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智慧电厂干货 | 火电燃煤机组问答FCB(1/3)

发布时间:2020-07-02  点击:14

2003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。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。就火力发电厂而言,在机组遭受事故时,不论这些事故源于电网或来自电厂内部,美国电力部门设计的应对措施基本上是直接停止机组运行,这次“美加大停电”未能在短时间内恢复运行反映出发电厂保护控制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。

1 、 FCB是什么?

FastCutBacke,英译中有多种表述,有采用直译,“快速切回”,有采用意译,“快速减负荷”。但说实话,能真实反映原意的应该是:锅炉快速减出力(FCB)。就如同英文的Trip,翻译成“跳闸”电厂里的人都明白,如果望文生义,翻译成“旅行”,就离题万里了。所以专业英文的确切含义,有时候还真是个技术活儿。

无论从逻辑功能、主要控制作用还是最终结果,FCB控制的对象主要是锅炉。引发FCB动作的诱因是运行中的汽轮发电机组出口开关因故突然断开,或是汽轮机或是发电机跳闸,而锅炉侧仍在正常运行状态。再换一种说法,就是汽轮发电机组因故障,可能是外部电网、本机的电气或汽机系统出现异常或人为误操作,瞬间甩掉全部发电负荷,同一时刻锅炉燃烧仍然维持着原有出力,锅炉产生的强大蒸汽量和发电机对外供电的零负荷严重不平衡,如果不及时采取应对之策,后果就是运行参数超差引发机组全停。这种故障停机即为“非计划停机”,不安全等级归于“事故”,就电厂利益而言,发生“非计划停机”意味着什么,大家心知肚明,攸关电厂全体员工的切身利益。谁能及时抑制这种异常工况带来的后果呢?FCB呀,对,就是FCB。FCB即刻动作,能快速、安全地急降锅炉出力,实现机组正常运行自带厂用电或停机不停炉,从而避免机组的“非计划停机”。

因此定义的FCB是指,机组在高于锅炉最低稳燃负荷工况下正常运行时,因汽轮发电机组(内部)或电网(外部)突发故障造成发电机与电网解列,甩掉全部对外供电实发功率,但锅炉尚未发生MFT(Master Fuel Trip-主燃料跳闸)的瞬间,用以快速减少锅炉出力维持“发电机解列带厂用电”或“停机不停炉”运行方式且过程中能确保热力参数不超过保护动作值的超驰控制功能。

2 、 FCB的好处是什么?

功在电网、利在电厂。

(1)功在电网 在电网出现大面积停电事故时,发电厂利用FCB功能“保厂用电” 维持“孤岛运行” ,有助于电网在最短的时间内恢复正常供电,其社会效益无法用简单的数字来估量。例如,广东某电厂,装机容量700MW×2,设计有FCB功能:

1)2001年5月11日3:48时,因雷击输电线路,机组650MW负荷与电网解列,FCB功能将1号机组成功地转为“发电机解列带厂用电”方式,自带负荷19MW,7:03时机组重新并网,孤岛运行时间长达195分钟。电网故障解除后,机组即刻带负荷,电网很快恢复供电。

2)2004年5月29日,电网因外部输电线路故障,2号机组发电机630MW负荷,与电网解列,机组成功实现“发电机解列带厂用电”方式,运行时间65分钟,自带厂用电1.89MW。电网恢复正常,机组随即对外供电。

FCB对电网运行安全的支持与担当的社会责任,功不可没。

(2)利在电厂

1)有利于提高机组运行安全水平 FCB能够在控制机组脱离濒临全停的过程中保证热力参数不超过 安全定值,维持预定的系统运行,给电厂带来更多的安全。

2)有利于降低运行成本 在事故性质方面,与MFT相比FCB的触发条件属于“存在处理机会的故障”。“停机不停炉”或“发电机解列带厂用电”都维持着较高的运行参数,事故原因一经确认、消除,机组在热态下重新启动升负荷可节省大量时间和能耗,对降低运行成本十分有益。例如,同样在前面提到的电厂:

①2001年8月,因1号机组汽机顺控(TSCS)系统CPU故障,1号汽轮机和发电机跳闸,FCB成功地实现了“停机不停炉”。

②2002年5月,因2号机组分布式计算机控制系统(DCS)网络故障,2号汽轮机和发电机跳闸,FCB成功地实现了“停机不停炉”。

3)有利于延长机组寿命 热力机械寿命计算基本上是以金属应力变化幅度和次数作为依据,应力是温度的函数,锅炉极端的变工况应该是满负荷时突然发生MFT,温度变化的幅度最大。如果不设计FCB功能,那么发生FCB的条件毫无疑问会引起锅炉MFT,金属应力变化幅度和次数肯定增加,有损设备性能。而成功的FCB,锅炉(或机组)热力参数运行在设计允许范围内,比之MFT降低了设备损耗,等同于延长了使用寿命。

4)有利于超临界和超超临界机组的节能 直流锅炉工质水要求极高,如超临界600MW机组锅炉的铁离子含量<25μg/L,超超临界1000MW机组锅炉的铁离子含量则<10μg/L,铜离子含量<2μg/L。机组因故停机,时间稍长炉水铁离子很有可能超标,再重新启动就要进行锅炉冲洗,其经济成本尤其是炉水的损耗、电耗、燃料消耗将大幅提高。成功的FCB在提高超超临界机组安全性能的同时,对经济运行也有重要贡献。

5)有利于防止超临界直流炉爆管 特别需要指出的是:从以往投产的超临界或超超临界直流炉爆管的教训总结来看,锅炉过热器管材氧化皮堵塞是造成爆管的重要原因,而启、停炉的次数与炉管氧化程度成正相分布,FCB功能则能最大限度的降低锅炉非计划停运,对防止锅炉爆管有良好效果。

3 、 FCB的控制逻辑复杂吗?

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图1 FCB逻辑原理图

要说复杂也不复杂,说不复杂还真的不简单,这要分两方面来讲。FCB的主控逻辑和触发信号并不复杂,参阅图1,只有两种:

(1)机组负荷高于35%ECR,汽轮机因故障跳闸,但锅炉没有MFT,停机不停炉。因机组内部原因引发汽机跳闸而触发FCB动作。

(2)机组负荷高于35%ECR,发电机因故障解列,但汽轮机转速仍高于2950rpm,且锅炉没有MFT,发电机解列带厂用电。因电网故障造成发电机解列触发FCB。

但从FCB主控逻辑发出的指令,就不是一般的复杂了,可谓气势恢宏、百舸争流。输出逻辑采用多线程超驰控制,一条FCB动作指令,一时间并行发出160多条信号,开启回路与参数容错机制,驱动机组BMS、MCS、DEH、MEH、CCS、BPC等热工控制系统和PCV阀。

FCB秒变工况聚焦

釜底抽薪,速减出力急降压,

递减制粉,双磨维系炉火炽。

PCV迎峰起跳阻升势,主汽排放正当时。

BPC快开,机、炉分离,

旁路贯通,过热、再热、复水成一体。

透平转速欲窜起,

GV、ICV点刹, OPC立断当机。

小汽机转汽源,炉给水不间断。

DEH转OA, CCS炉跟随。

非常工况非常手段,

给水冲量三变一,

燃烧、汽水SCS总动员,

MCS禁手动,AUTO强权,

定值改、限值变,偏差容错报警放宽。

详情会在后续文中一一道来。

4 、 FCB的难点是什么?

(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,控制系统的反应一定要足够快速,3秒钟定成败。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调反应,控制系统的反应必须要足够精准,10秒钟见好坏。

(2)运行参数趋近红线,事故边缘保运行保安全

机组大范围甩负荷,各种参数变化幅度加大,在确保设备安全的前提下尽最大的可能维持机组运行,需要建立“安全容错”机制。

(3)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引发锅炉MFT。

(4)锅炉汽包水位波动

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。

(5)锅炉燃烧强度突变

锅炉燃烧强度变化最大可达60%,锐减燃烧率可以抑制压力上升,但也可能引起燃烧劣化、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。

(6)汽轮机可能超速

发电机甩负荷的瞬间,锅炉仍然在正常运行压力,如不快速控制汽轮机转速马上会急速上升而超速跳闸。

5 、 FCB成功的标准是什么?

(1)锅炉、汽机不超温,不超压;

(2)汽机不超速;

(3)机、炉安全运行带厂用电。

(4)发电机跳闸,电气系统自动转换厂用电。

6 、 FCB的基础条件是什么?

(1)锅炉应具有较好的燃烧特性;

(2)汽轮机应具有低负荷运行性能;

(3)电气系统切换厂用电快速可靠;

(4)容量合适的汽机旁路和锅炉PCV阀;

(5)符合要求的热工自动和超驰控制水平。

(未完待续)


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