机组快速切负荷策略

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1、机组快速切负荷(FCB)控制策略与应用王立地姚来源：本站原创点击数：1796更新时间：2007-7-30 16:00:56王立地姚金环(珠海发电厂，广东珠海519050)摘要：针对当前大型火力发电厂实现机组快速切负荷(Fast Cut BackFCB)控制功能的 难点，采用锅炉压力控制阀(Pressure Controlling Valve PCV)泄放，汽机旁路疏导的协调减 压方案，整合超驰控制、定值随动、控制方式自动转换等控制策略，FCB功能得到成功应用， 有助于提高电网和电厂的安全性。根据生产实践，阐述了实现FCB的难点、要点和实用价值。关键词：FCB； PCV；超驰；压力控制FCB(F

2、ast Cut Back)是指机组在高于某一负荷之上运行时，因内部或外部(电网)故障 与电网解列，但未发生锅炉MFT(Master Fuel Trip 主燃料跳闸)，瞬间甩掉全部对外供电负 荷的情况下，用以维持“发电机解列带厂用电”或“停机不停炉”的自动控制功能。十几年来，国内业界受国外技术流派影响对大型(300MW以上)机组FCB功能的作用、实 现方法一直有着不同的理解。在FCB实现的作用方面基本上有一致的认识，通常都简单地认为 是“一种提高电网安全的控制功能”。争论的焦点集中在实现FCB功能的方法上，有的认为F CB过程中不发生工质浪费才是真正的FCB，所以一定要配置100%汽机旁路。有的

3、则认为FCB 最终实现的是“机组快速减负荷”，这是目的，至于具体用什么方法、配置何种设备，那是手段， 可以有不同选择。在这种背景下，设计FCB功能的电厂并不多，经历的实际试验就更少，加之 FCB技术复杂、难度高，能在生产上发挥作用的屈指可数。不过，现实的情况提醒人们，现代化的电网要求大型机组具备FCB功能是必要和紧迫的。2 003年8月14日美国和加拿大东部的大停电为全世界电力系统的安全又一次敲响了警钟，这次 造成惨重经济损失的停电事故暴露出美国电网和发电厂在系统、结构、设备安全性能方面的种种 隐患。就火力发电厂而言，在机组遭遇事故时，不论这些事故源于电网或来自电厂内部，美国设 计的应对措施基

4、本上是直接停止机组运行而不考虑FCB功能，这主要是因为美国电力行业认为 自己电网的容量足够大，有充裕的机组后备容量，过高估计了电网系统的稳定性。而事实上，这 次“美加大停电”未能在短时间内恢复运行反映出发电厂FCB功能的缺失将对电网事故带来严 重后果。自1980年代我国有多家发电主机设备制造厂引进了美国大型火电机组的制造技术，安 全控制方面存在的薄弱环节同样体现在我们制造的设备上，应当引起国内电力行业的关注。珠海 发电厂700MW机组FCB的成功应用可能为今后准备采用此项功能的电厂提供一种全新的参考。1珠海发电厂机组简介装机容量700MW X2。锅炉为单炉膛、一次再热、平衡通风、四角喷燃直流燃

5、烧器、亚临 界强制循环汽包炉；蒸发量2028t/h；过热器出口额定压力18.5MPa；再热器入/出口额定压力4. 5 / 4.7MPa； 6台碗式中速磨、直吹式制粉系统。给水系统配置2X50%BMCR调速汽动给水泵 和1台25%BMCR （最大连续负荷）电动调速给水泵。汽机为一次中间再热、三缸四排汽、单 轴、凝汽式；额定压力17.5MPa ；主汽/再热蒸汽额定温度538 / 566C。汽轮机旁路为高、低 压二级串联、容量均为40%BMCR。发电机冷却方式为水一氢一氢，励磁方式为静态可控硅自 并励。2珠海发电厂FCB功能现状2.1调试及运行2.1.1机组调试阶段#1机组在1999年，#2机组在2

6、000年分别进行过5次FCB试验，最高负荷700MW，全部成功实现“发电机解列带厂用电”功能。2.1.2机组正式投产后多次在高于600MW负荷工况下实现FCB。(1) 2001年5月11日3： 48时，因雷击输电线路发电机与电网解列，FCB功能将#1机组成 功地转为“发电机解列带厂用电”方式，7： 03时机组重新并网，运行时间长达195min。(2) 2001年8月，因#1机组汽机顺控(T-SCS )系统CPU故障，#1汽轮机和发电机跳闸， 厂用电切换成功，FCB成功地实现了“停机不停炉”。(3) 2002年5月，因#2机组分布式计算机控制系统(DCS)网络通信故障，#2汽轮机和发 电机跳闸，

7、厂用电切换成功，FCB成功地实现了 “停机不停炉”。(4) 2004年5月29日，#2机组当时负荷640MW，因外部输电线路故障与电网解列，FCB动作，转为“发电机解列带厂用电”方式，机组维持厂用电负荷19.89MW，运行时间95min。(5) 2004年8月13日，#2机组负荷650MW，发电机励磁系统故障，发电机解列，汽轮机 跳闸，厂用电切换成功，FCB实现“停机不停炉”，维持锅炉运行。2.2逻辑功能FCB 一经条件逻辑触发将超驰切换自动控制方式，转入对应的快速切负荷工况，逻辑条件 如下(见图1)：(1)机组负荷高于245MW (35%BMCR)，汽轮机因故障跳闸，但锅炉没有MFT，停机不

8、停 炉。(2)机组负荷高于245MW，发电机因故障解列，但汽轮机转速仍高于2950r/min，且锅炉没 有MFT,发电机解列带厂用电。，一支扶 貝酣肌：开円V共 w江杞茜瘠快开方克一督炉血荷雷如I?祂恰用25-站 一曙萨整水单冲M予眾淳灰总珏二*245MWpt)taua eg _1畝鳥崭眾.帆肝狀作江補日輒1FCBtltAl图1珠海发电厂FCB逻辑原理图3实现FCB的难点与要求3.1运行工况严酷，成功的可能仅存瞬息由于突发故障，机组立即失去全部负荷，FCB是在机组悬于全停边缘的瞬间进行快速控制， 留给控制系统反应的时间不超过10s。控制系统的反应一定要足够快速。3.2控制系统全面参与，容不得丝

9、毫闪失机、炉、电所有自动控制系统都要在极短时间内对方式切换、过程调节作出准确的协同反应, 控制系统的反应必须要足够精准。3.3运行参数趋近红线，在事故边缘保安全机组大范围甩负荷，各种参数变化幅度加大，有可能超过安全限值危及设备，机炉主设备运 行参数和控制参数必须匹配。4 FCB控制的三大难题4.1锅炉过热蒸汽压力飞升机组突然大幅度甩负荷，能量失衡，尤其高于75%额定负荷时，如果处置不当，锅炉蓄热 和汽水潜热会使过热蒸汽压力飞升而失控。4.2锅炉汽包水位波动蒸发量2028t/h的强制循环锅炉，汽包相对容积比较小，汽包压力变化诱发的虚假水位和蒸 汽流量信号的剧烈变化会引起三冲量水位调节的大幅波动。

10、4.3锅炉燃烧强度突变锅炉燃烧强度降低最大可达65%70%，锐减燃烧率可以抑制压力上升，但可能引起燃烧 劣化、炉膛灭火；缓减燃烧率炉膛火焰稳定，但又可能造成锅炉超压，燃烧率的变化要在锅炉稳 压与炉膛稳燃之间取得平衡。5 FCB过程中锅炉压力的控制仔细分析参数变化的因果关系，我们会发现，以上三个难题并不是平行的，在发生 FCB时 如何保持锅炉压力不超出工况允许的范围是解决问题的关键，如果首先有效控制住锅炉压力，就 为降低汽包水位波动和稳定炉膛燃烧创造了有利条件，目前采用的方案有两种。5.1疏导法采用“汽机旁路疏导法”（简称疏导法），着重于汽机旁路容量的选择。按照设想，只要汽 机旁路容量足够大，通

11、过疏导，锅炉过热蒸汽压力应该得到控制。所以，为满足 FCB需求汽轮 机旁路容量一般在60%100%BMCR之间取舍。使用60%100%BMCR汽机旁路疏导过热蒸汽流量、控制骤然上升的压力，从道理上讲应 该是可行的，似乎不应该有工质浪费，比较经济，但真正实施起来就暴露出设想与现实间的矛盾。目前汽轮机高压旁路最大有采用100%BMCR容量的，通常组合成4氷25%BMCR阀门方式, 旁路阀系统原本就是既精密又复杂的机电一体化热力机械装置，复杂设备数量的增多放大了简单 系统中可以忽略的不利因素，控制协同性难度增高，长期运行可靠性降低。低压旁路容量（入口蒸汽流量）的选择需要综合考虑汽轮机凝汽器的容量以及

12、附属管路规格， 在凝汽器按照汽轮机最大负荷配套时，通常在权衡低压旁路出口流量（心入口流量氷130 %）、 热力参数和造价几方面因素后，低压旁路容量不会超过65%BMCR。这种配置在发生FCB时， 会造成再热器冷段压力超压，再热器入口安全门要起座排汽卸压，并不能保证工质的完全回收。旁路疏导法控制压力的主要动作之一是在接到FCB指令后旁路控制系统3s内全开（旁路快 开功能）旁路阀通流卸压。为保护锅炉再热器和凝汽器同时要高速喷水减温，高压旁路阀入/出 口温度梯度陡降245C左右，低压旁路与凝汽器相连，温度降得更多，超过360。此时伴随着 高、低旁路压力控制，过热和再热蒸汽减温又成为另一个调节焦点。由

13、于旁路容量的关系，旁路 阀快开的速度、喷水减温的效果、旁路管道的线膨胀位移量成为“汽机旁路疏导法”应用的主要 制约因素。调查统计结果显示，单纯采用“汽机旁路疏导法”控制压力，机组高于75%额定负 荷时发生FCB，100%BMCR的汽机旁路容量也很难获得预期效果。5.2排导法（珠海电厂采用的方案）采用“排放+疏导”混合方式（简称排导法），选用40% BMCR汽机旁路疏导的同时，在 靠近锅炉末级过热器出口联箱的主汽管道上（双路）安装了 7只（一侧3只；另一侧4只）压力 控制阀泄放减压，锅炉额定工况下每只PCV阀排量103.59t/h，总排量为35.8%BMCR。正常情 形，10%BMCR排放量（2

14、只PCV阀）就满足锅炉设计规范。FCB压力控制的特点是在机组负荷高于520MW (75%BMCR)时，接到动作指令即时泄放 PCV阀，全开过程仅需零点几秒，低于汽机旁路阀全开的3s，动作快速；PCV阀安装在锅炉过 热器联箱出口蒸汽管道上，作用直接；过热蒸汽直排大气，无需减温，方式简单。总排量35.8% BMCR的PCV阀专门用作缓解机组高负荷解列时的压力飞升，可保证锅炉安全门不动作，特别 是为同时进行的快开汽机旁路、降低燃烧强度、维持汽包水位等一系列复杂控制赢得了宝贵的缓 冲时间。控制过程中损失了部分工质是这种方式的一个缺点，但PCV阀等效开启时间总计只有18 分 40 秒(30X 7+ 35

15、X6+40X 5 + 45X 4+ 50X3 +55氷 2+ 60X 1= 1120s 注：式中累加值为每只 PCV阀开启的持续时间)，过热蒸汽排放损失约32.23t (103.59 一3600 X1120 = 32.23)，远低于 重新点炉的耗费。特别需要指出的是，只有在高于75%BMCR负荷时才使用PCV阀排汽控制压力，75%BM CR以下的压力控制与疏导法相同。采用排导法时汽轮机旁路容量可以选择在30%40%BMCR， 设备(阀门、管道)费用相对降低，减温、调压控制品质易于保证。6排导法FCB控制策略(见图1)珠海电厂机组FCB功能得以实现绝非仅仅因为增加了锅炉PCV阀这样简单，在FCB控制 策略方面更具突出特点：(1) 全面性，MCS、BMS、SCS、BPC (汽机旁路控制)、DEH、MEH、ECS (电气控制系 统)系统全面参与控制、调节，系统之间的动作顺序、过渡过程、控制目标能够有机配合。(2) 灵活性，系统具有超驰控制、定值随动的能力，应变快速、准确。(3) 多样性，系统建立了条件随机引导、自动转换控制方式的机制，保证FCB过程中和结束 后控制系统无扰衔接与调节的稳定。6.1发电机解列带厂用电以机组负荷520MW为例，FCB 俟动作，以下控制即刻发生(见图2)。pAB1 , t =r*1a111h 1 ( 1 1 Ai1Ti1 1