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大型機組搞FCB 都有哪些誤區?

2019-10-19 11:00:00 來源:《儀器儀表用戶》 王杰 王曉華

闡述了具備FCB功能機組有獨特的安全性和經濟性優勢,指出了配置FCB必備的基本條件。分析了FCB功能在工程應用中常見的5類誤區,提出機組配置FCB功能的原則,并進行了實例對比分析運用。

0 引言

汽輪發電機組FCB(Fast Cut Back)的功能作用是當機組運行中突發對電網的輸出電功率中斷,FCB可實現發變組解列后汽輪機和鍋爐維持運行,發電機獨立帶廠用電系統穩定運行。待外部故障消除,電功率輸出條件恢復后,機組迅速重新并網。如送出方式采用雙母線接線的發變組,當所連接母線故障解列后依靠FCB功能實現“孤島”運行,將輸出回路倒排至另一母線即可重新并網,在此過程中汽輪機和鍋爐避免了一次啟停。機組的FCB功能對提高電網的穩定性和降低機組的運行成本有積極的作用。

到目前為止,國內火電機組只有小部分大容量機組實現了FCB功能,并成功完成100%負荷的FCB過程試驗。其他國家的情況是:美國的火力發電機組不論電網事故還是電廠內部故障,應對措施基本上是直接停止機組運行而不考慮FCB功能,日本和德國出口型機組一般具備FCB功能并完成了FCB功能試驗。另外,中國出口至中東和東南亞等國家的大型火電機組,由于這些國家的電網都比較小,抗干擾能力差,容易出現電網瓦解事故。因此,特別強調機組的FCB功能,在商業合同中都規定了必須完成FCB試驗。

考慮到具備FCB功能機組的獨特優勢,越來越多的機組在設計階段就規劃配置FCB功能及必備的輔助系統。很多已投產機組也計劃進行相應的改造以實現FCB功能。但是,FCB功能未能成為中國火電機組的標準設計和標準配置,在這些項目的實施過程中可能會陷入一些誤區,達不到預期目的,甚至還存在安全隱患。

1 FCB功能基本條件

機組FCB過程中發電機、汽輪機、鍋爐及其輔助系統都將經歷極其復雜的、惡劣的突變工況的考驗,FCB功能目的是維持鍋爐燃燒、控制汽輪機轉速和發電機電壓穩定,核心是快速、準確地控制能量平衡、工質平衡。因此,實現FCB功能的機組必須有以下條件和關鍵技術:

1)高、低壓旁路系統及主再熱蒸汽管道安全閥可滿足FCB過程中多余工質的排放,且高、低壓旁路閥及噴水閥具備快速開啟功能。

2)鍋爐燃料快速切除及穩燃技術。FCB動作后必須快速切除多余的燃料,控制燃料量、風量及給水量與高、低壓旁路系統穩定排放能力配備。

3)甩負荷后汽輪機轉速控制。FCB動作后汽輪機轉速會出現飛升過程,汽輪機DEH系統能在幾十毫秒內快速關閉調門,將汽輪機轉速控制在3300r/min以下并能快速達到穩定狀。

4)汽動給水泵汽源能快速切換,滿足鍋爐給水流量和壓力的需要,維持鍋爐水動力的穩定,并確保各受熱面不超溫。

5)除氧器和凝汽器熱井容積及快速補水控制,應能滿足再熱器安全閥向大氣排放大量蒸汽的要求[1]。

2 FCB功能應用誤區

具備FCB功能的機組的優勢在于:一是發電廠與電網中斷電力傳輸,機組維持帶廠用電系統運行而不需要外部電源作為起動/備用電源,降低了對外部電源的依賴程度,機組的自愈能力強;二是減少了啟停次數,機組維持帶廠用電系統運行的生產成本遠低于重新起動的成本,提高了機組經濟性;三是當電網瓦解后,維持運行的機組就是電網系統黑啟動的“火種”,承擔區域的啟動電源,提高電網恢復速度。鑒于FCB如此突出的優勢,很多觀點認為應大規模推廣,甚至是大容量機組必備的功能。事實上是對FCB功能的片面理解,機組是否配置FCB功能應綜合、統籌考慮,在工程應用中應避免陷入誤區。

2.1 誤區一:對機組在電網中的地位及作用定位不準確

近幾十年來,電網規模也越來越大,結構越來越復雜。機組的并網、解列過程在很大程度上改變了潮流走向,其對系統穩定性有影響,特別是容量較大的機組。從電力系統運行可靠性的要求出發,正常運行時系統的靜態穩定儲備系數Kp要求為15%~20%。若系統故障,部分設備退出運行,為了盡量不間斷對用戶供電,允許Kp短時降低,但不應小于10%,并應盡快采取措施恢復系統正常運行。機組具備FCB功能可較快填補系統功率靜態儲備的不足,提升Kp值。定位機組在電網中的地位及作用,應在綜合評估電網結構堅強度的情況下,準確評價機組容量對系統靜態穩定儲備影響。[汽機監督]

對電網而言,具備FCB功能機組另外一個重要作用是作為黑啟動的電源。區域中的水電機組或小型火電機組,加上具備FCB功能大容量機組,使黑啟動機組布點在容量維度和空間維度上有了更加靈活的選擇度。但是,鑒于電網系統的復雜性、FCB功能的額外投資等因素,FCB機組的布點方案優化問題亟待解決。FCB功能對機組熱力和電氣設備要求很高,改造費用較高。此外相較常規機組,FCB機組的維護費、檢修費等支出高得多。因此,確定FCB機組數量、地理位置及機組容量必須在追求盡量縮短黑啟動時間的同時,兼顧改造機組FCB功能的總支出和經濟收益。

2.2 誤區二:對機組與主接線的適配性分析、論證不充分

電氣主接線是根據建設規模、機組容量、運行靈活性、可靠性等方面綜合考慮,經過詳細分析比較后確定的。根據DL5000-2000《火力發電廠設計技術規程》相關規定,目前大容量機組較為常規的方案是:單機容量600MW機組采用3/2斷路器接線、500kV出線、GIS配電裝置;單機容量300MW機組采用雙母線接線、220kV出線、AIS配電裝置。

3/2斷路器接線是一種沒有多回路集結點、一個回路由2臺斷路器供電的雙重連接的多環形接線,具有很高的可靠性和靈活性。其主要優點有:正常運行時,2組母線和全部斷路器都投入運行,從而形成多環形供電,運行調度靈活;當任一臺斷路器故障或失靈時,只斷開與其相鄰的2個回路,不會導致全廠停電;任一臺斷路器檢修時均不影響正常供電。3/2斷路器接線適用規模為(2~6)回出線及2組主變壓器,出線回路數太多時, 投資太大, 一般不采用。當3/2斷路器接線出線較少且線路較長時,其輸出通道的可靠性較低。

雙母線接線方式的優點為:當單個母線發生故障時,可將故障母線的負荷轉移到非故障母線當中,連接單元斷電時間較短;母線檢修前,可以通過倒排將負荷轉移到運行母線,運行方式調整較靈活;當連接單元的斷路器失靈時,還可以用母聯斷路器臨時代替。雙母線的接線方式每一單母線為回路集結點,可靠性較3/2斷路器接線差,適用于出線較多的情況。

主接線的形式、出線數量等直接影響了機組有效電功率送出的可靠性,高壓啟動備用變壓器的電源來源直接關系廠用電系統可靠性和機組是否具備再次啟動的能力。關于主接線的可靠性模型和研究方法非常多,計算方法還不統一,且缺乏符合中國實際情況的元件可靠性指標和可操作的可靠性判據。目前,可靠性的評估一般以定性分析為主。

2.3 誤區三:對具備FCB功能機組的經濟性分析較片面

具備FCB功能的機組對鍋爐、汽輪機及輔助系統的可靠性、安全性要求較高,較無FCB功能的機組工程造價增加較大,如進行改造費用也較大。根據初步測算,有技術人員初步測算過,660MW超超臨界機組在機組全壽命周期內發生(5~8)次電網事故即可收回次投資成本。實則應考慮FCB過程的成功率。是不是FCB試驗成功了即可一定能實現FCB過程,對于FCB試驗而言,目前尚無明確的國際標準和國內標準可以遵循和借鑒,所以試驗方案和結果評估存在一定分歧。FCB試驗的目的是考核在電網突發事故的情況下,機組能否快速甩負荷并轉入孤島運行。由于這種突發事故通常不會有任何先兆,所以FCB試驗時機組應處于全真運行工況,試驗前不應對機組運行工況或控制系統采取任何臨時性干預措施,在試驗時唯一的操作就是將電氣主開關拉閘。但對試驗過程中是否允許人為干預,業界內有較大爭議。根據相關的文獻,目前國內及出口機組完成FCB試驗的有20多臺,詳見表1,只有3個電廠的機組實際動作經歷,15次觸發過程有8次成功,成功率僅為53%。

表1 FCB功能機組統計

Table 1 Statistics of FCB functional units

1.jpg

2.4 誤區四:對現場機組實際FCB過程解析不全面,FCB功能不完整,存在安全隱患

FCB功能依賴的是汽機旁路系統、汽機調速系統、鍋爐給水系統、發電機勵磁系統等系統的硬件支撐,更需要FCB觸發、快速切斷燃料、快速穩燃、甩負荷轉速控制等控制邏輯的精準控制。新建機組的設計過程中以及機組改造過程中,往往會出現不合理的參考其他工程的設計和應用,對機組的實際接線及配套系統解析不全面,FCB功能設計不完善,產生新的安全隱患。如某發電廠新建兩臺660MW超超臨界機組,采用無GCB的發變組單元接線方式,主母線為220kV雙母雙分段,11回出線。設計人員參考660MW機組配套500kV送出方式,在汽輪機ETS保護中電氣聯跳回路僅設置了發變組保護動作(二取一),未設置發變組開關分閘狀態聯跳,也未配置零功率切機保護,為FCB功能的實現提供了可能性。但是機組DCS系統并未配置完整的FCB觸發邏輯。若220kV母線故障觸發母差保護動作、發變組開關偷跳或誤拉,運行人員手動處理不當極易造成汽輪機超速、鍋爐長時間超壓、發電機機端電壓突升等嚴重事故。

2.5 誤區五:脫離實際需要,盲目追求高指標

FCB功能實現的難度高且風險大,涉及機、爐、電、熱等多專業,對于機組是最嚴峻的綜合考驗。一般具備FCB功能的機組要求完成50%、100%負荷下的FCB試驗,很多資料(如文獻[2])都證明了50%負荷下的FCB過程中機組工況的變化激烈程度相對較弱,對輔助系統的要求較低。而在臺風等特殊天氣情況下,電網因用戶驟減,機組一般都處于最低技術出力狀態。只要機組能維持穩定運行,對于后期的電網系統恢復具有重要的“火種”作用。因此,機組中、低負荷水平下的FCB功能更具現實意義和實用價值,并且實現難度和代價要較高負荷狀態下的FCB功能要小很多。

3 機組FCB配置原則

通過對上述機組FCB功能設計和改造過程中的常見誤區的分析,得出了機組FCB配置的原則。

1)對電網系統穩定性的影響及黑啟動的電源布點要求,是否要求機組具備FCB功能應由電網側提出明確要求。如文獻[2]廣東電網對臺山電廠#6機組提出FCB功能要求。

2)一般認為出線較少、線路較長;送出配電裝置為戶外的另外所處地區有特殊氣候環境(臺風、沙塵暴、冰災等)的機組可配置FCB功能。

3)高壓啟動/備用變壓器電源可靠性低的機組可配置FCB功能。如高壓啟動/備用變壓器電源來自機組高壓主母線,而出線數量少于4回。

4)應從電網及機組實際需求出發,確定FCB功能目標,全面剖析FCB過程,找出薄弱環節,制定切實可行的設備改造計劃和技術措施。

表2 機組FCB功能基本條件對比

Table 2 Comparison of basic conditions of unit FCB function

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表3 機組FCB功能可行性對比分析

Table 3 Analysis of feasibility of FCB function of unit

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4 實例分析

浙南某發電廠“上大壓小”工程擴建兩臺660MW超超臨界機組(#7、#8機組),采用無GCB的發變組單元接線方式,主母線為220kV雙母雙分段。220kVⅠ段母線連接660MW、330MW機組各一臺,6回出線,220kVⅡ段母線連接660MW、330MW機組各一臺,5回出線。目前220kV雙母合環運行,遠景規劃為分列運行,主接線如圖1所示。對比已完成FCB試驗的蘭溪電廠#3機組,從主機及輔助系統配置情況來看, 某電廠#7、#8機組具備FCB功能改造的基本條件,詳見表2。

參照機組FCB配置的原則對某電廠#7、#8機組和蘭溪電廠#3機組進行對比分析。蘭溪電廠送出通道及高壓備用電源可靠性都低,選擇一臺機組配置FCB功能是必要的。文獻[3]也表明了通過對熱工和電氣控制系統的改造實現FCB功能是可行的。但在現階段的電網運行方式下,某電廠#7、#8機組送出通道及高壓備用電源較可靠,無配置FCB功能的需求,應完善汽輪機ETS保護中電氣聯跳回路,消除安全隱患[4]。某發電廠地處浙江沿海地帶,極易受臺風的影響,臺風期間輸出線路跳閘頻繁。根據“上大壓小”工程送出方案的遠景規劃220kV母線將分列運行,主接線的可靠性將降低。因此,通過改造控制系統實現機組低負荷水平下的FCB功能是必要的和可行的,可行性對比分析見表3。

圖1 某電廠一次主線圖

Fig.1 Main line diagram of a power plant

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5 結論

在保障電網、電廠安全穩定運行方面FCB功能是有重大作用的。科學、合理地運用機組FCB配置的原則,客觀地分析電網及機組的實際情況,可以縮短改造周期,提高FCB成功率。可為電網和電廠帶來巨大的安全效益和經濟效益。

參考文獻:

[1]郭萌,何亞剛,顧春玉,等.660MW超超臨界機組快速甩負荷控制策略及其試驗[J].電力建設,2014,35(9):97-102.

[2]宮廣正.國產分散控制系統實現臺山電廠1000MW機組FCB功能[J].中國電力,2014,47(8):107-111.

[3]王學根,騰衛明,舒暢.通過控制系統改造實現國產600MW超臨界機組FCB功能[J].中國電力,2009,42(10):73-76.

[4]曹泉. 國外火電機組FCB試驗的經驗與教訓[J]. 湖北電力, 2011,35(s2):14-16(Ⅱ):14-16.

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