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2 0 0 7 年第3 期 上 海 电力 火电机组 F C B功能及其在电网恢复中的应用 沈丛奇 , 周新雅 , 姚峻 华东电力试验研究院有限公司 , 上海2 0 0 4 3 7 摘 要 电网大停 电后 发电机组在没 有任何外来 电源的条件 下进行“ 黑启 动” 是极为 困难 的, 文章 阐述 了如何 利用火 电机组 的 F C B 甩 负荷保 护 功能使机组在电 网事 故时保持“ 孤岛运行 ” , 提 出了利 用机组 F C B功能恢 复电 网的方案 , 详细介绍 了机组 F C B的功 能和作用 , 从工艺 、 设备 、 控 制等 方面介绍 了 F C B的实施方法 。 火 电 机组 的 F C B功能正是在电 网崩溃时能使机组幸存下来 的重要功能 , 使机组能快速 、 有效地恢复电 网供电 。 关键词 F C B; 黑启动 ; 火电机组 ; 孤 岛运行 中图 分 类 号 TU8 5 2 文 献 标 识 码 A 1 引言 2 F C B功 能 自从 2 0 0 1年美 国加州 大停 电后 , 国内各 电 网 公 司大力研 究 电 网大 停 电后 “ 黑 启 动” 的技术 , 因 为电网大停电后发电机组在没有任何外来电源的 条件下 进行 “ 黑启 动 ” 是 极 为 困难 的 , 对 火 力 发 电 机组更 是难 上 加 难 。试 想 , 如 果 在 电 网事 故 大 停 电时能保 留部 分 电 源点 , 避 免 被 迫 实施 “ 黑 启 动 ” 才能恢 复 电网 的被 动 局 面 , 通 过 保 存 下 来 随 时 能 向外供电的发电机组 , “ 星星之火” 逐步燎原 , 使电 网恢复供 电 , 这 是 不幸灾 难之 时 的大幸 之事 , 而火 电机组 的 F C B F a s t C u t B a c k 功 能 , 正 是 在 电 网 崩 溃时 能使机组 幸 存下来 的重 要功 能 。 F C B是 指火 电机 组 在 电 网或 线 路 出现 故 障 , 而 机组本 身 运行 正 常 的情 况 下 , 机 组 主 变 出线 开 关跳 闸 , 不 联 跳 汽机 和 锅 炉 , 汽 机 保 持 3 0 0 0 r / mi n , 锅炉快速减少燃料量, 高、 低压旁路 简称高 旁 、 低旁 快速开启 , 实现机组仅带厂用电的“ 孤岛 运行 ” 。 发 电机和 汽机故 障跳 闸也 可 实施 F C B功 能 , 保持 锅炉 继续 运 行 。此 时 , 机 组 辅 机 的 电源 快 切 到其 他 正常 电源 , 锅 炉快 速 减少 燃 烧 率 , 高 、 低压 旁路快 速 开启 ; 如果 是发 电机 出线部 分故 障跳 闸 , 汽机仍 可保 持 3 0 0 0 r / mi n空载运 行 ; 如果 汽机故 Th e Re a l i s m a n d Te c h ni c a l An a l y s i s o f I mp l e me n t i ng FCB f O r t h e La r g e Co a l - f i r e d Po we r Un i t s FENG W e i ~ z h o ng S h a n g h a i Wa i g a o q i a o No .3 P o we r G e n e r a t i o n C o . , L t d . - S h a n g h a i 2 0 0 1 3 7 - C h i n a J Ab s t r a c t I n o r d e r t O d e a l wi t h t h e g r i d f a i l u r e o n a l a r g e a r e a,t h i s s t u d y e l a b o r a t e s t h e i mp o r t a n c e o f i mp l e me n t i n g F CB f o r t h e l a r g e c o a l f i r e d p o we r u n i t s .Th i s f u n c t i o n ma k e s t h e u n i t r u n wi t h t h e s t a t i o n p o we r o n l y a s t h e g r i d f a i l u r e s u d d e n l y I a n d i t c a n r e s u me p o we r s u p p l y t o t h e g r i d a t a n y t i me,i n c l u d e p r o v i d i n g s t a t io n p o we r f o r t h e o t h e r c o a l f i r e d p o we r u n i t f o r i t s r e s t a r t u p . I t g r e a t l y s h o r t e n s t h e g r i d r e c o v e r y t i me . At t h e s a me t i me t h i s f u n c t i o n r e d u c e s t h e u n i t f ai l ur e r a t e a n d e no r mous l y i mpr ov e s t he r e l i a b i l i t y of ul t r a s up e r c r i t i c a l po we r u ni t s .Th r o ug h t h e s u c c e s s f ul FCB c as e i n t r o d u c t i o n o f W a i g a o q i a o p h a s e 2 s u p e r c r i t i c a l 9 0 0 M W u n i t ,i t p r o v e s t h e f e a s i b i l i t y t o r e a l iz e t h e l a r g e u n i t F CB.I n a d d i t i o n,c o mb i n i n g wi t h Wa i g a o q i a o p h a s e I l l 2 X1 0 0 0 MW p r o j e c t ,i t ma k e s t h e f u r t h e r a n a l y s i s a n d d i s c u s s i o n wi t h e v e r y c o n d i t i o n t O f u l f i l l u n i t F CB . F o r e x a mp l e ,t h e d e s i g n o f t h e u n i t p r o t e c t i o n a n d i n t e r l o c k ,t h e s u i t a b l e B y p a s s c a p a c i t y, t h e s e l e c t i o n o f t h e De a e r a t o r t a n k v o l u me ,t h e s wi t c h mo d e o f t h e s t a t i o n p o we r ,t h e s t e a m s wi t c h o v e r f o r t h e B o i l e r Fe e d P u mp Tu r b i n e ,t h e s u i t a b l e c o n t r o l p h i l o s o p h y a n d l o g i c ,t h e l o a d a d j u s t mo d e ,e t c . Ke y wo r d sFCB;gr e a t l y l os s of p owe r;ul t r a s u pe r c r i t i c a l ;by pa s s 一 25 1 维普资讯 上 海 电力 2 0 0 7 年第3 期 障跳闸, 则停机不停炉 。 锅炉启 动 比较复 杂 , 过 程时 间 比较 长 , 如果机 组能做到非锅炉侧故障跳闸时 F C B成功, 维持锅 炉 运行 , 对 电网和 电厂 都是有 利 的 。如果 F C B成 功 , 电网机组消除故障后 , 能很快恢复发电, 既有 利 于 电网安全 , 也节 约了锅 炉重新 启动 的成本 , 又 减少 了锅 炉启停 造成 的寿命 消耗 。 电网侧故障时带厂用电的 F C B功能, 不仅能 使机 组 随时恢复 供 电 , 而且 当 电网大停 电故 障时 ~ 这些 机 组 能快 速 、 有效 地 恢 复 电 网供 电 ; 另外 , 电 网部分解列时, 电网合理设置 和运 行, 使用 F C B 功 能可实 现小 区域 电网的运 行 。 3 F C B实施方法 F C B功能是对机组设备 、 运行技 术和控制性能 的重大挑 战, 是火 电机组 最难 实 现 、 风 险最 大 的功 能 。由于 F C B对设备 的要求 、 对控 制要 求 比较 高 , 试验安排 比较 困难 , 动作 不 当容 易 引起设 备 损坏 , 所以目前绝大部分机组不能有效实现 F C B功能。 3 . 1 F C B对 机组 工艺和 设备 的要 求 3 0 0 MW 及 以上 的机 组热 力循 环示意 图如 图 1所示 , 机组 工 质 的循 环 示 意 图 如 图 2所 示 。机 组正 常运行 时 , 机 组工 质 的循 环 如 图 2 “ 点 划线 ” 下部 , 锅炉产生的高温高压蒸汽经高压汽门进入 高压缸做功, 其排汽进入锅炉再热器升温, 再经中 压汽门进入 中、 低压缸做功 , 汽机把蒸汽的热能转 换 成 机 械 能 , 并 由发 电机 转 换 成 电 能 供 给 电 网。 低压 缸 的排 汽通 过 凝 汽器 凝 结 成 水 , 并 由凝 泵 和 给泵把 水 打 回锅 炉 。 大部分机组 的旁路 系统用于配合机组启动, 启动时首先旁路 系统配合锅炉升温升压 , 汽机冲 转、 升速 、 并网、 带初负荷, 旁路 系统维持高 、 中压 的进汽参数 。另外 , 机组运行时旁路系统用作蒸 汽压力过高时的泄压功能。在 F C B工况下 , 由于 进入汽机的蒸汽大幅度减少或被切断 , 原进入高 压缸的蒸汽 由高旁替代 , 原进入中、 低压缸 的蒸汽 由低旁替代 , 如图 2 “ 点划线” 上部 , 保持机组工质 循环 , 保持机组能量平衡 。 由 图 1可知 , 为 了维 持机组 工 质平衡 和循 环 , 汽机和旁路的蒸汽通流量之和要等于锅炉 的蒸汽 流量, 为了维持机组能量平衡 , 流过汽机和旁路的 蒸汽参 数要与 机组 热力 平衡 的要求 相匹配 。当实 施 F C B时, 汽机瞬间快速关闭, 旁路必须同步快 一 2 5 2一 图 1 机组热力循环示 意 图 2 机组热力循环工质流动示意 速 打开 , 满 足锅 炉蒸汽量 流通 要求 , 维持 机组 工质 平衡。可见 , F C B要 求旁路能快速打开 , 其速率 与汽机调门的快关速率相当, 且容量要足够大。 具有足够大容量的旁路系统是 F C B成功的重 要 条件 。 目前 , 上海 电网 中石洞 口第 二发 电厂 2台 6 0 0 MW 机组和外高桥第二发 电厂 2台 9 0 0 MW 机组的旁路系统, 按欧洲大机组的要求配置, 高压 旁路按 1 0 0 %锅炉最大连续 出力 B MC R 设计 , 此 旁路兼作高压安全 门, 但 出于投资的考虑 , 低压旁 路容 量为 5 0 B MC R或 6 5 oAB MC R, 另 配 5 0 再 热器安全门。由于这种旁路系统容量能通过锅炉 最 大出力 的汽量 , 所 以 能很 好 地满 足 F C B的功能 要求 。2 0 0 4年 9 月 , 外高桥第二发电厂 2号机组在 9 0 0 MW 满负荷 时, 成功 地进 行 了 F C B试验 , 在实 际运 行 中 F C B也 多次成功 。 3 . 2 F C B的控 制 即使机组 工艺 和设 备能 满足 F C B的要 求 , 要 可靠实现 F C B仍有较大的 困难 , 因为 F C B是火 电机组难度较高 的功能, 它几乎涉及到所有 的机 组 控制 系统 。 非 汽机 跳闸 的 F C B是汽 机控 制转 速 , 维持 汽 机转速 3 0 0 0 r / mi n , 旁路控制机组 的汽 温和汽 压 , 维 持机组 工质 和能量 的平 衡 ; 锅 炉快速 减 负荷 使蒸发量不超过旁路的容量。 3 . 2 . 1 F C B的汽机 控制 在 非汽机 跳 闸的 F C B时 , 汽轮 发 电机 立 即转 为转速控制方式, 确保整个过渡过程的转速变化 在允许范围内, 并在过渡过程结束后维持转速稳 定 , 这对 汽机 的 转速 控 制 提 出 了较 高要 求 。励 磁 调节系统要保证发电机电压。 大幅度甩负荷时 , 发 电机的磁力突然接近零 维普资讯 2 0 0 7 年第3 期 上 海 电力 或到零 , 汽机 在 O P C 超速 控 制 功 能控 制 下快 速 关 闭调 门, 由于调 门 的关 闭速 度 小 于 发 电机甩 负 荷 , 汽 机的转 速 会 出现 飞 升 。飞升 幅 度 取决 于机 组 当 时 出力 , 出力越 大 , 飞 升 幅度 越 大 ; 飞 升 幅度 还 取决 于调 门快关 时 间 , 快关 时 间越长 , 上 升幅度 越 大 。另 外 , 还取 决 于 调 门关 闭 的严 密 性 。 由于 带 厂用 电的 F C B比 3 0 0 0 r / mi n空 载时 发 电机甩 负 荷量小 些 , 所 以 汽机 转 速 飞 升 幅度 也 小 。在 汽 机转速回降时 , OP C功能 复置 , 汽机进行转速 自 动 调节 , 调 门重新开 启应及 时 , 避免 出现 汽机转 速 过低 。一 般汽 机转速 在 3 0 S内达 到稳 定 。 如果汽 机转 速 飞 升 过大 , 汽机 会 因超 速 而 跳 闸; 而当转速过低 时不能维持所带辅机 的正常运 行 , 带 厂用 电 的 F C B失 败 , 辅 机 可 以快 切 到其 他 电源继 续运 行 , 汽 机过 渡到空 载 3 0 0 0 r / mi n的运 行 方式 。 3 . 2 . 2 F C B的旁路 控 制 旁路可视作一个减温减压器 , 其 控制功能 和 性能是 F C B成功的关键。F C B汽机快关时 , 旁路 通 过快开 功能 以 与汽 机 快 关相 当 的速 度 打 开 高 、 低旁路 , 取代汽机 的蒸汽通道 , 锅炉带旁路运行, 保证锅炉出口蒸汽有 出路而不超压。在汽压恢复 后 , 控制汽压和汽温 , 满足机组的运行要求 。高旁 控制主汽压力 , 其配备 的减温水控制高旁的出 口 汽温; 低旁控制中压缸进汽压力 , 同样其配备的减 温水控 制低 旁 的 出 口汽 温。汽 压 如何 过 渡 到 F C B状态下 机组 运 行 要 求 是 重 要 的 ; 对 于 汽 机 , 汽 压 的要 求 比较低 ; 但汽 压变 化过快 、 过 大对 锅炉 的运行不 利 。 。 对于 1 0 0 B MC R 的大旁路系统 , 其流通量 控 制可跟 随锅 炉 的蒸 发 量 , 随 着 锅炉 蒸 发 量 的减 小而减小 。对于 3 5 及以下 B MC R的小旁路系 统 , 旁路系统基本 开足 , F C B动作前期还要通 过 蒸汽泄放阀释放掉部分工质 , 机组 主要通过锅炉 减负荷 来达 到工 质 和能量 的平衡 。 3 . 2 . 3 F C B的锅 炉控 制 、 如果是 1 0 0 %B MC R 的旁路系统 , 锅炉侧控 制任务 比较轻, 如外高桥第二发电厂的旁路系统 , 一 旦 F C B发 生 , 锅 炉可 以按 RB Ru n B a c k 控 制 方式使锅炉蒸发量降 至 5 O 。但实际 的热负荷 的降低有数分钟的惯性延迟 , 此 时仍有可能会使 再 热器 超压 而导 致 迅 速 开启 再 热 安全 门 , 再 热 安 全 门 的打开会 带 走 一定 的工 质 , 造 成 工质 循 环 不 平衡 , 在满负荷的情况下 , 只消数分钟便会造成工 质链 中断而导致机组跳闸。所以, 如何使锅炉负 荷迅速降至 5 O 以下并稳定运 行, 及 时补充 工 质 , 亦 是 F C B成 功 的关 键之 一 。 正常 运行 时 , 汽动 给 水 泵 的汽 源 来 自汽 机抽 汽 , 甩 负荷后 抽 汽 压 力 迅 速跌 落 。要 使 汽 动 给水 泵维持运行 , 必须迅速将 其切至备用汽源。好在 由于高压旁路的快速开启, 作为备用汽源的冷再 热蒸汽依然存在 。汽泵汽源快速 由抽汽切换至备 用冷再热蒸汽的模式对 F C B成功是十分重要的。 若 汽源 切换 失 败 , 发 生 汽 泵 跳 闸 , 则 要 实 现 F C B 就相 当困难 了 。因为 , 即使 电动给水 泵及 时启 动 , 由于带液力耦合调速装置的电动给水泵启动到出 水 的时 间较 长 超 过 2 O s , 直 流 锅 炉煤 水 比的 平 衡 也 容易 被破 坏而导 致锅 炉跳 闸 。 目前 , 大 部 分 机 组 配 置 的 是 3 O % ~ 3 5 B MC R 左右的旁路系统 , 这种旁路主要用于机组 启动。对于配该类旁路的机组, 一旦 F C B发生 , 锅炉必须以最快的速度把燃烧率降到锅炉最低不 投 油 的出力 , 约 3 5 %~ 4 O B MC R左 右 或 更 低 负 荷 , 快 速投 人油 枪 助 燃 , 保 证 锅 炉 在 这种 情 况 下不熄火 。由于锅炉较大的热惯性, 即使旁路和 蒸汽泄发阀快速全开, 汽压仍会大幅度上升, 尤其 机组在近满负荷时发生 F C B, 汽压上升幅度会导 致蒸 汽安全 门动 作 , 锅 炉继 续运 行 的可能性很 小 。 另外 , 此时 汽压 会有 大幅度 的变 化 , 再 加上 汽泵 的 汽源切 换 , 汽水 系统也 会 面临很 大的 困难 , 汽 包炉 可能发 生 汽包 水 位 越 限 而 MF T 动 作 , 直 流 炉 可 能发生给水 流量低 或分离 器温度 高而 MF T动 作 。因此, 一般 配 3 5 %及 以下 B Mc R的旁路 系 统 的机组 在 高负荷 段 F C B成 功率较 低 。 4 F C B功能服务于 电网 带厂 用 电的 F C B成 功 , 如果 电 网正 常 , 机 组 很快能重新并 网, 恢 复供 电。如果电网出现大停 电事故, 如何利用 F C B存活下来的机组逐步恢复 电 网呢 首 先 电 网应 合 理设 置形 成 一 个小 电 网 , 并 使 此小电网处于空载状态, 机组主开关合闸 , 电网侧 逐步增 加 负载 , 机 组 利用 汽 机 的 调速 功 能 控 制小 电 网的频 率 , 机组 励磁 调节 系统 控制小 电网电压 , 旁路控制机组的汽温汽压 , 锅炉蒸发量保持稳定。 当机组 所带 负荷 较 大 时 , 可 以启 动 电 网内 的其 他 2 53 维普资讯 上 海 电力 2 0 0 7 年第 3 期 机组 。随着电网的容量增加 , 电网的频率逐步过 度到由电网调度统一控制 , 机组切换到负荷控制 方式 , 但仍保 留较强的一次调频功能, 旁路逐步关 闭 , 机 组逐 步恢 复到正 常 的运 行方 式 。 目前机组的控制是依据电网侧供 电正常 , 所 以在主开关合闸后机组进入负荷控制方式 , 电网 的频率由电网统一控制 。若 电网失电, 则需要增 加小电网的频率控制功能。机组如何满足小电网 运行 的控 制要求 , 有待 于深入 的研 究和试 验 。 需要 研究 和设计一 个性 能优 良的汽 机调 速系 统 , 它应 能在负 载 较大 幅 度 变化 时稳 定 小 电 网 的 频率 。需要研究用 于小 电网运行 的励磁调节系 统。需要优化旁路控制系统 , 使其在汽机负荷大 幅度变化时能可靠保证保证机组的汽温 、 汽压, 并 且使机组平衡过渡到正常的运行方式。 再引伸一下, 如果电网发生重大事故时, 一个 小 区域 与大 电网解列 , 形成 一个 小 电网 , 此 区域 内 有 F C B能力的机组 完全可 以使这个小电网保存 下来 。如宝钢 , 它是一个具有 自备发 电厂的大型 企业, 它供给电网电量较小 , 如果电网事故时, 与 电网解列 , 孤 网运行 , 由于机 组甩 负荷 的幅度 较 小, 更容易利用类似机组 F C B功能在电网大事故 时保存宝钢区域电网。 复 要求 , 需要 深入研 究 F C B恢 复 电网 的控制 策 略 和运行 技术 。 3 大容 量 旁路 系统 是 保 证 F C B成 功 的 关 键 。机组应设计有大容量旁路系统, 否则难 以实 现机组 F C B 。采用大容量旁路 系统 可以取 消过 热 器 和再热器 的安 全 门 、 取消 蒸汽 泄放 阀 , 这样 可 以适 当平衡 投 资 。另 外 , 同 时 电 网可 以考 虑 给 具 有 F C B功能 的机组 适 当的补 偿 。 若采用较小容量 的旁路系统 , 可能会 由于汽 压 高 、 流量低 、 超 温等 问题而 导致 F C B失 败 。 上海地区已经投运和正在建造多台大容量火 电机组 , 均装备有大容量旁路系统。而当出现 电 网事故时, 若能保证这几 台大机组能够实现 F C B 功能 , 则基本能保证电网快速恢复供电。 4 提 高 机 组 F C B 的 成 功 率 。 由 于 机 组 F C B的 技术 难度 较 大 , 其 动 作 的 成 功 率 较 低 , 而 且使用不当可能造成机 组设 备的损坏 。所 以需 要投 入 力 量 对 有 可 能 实 现 F C B 的 机 组 进 行 研 究 、 改进和试验 , 使 F C B功能在紧急情况下能可 靠投 运 。 参 考文献 i [ 1 ] 冯 伟 忠 。 9 0 0 MW 超 临界 机组 F C B试验 E J ] .中国 电力 , 2 0 o 5. 3 8 2 . 5 结语 E 2 ]田 丰 , 7 0 0 iv lw机 组F e B E J ] . 动 力 工 程,2 0 0 2 ,2 2 4 . 1 F CB 古 毒 l 1 丰 电 网 和 电 厂 的 安 全 运 行 收稿 日期 2 O O 7 0 7 - 0 3 F C B使 电网大 - IS 事 -t 4 故 4 时保存部分 电源点 、 还可 4 能 。 蠹 主 保存一块 区域 电 网, 为 电 网 的恢 复奠 定 基 础。 辑组态等工作 ,o 2 卜2 5 6 5 o 3 7 7; 周 新 雅 1 9 5 7 - ,男 , 上 海 F C B能在 出线、 汽机、 发电机故 障消除后很快重 人 ,教授 级 高工 , 总工程 师 , 从 事 火电厂 热力设备 调试及 新并 网供 电 , 减 少 了机组 的电量损 失 、 节 约 了锅炉 改造工作, 0 2 1 6 5 5 5 5 7 0 8 ; 姚 峻 1 9 7 0 一 , 男, -2 r - 苏南通 启停 的成 本 , 减 少 了锅 炉跳 闸造成 的寿命 消耗 。 人, 高级工程师, 从事电厂热工自 动化的研究与应用, 0 2 1 一 2 F CB恢 复 电网的控 制策略 需要研 究 。 目 2 5 6 5 0 4 0 4 。 , 前 机 组 的F C B 功 能 不 能 满 足 电 网大 停 电后 的恢 责任编辑 杜建军 F CB f u n c t i o n o f c o a l f i r e d p o we r u n i t e s a n d i t s a p pl i c a t i o n i n p o we r g r i d r e s t o r a t i o n S HEN Ch o n g q i 。 ZHOU Xi n y a 。Y A0 Ju n E a s t C h i n a E l e c t r i c P o we r Te s t Re a s e a r c h I n s t i t u t e L i mi t e d C o mp a n y 。S h a n g h a i 2 0 0 4 3 7 。C h i n a Ab s t r a c t Th e g e n e r a t o r s a r e v e r y d i f f i c u l t t O r 6 a l i z e t h e i r B l a c k s t a r t a f t e r t h e p o we r b l a c k o u t i f t h e r e i s n o p o we r s o u r c e f r o m o t h e r a r e a s .Th e p a p e r d e s c r i b e s t h e me t h o d o f h o w t O u s e F CB f u n c t i o n o f c o a l f i r e d p o we r u n i t e s t O k e e p i s l a n d o p e r a t i o n .B a s e d o n t h a t ,i t s u g g e s t s t h e n e w s c h e me o f r e s t o r i n g t h e p o we r g r i d .Th e F CB p e r f o r ma n c e -f u n c t i o n a n d r e a l i z a t i o n a r e a l s o i n t r o d u c e d .F CB i s t h e v e r y i mp o r t a n t f u n c t i o n o f c o a l - f i r e d p o we r u n i t e s a f t e r t h e p o we r b la c k o u t ,i t c a n b e u s e d t O r e s t o r e t h e p o we r s u p p l y q u i c k l y a n d e f f e c t i v e l y . Ke y w o r d s F a s t C u t Bac k { F E B ;B l a c k s t a r t ;c o a l - f i r e d p o w e r u n i t e s i s l a n d o p e r a t i o n 一 2 5 4 维普资讯
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