MW超臨界機組FCB試驗

1、.900 MW超臨界機組FCB試驗馮偉忠（上海外高橋第二發(fā)電有限責任公司， 上海 郵編200137）摘要：闡述機組快速甩負荷（FCB）的現(xiàn)實意義，介紹外高橋2×900 MW超臨界機組的基本配置，分析機組采用全容量高壓旁路系統(tǒng)，停機不停爐、停發(fā)電機不停汽輪機等單向連鎖保護及特殊的廠用電切換方式，使機組具備了實現(xiàn)FCB功能的有利條件。同時還分析了低壓旁路容量偏小、FCB過程中工質(zhì)不平衡、汽動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。介紹全真實運行工況的50%、70%及100%負荷的FCB試驗情況，試驗的成功，證實了火電大機組實現(xiàn)FCB功能的可行性。關(guān)鍵詞：火電機組；超臨界

2、參數(shù)；FCB；孤島運行中圖分類號：TK227；TK267；TK323 文獻標識碼：B文章編號：1004-9649（2005）02-0000-000 引言2001年的美國加州大停電事故震動了全世界，為從事故中吸取經(jīng)驗教訓，我國各大電網(wǎng)就相關(guān)的事故預(yù)想和對策進行了研究，尤其是對萬一電網(wǎng)崩潰，各電廠如何在無電網(wǎng)倒送電的情況下進行黑啟動做了探討。事實上，一般火電機組在已被迫停機的情況下，若無廠用電倒送，要想啟動是很困難的。但如電網(wǎng)內(nèi)有若干機組在電網(wǎng)故障時能不停機，并迅速轉(zhuǎn)為只帶廠用電作“孤島運行”（FCB*），就能使其成為電網(wǎng)的“星星之火”而迅速“激活”網(wǎng)內(nèi)其它機組并恢復(fù)對重要用戶的供電。不過，自80

3、年代以來，國內(nèi)許多火電大機組雖有FCB的設(shè)計，但鮮有100%負荷下FCB試驗的成功者。外高橋發(fā)電廠二期2×900 MW工程，在2號機組調(diào)試階段，根據(jù)機組配置特點和1號機組的調(diào)試經(jīng)驗，在對分散控制系統(tǒng)（DCS）的協(xié)調(diào)控制、汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）及旁路控制系統(tǒng)作了改進和預(yù)試驗后，成功進行了事先無人工干預(yù)、全真實運行工況的70%和100%負荷的FCB試驗。1 機組主要設(shè)備和系統(tǒng)配置本工程采用分島招標的方式，汽輪發(fā)電機島、鍋爐島、儀控島分別由德國SIEMENS、ALSTOM能源公司和日本日立公司中標。按照合同，外方負責島內(nèi)的全部設(shè)計和供貨。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，正常運行為1臺備用。汽輪機采用四缸四排汽、單軸反動凝汽式汽輪機。額定功率900 MW，最大功率980 MW（2 788 t/h）。所配發(fā)電機為水氫氫冷、同軸勵磁型，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汽動給水泵、1×40%BMCR液耦調(diào)速電動給水泵。2 機組實現(xiàn)FCB的有利條件2.1 機組連鎖保護的設(shè)計特點國內(nèi)引進Westinghouse/CE型300 MW和600MW亞臨界火電機組，大都采用鍋爐、汽輪機、發(fā)電機（變壓器）相互連鎖跳閘的橫向大連鎖保護方式，這種連鎖的特點是“同歸于盡”。機、電、爐中任何一個跳閘即導(dǎo)致機組連鎖停機。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格的單向連鎖方式。當鍋爐跳閘后，聯(lián)跳汽輪機及發(fā)電機（主變）。但汽輪機跳閘時，向后聯(lián)跳發(fā)電機（主變），但不向前聯(lián)

6、跳鍋爐。而發(fā)電機故障則跳主變出線開關(guān)及滅磁，但不聯(lián)跳汽輪機及鍋爐。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、電。2.2 大容量旁路系統(tǒng)對于大機組，要使機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行方式，大容量旁路系統(tǒng)是重要前提。在甩負荷的情況下，鍋爐的響應(yīng)速度遠低于汽輪發(fā)電機。借助調(diào)速系統(tǒng)和勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的快速反應(yīng)，汽輪發(fā)電機可在不到1 秒的時間內(nèi)適應(yīng)負荷的變化。但鍋爐由于較大的熱慣性和燃料系統(tǒng)的延時性，鍋爐降負荷需要數(shù)分鐘的時間，另外，鍋爐有一個維持穩(wěn)定運行的最低負荷，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，在機組甩負荷時，連鎖快開旁路，鍋爐蒸汽便可借道旁路而使其維持運行，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Westinghouse/CE型機組的典型設(shè)計，其旁路系統(tǒng)不允許參與運行，在汽輪機啟動前必須退出旁路系統(tǒng)。這樣的設(shè)計難以實現(xiàn)FCB。2.3 廠用電切換方式按照SIEMENS的設(shè)計，在機組正常程序啟停過程中，廠用電將自動進行切換，機組啟動并網(wǎng)后，當負荷加至100 MW，廠用電從備用變壓器自動切至機組廠用變壓器，程序停機則反之。但在機組故障時，廠用電切換與否則視情況而定，若主變出線跳閘而發(fā)電機運行，廠用電不切換，由發(fā)電機帶廠用電進行孤島運行。而若發(fā)電機跳閘，

8、則自動切換廠用電。因此，從電氣系統(tǒng)的設(shè)計角度看，機組已具備FCB的可能。3 實現(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組通常配置的大容量低壓旁路。只設(shè)計了50%容量的低壓旁路，另加100%的再熱安全門。若鍋爐帶旁路運行，必須在50%熱負荷下才能維持。按此設(shè)計，從理論上，機組在50%及以下負荷運行時，F(xiàn)CB較容易實現(xiàn)。但當負荷超過低壓旁路容量時，多余蒸汽將通過再熱安全門排向大氣。這將導(dǎo)致機組工質(zhì)循環(huán)的不平衡，在滿負荷的情況下，只消數(shù)分鐘便會造成工質(zhì)鏈中斷而導(dǎo)致機組跳閘。因此，在甩負荷（或FCB）的情況下，如何使鍋爐負荷迅速降至50%以下并穩(wěn)定運行是實現(xiàn)機

9、組FCB的關(guān)鍵之一。3.2 汽動給水泵汽源快速切換正常運行時，汽動給水泵的汽源取自汽輪機五級抽汽，汽輪機甩負荷后，抽汽壓力迅速跌落。此時若緊急啟動電動給水泵予以替代，且不論其容量（40%）的不足，由于帶液力耦合調(diào)速裝置的電動給水泵啟動時間長達20多秒，而此時直流鍋爐煤水比平衡的迅速破壞將導(dǎo)致鍋爐跳閘。要使汽動給水泵維持運行，必須迅速將其切至備用汽源。本機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；二是保持鍋爐水動力的穩(wěn)定，即水冷壁出口溫度控制在允許值內(nèi)。這是實現(xiàn)FCB的關(guān)鍵

10、之二。3.3 機組的RUNBACK試驗及工質(zhì)平衡鑒于鍋爐在旁路開啟的情況下必須在50%及以下熱負荷才能維持運行，故要使FCB成為可能，必須先完成滿負荷下的50%RUNBACK試驗，以確保在甩負荷或FCB發(fā)生后鍋爐能在最短時間內(nèi)將負荷降至50%。不過，即使在RUNBACK動作后，立即切除了2臺磨煤機并迅速降低其余3臺磨煤機的進煤量，由于鍋爐的熱慣性和燃料系統(tǒng)的延時性，鍋爐熱負荷降至50%仍需一定時間。另外，低旁的開啟速度遠比高旁慢，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%實際到達除氧器。而除氧水箱的設(shè)計存水量只相當于5 min的鍋爐額定蒸發(fā)量。因此，在甩負荷后的過渡過程中，若不采取應(yīng)對措施，除氧器水箱會出現(xiàn)危險的低水位。 解決上述問題的途徑有二：一是在甩負荷的過渡過程中，凝汽器熱井的控制水位暫時調(diào)低，在甩負荷（或FCB）的降負荷過程中，利用其蓄水彌補部分缺額；二是在甩負荷發(fā)生后，連鎖啟動備用凝結(jié)水補水泵，以彌補工質(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，此時汽輪發(fā)電機必須立即轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制方式，確保整個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，勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)要保證發(fā)電機不過電壓。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，防止鍋爐水動力失穩(wěn)。鍋爐則在RUNBACK后按熱負荷控制方式運行。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 實際FCB試驗按照我國火電機組的啟動驗收規(guī)程，新機組在投產(chǎn)前必須完成甩負荷試驗。而根據(jù)甩負荷試驗導(dǎo)則，在甩滿負荷前，必須先做50%的甩負荷試驗，以評估汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的完好性，并預(yù)估100%甩負荷的可能性。從汽輪機超速控制的角度，F(xiàn)CB與甩負荷之間僅相差廠用電負荷，其比例較小，為減少試驗次數(shù)，決定將兩者的半負荷試驗合并。在50%FCB試驗的同時，評估汽輪機的調(diào)速系統(tǒng)。按計劃，F(xiàn)CB試驗分為

13、50%負荷和100%兩次。與甩負荷試驗不同，F(xiàn)CB試驗的目的是為考核在遇到電網(wǎng)突發(fā)事故的情況下，機組能否安全轉(zhuǎn)入孤島運行方式。而這種突發(fā)事故通常不會有先兆。為確保試驗的真實性和實用性，試驗前整個機組必須處于完全真實的正常運行狀態(tài)，不得采取任何臨時措施及人工干預(yù)，唯一在試驗時要做的就是將電氣主開關(guān)拉閘。 在成功完成所有計劃項目的RUNBACK試驗后，2004年9月5日22:45，2號機組在530 MW工況下進行了FCB試驗，結(jié)果沒有成功，原因是汽輪機調(diào)門沒能及時打開并將汽輪發(fā)電機控制在額定轉(zhuǎn)速，結(jié)果導(dǎo)致發(fā)電機低頻保護動作而跳閘。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，這次試驗還發(fā)現(xiàn)旁路控制系統(tǒng)的性能尚存在問題，后對相關(guān)參數(shù)作了修改。通過此次試驗，機組的超速控制能力已得到考核，機組的最高轉(zhuǎn)速僅為3 080 r/min。因此，進行100%FCB或100%甩負荷試驗的安全障礙已經(jīng)消除。2004年9月11日凌晨4:19，做了第2次FCB試驗。但試驗負荷增為640 MW。此次試驗獲得了成功。汽輪發(fā)電機最高轉(zhuǎn)速為3 076 r/min，最低為2 996 r/min。主變開關(guān)拉閘18 s后機組轉(zhuǎn)速便達到穩(wěn)定。30 min后，機組再次并網(wǎng)。由于1臺汽動給水泵在汽源切換過程中因進口濾網(wǎng)差壓瞬時大造成跳閘，連鎖啟動了容量達14.4 MW的電動給水泵，廠用電在FCB過渡過

15、程中經(jīng)受住了電動給水泵啟動大電流的沖擊。此次試驗中所有運行參數(shù)的波動都被控制在允許范圍內(nèi)。試驗后，汽動給水泵的保護參數(shù)作了調(diào)整。2004年9月14日22:30，進行了全負荷的FCB試驗，試驗負荷為910 MW，此次試驗圖1 2號機組全負荷FCB試驗汽輪機轉(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。試驗前機組轉(zhuǎn)速為3 003 r/min。開關(guān)拉閘后機組最高轉(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后機組穩(wěn)定在49.88 49.92 Hz(見圖1)，機組的電負荷從FCB前的910 MW降至25 MW。從主變開關(guān)拉閘到再次并網(wǎng)的時間為7 min，而后機組迅速將電負荷恢復(fù)至50%。在此次試驗中，2臺汽動給水泵的汽源切換均獲成功。所有運行參數(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，距離保護動作水位700 mm尚有余地，但畢竟增加了風險。試驗后分析發(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)自動減少，這就加劇了除氧水箱進

17、出流量的不平衡。后針對這一問題對控制系統(tǒng)作了進一步改進。好在對于FCB及甩負荷試驗，兩者的工質(zhì)平衡問題是相同的。故在而后的100%甩負荷試驗中，這一問題的解決方案得到了驗證。5 結(jié)語（1）多年來，對于大機組，由于較多的不成功的試驗案例，對于是否能實現(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FCB功能。但通過本項目的調(diào)試實踐，在并不增加投資的前提下，充分發(fā)揮機組的有利條件，通過對控制系統(tǒng)的改進和完善，使機組成功實現(xiàn)了FCB功能。鑒于超臨界機組的控制難度遠比常規(guī)火電機組高，說明從技術(shù)角度而言，火力發(fā)電機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，除對電網(wǎng)的運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，機組才能逐步啟動，費時費錢。并且大機組一旦突然跳閘，往往會引發(fā)許多設(shè)備缺陷，這會進一步延誤機組的恢復(fù)。而若具有FCB能力，在上述故障時，機組能自動維持運行，一旦電網(wǎng)故障點切除，可立即恢復(fù)對外供電。大大減輕了運行人員的負擔，消除了誤操作的潛在風險，防止了事故的擴大，減輕了機組設(shè)備所受到的沖擊。（3）從本工程FCB試驗的成功經(jīng)驗來看，在火電機組的設(shè)計理念方面應(yīng)有所突破。如系統(tǒng)的設(shè)計和運行方式、旁路容量的配置及與機組運行的協(xié)調(diào)配

19、合、機組連鎖保護和控制模式的確定等。參考文獻：1馮偉忠.外高橋電廠二期 900 MW汽輪機的技術(shù)特點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