50%負(fù)荷和100%兩次。與甩負(fù)荷試驗(yàn)不同，F(xiàn)CB試驗(yàn)的目的是為考核在遇到電網(wǎng)突發(fā)事故的情況下，機(jī)組能否安全轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行方式。而這種突發(fā)事故通常不會(huì)有先兆。為確保試驗(yàn)的真實(shí)性和實(shí)用性，試驗(yàn)前整個(gè)機(jī)組必須處于完全真實(shí)的正常運(yùn)行狀態(tài)，不得采取任何臨時(shí)措施及人工干預(yù)，唯一在試驗(yàn)時(shí)要做的就是將電氣主開關(guān)拉閘。 在成功完成所有計(jì)劃項(xiàng)目的RUNBACK試驗(yàn)后，2004年9月5日22:45，2號(hào)機(jī)組在530 MW工況下進(jìn)行了FCB試驗(yàn)，結(jié)果沒有成功，原因是汽輪機(jī)調(diào)門沒能及時(shí)打開并將汽輪發(fā)電機(jī)控制在額定轉(zhuǎn)速，結(jié)果導(dǎo)致發(fā)電機(jī)低頻保護(hù)動(dòng)作而跳閘。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是DEH控制器內(nèi)的壓力跟蹤速率設(shè)定值太低所致，后作了調(diào)整。

14、此外，這次試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)旁路控制系統(tǒng)的性能尚存在問題，后對(duì)相關(guān)參數(shù)作了修改。通過此次試驗(yàn)，機(jī)組的超速控制能力已得到考核，機(jī)組的最高轉(zhuǎn)速僅為3 080 r/min。因此，進(jìn)行100%FCB或100%甩負(fù)荷試驗(yàn)的安全障礙已經(jīng)消除。2004年9月11日凌晨4:19，做了第2次FCB試驗(yàn)。但試驗(yàn)負(fù)荷增為640 MW。此次試驗(yàn)獲得了成功。汽輪發(fā)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3 076 r/min，最低為2 996 r/min。主變開關(guān)拉閘18 s后機(jī)組轉(zhuǎn)速便達(dá)到穩(wěn)定。30 min后，機(jī)組再次并網(wǎng)。由于1臺(tái)汽動(dòng)給水泵在汽源切換過程中因進(jìn)口濾網(wǎng)差壓瞬時(shí)大造成跳閘，連鎖啟動(dòng)了容量達(dá)14.4 MW的電動(dòng)給水泵，廠用電在FCB過渡過

15、程中經(jīng)受住了電動(dòng)給水泵啟動(dòng)大電流的沖擊。此次試驗(yàn)中所有運(yùn)行參數(shù)的波動(dòng)都被控制在允許范圍內(nèi)。試驗(yàn)后，汽動(dòng)給水泵的保護(hù)參數(shù)作了調(diào)整。2004年9月14日22:30，進(jìn)行了全負(fù)荷的FCB試驗(yàn)，試驗(yàn)負(fù)荷為910 MW，此次試驗(yàn)圖1 2號(hào)機(jī)組全負(fù)荷FCB試驗(yàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線Drawing 1: Turbine rotation speed curve of Unit 20 in FCB test with full load再次獲得成功。試驗(yàn)前機(jī)組轉(zhuǎn)速為3 003 r/min。開關(guān)拉閘后機(jī)組最高轉(zhuǎn)速為3 113 r/min (51.88 Hz)，最低2 956 r/min (49.27 Hz)。主變開

16、關(guān)拉閘約34 s后機(jī)組穩(wěn)定在49.88 49.92 Hz(見圖1)，機(jī)組的電負(fù)荷從FCB前的910 MW降至25 MW。從主變開關(guān)拉閘到再次并網(wǎng)的時(shí)間為7 min，而后機(jī)組迅速將電負(fù)荷恢復(fù)至50%。在此次試驗(yàn)中，2臺(tái)汽動(dòng)給水泵的汽源切換均獲成功。所有運(yùn)行參數(shù)都被控制在允許范圍內(nèi)。唯一不足的是在這次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)除氧水箱水位下降較快，雖然水位從2 300 mm降至1 200 mm后得到穩(wěn)定，距離保護(hù)動(dòng)作水位700 mm尚有余地，但畢竟增加了風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)后分析發(fā)現(xiàn)問題主要是在FCB發(fā)生后的過渡過程中，由于一部分蒸汽排向大氣，凝汽器水位逐步降低，因此凝結(jié)水泵出口流量被控制系統(tǒng)自動(dòng)減少，這就加劇了除氧水箱進(jìn)

17、出流量的不平衡。后針對(duì)這一問題對(duì)控制系統(tǒng)作了進(jìn)一步改進(jìn)。好在對(duì)于FCB及甩負(fù)荷試驗(yàn)，兩者的工質(zhì)平衡問題是相同的。故在而后的100%甩負(fù)荷試驗(yàn)中，這一問題的解決方案得到了驗(yàn)證。5 結(jié)語（1）多年來，對(duì)于大機(jī)組，由于較多的不成功的試驗(yàn)案例，對(duì)于是否能實(shí)現(xiàn)真正意義上的FCB功能，大多數(shù)人持否定態(tài)度。即使是外高橋二期工程，原先的控制系統(tǒng)亦未完整設(shè)計(jì)FCB功能。但通過本項(xiàng)目的調(diào)試實(shí)踐，在并不增加投資的前提下，充分發(fā)揮機(jī)組的有利條件，通過對(duì)控制系統(tǒng)的改進(jìn)和完善，使機(jī)組成功實(shí)現(xiàn)了FCB功能。鑒于超臨界機(jī)組的控制難度遠(yuǎn)比常規(guī)火電機(jī)組高，說明從技術(shù)角度而言，火力發(fā)電機(jī)組在一定的配置條件下，完全能夠?qū)崿F(xiàn)FCB功能

18、。（2） FCB的成功，除對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行增加了安全因素外，還大大提高了電廠自身的安全性。在沒有FCB的情況下，一旦遇到電廠出線故障或電網(wǎng)崩潰，電廠全停，必須等到電網(wǎng)恢復(fù)倒送電，機(jī)組才能逐步啟動(dòng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)錢。并且大機(jī)組一旦突然跳閘，往往會(huì)引發(fā)許多設(shè)備缺陷，這會(huì)進(jìn)一步延誤機(jī)組的恢復(fù)。而若具有FCB能力，在上述故障時(shí)，機(jī)組能自動(dòng)維持運(yùn)行，一旦電網(wǎng)故障點(diǎn)切除，可立即恢復(fù)對(duì)外供電。大大減輕了運(yùn)行人員的負(fù)擔(dān)，消除了誤操作的潛在風(fēng)險(xiǎn)，防止了事故的擴(kuò)大，減輕了機(jī)組設(shè)備所受到的沖擊。（3）從本工程FCB試驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)來看，在火電機(jī)組的設(shè)計(jì)理念方面應(yīng)有所突破。如系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式、旁路容量的配置及與機(jī)組運(yùn)行的協(xié)調(diào)配

19、合、機(jī)組連鎖保護(hù)和控制模式的確定等。參考文獻(xiàn)：1馮偉忠.外高橋電廠二期 900 MW汽輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)J.熱力發(fā)電，2003,32(6):2-5,10.FCB Test for 900 MW Supercritical UnitsFeng Weizhong(Shanghai WGQ No.2 Power Generation Co. Ltd. Shanghai, post code 200137)Abstract: This article gives a profound description on the significance of the unit fast cut back; in

20、troduces the basic equipment configuration of WGQ 2×900 MW supercritical units; analyzes the advantage condition to realize FCB function by using the full capacity HP bypass system, one-way interlock protection such as stopping the turbine without shutdown of the boiler, stopping the generator without shutdown of the turbine and the special service power switch mode. It also analyzes the existing problems of L