火力发电机组快速甩负荷功能设计方案研究.pdf

第3 4卷 第 1 1期 2 0 1 2年 1 1月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 4 No ． 1 1 NO V ． 2 01 2 火 力发 电机组快速甩 负荷功能设计方 案研究 宋洪涛， 杨立征 中国华电工程 集团 有限公司， 北京1 0 0 0 3 5 摘要 论述了火力发电机组快速甩负荷的功能和作用， 介绍了主机设备的运行方式及工艺系统的配置和设备选型， 提 出了控制系统的主要设计理念， 可供总承包商和有关设计人员在海外项 目投标、 合同谈判和合同执行阶段参考。 关键词 快速甩负荷 ； 高、 低压旁路系统 ； 给水泵； 回热系统； 凝结水； 控制系统 中图分类号 T K 2 2 9 ． 2 文献标 志码 B 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 2 1 1 0 0 1 6一 O 2 0 引言 火力 发 电机 组 的快 速 甩 负 荷 F C B F a s t C u t B a c k 是指机组 因外部 电网故 障或内部发 电机 一变 压器组故障导致机组主变压器出线开关跳闸 ， 瞬间 甩掉全部对外供电负荷并维持发 电机带机组厂用电 运行 俗称小 岛运行 的功能。F C B功能的最大优 点是当电网出现大面积停 电时 ， 机组可在电网故障 消除后最短时间内向系统重要负荷和系统 内其他电 厂提供启动用电 ， 是尽快恢复电网运行的首选方案。 2 0 0 1年北美州地区大停 电事件发生 以后 ， 世界 各国对电力系统的可靠性要求越来越高。我国电力 行业设计 、 采 购、 施 工 E P C E n g i n e e r ， P r o c u r e ， C o n s t r u c t i o n 总承包商在海外投标项 目中经常需要面对 F C B功能要求 ， 在一些 国家 F C B甚至已经成为强制 性标准 。虽然我 国在 2 0世纪 8 0年代后引进的部分 火 电机组配置了 F C B功能 ， 但很长一段时间小岛运 行方式一直 不被电力行业人 士所 看好。由于 F C B 功能在电厂运行 中的实用率 较低 ， 设计和调试 中又 存在很多问题 ， 国内设计 中具有 F C B功能的机组不 多 ， 能够真正实现 F C B功 能的电厂更少 ， 目前 只有 上海外高桥第三发电有限责任公司等少数电站真正 具有 F C B功能。国内的设计单位对 F C B功能所要 求的系统配置 、 设备选型和控制组态等方 面还缺乏 实践经验。为配合国内电力行业总承包商执行海外 E P C合同， 避免 由于 F C B功能要求所导致 的技术风 险 ， 本文主要针对机组 F C B的设计提供一些建议 ， 与电力设计同行共勉。 1 F C B工况运行 过程概 况 火力发电机组从正常工作状态进入 到 F C B工 况运行 ， 需要经历 F C B的投 入 、 带机组厂用 电稳定 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 2 0 ； 修 回 日期 2 0 1 20 71 0 运行和机组重新并网升负荷 3个主要 阶段 。 F C B工况投入的第 1个 阶段是非常重要 的阶 段 ， 该阶段的主要运行 目标是汽轮机能够维持 3 0 0 0 r ／ m i n的转速， 锅炉能够顺利从正常运行状 态降至 不投油的最低稳燃负荷状态 ， 保持机组工质平衡 ， 避 免机组的任何保护动作导致停机 ， 任何机组停机都 意味着 F C B运行失败 。由于锅炉的热惯性较大 ， 动 作时间远远滞后于汽轮机的响应速度 ， 因此 ， 机组至 少需要 5 m i n才能进入 F C B工况的第 2个阶段。 F C B工况的第 2个 阶段是一个稳定 的运 行阶 段 ， 汽轮发 电机组通过 中压 缸进汽带厂用 电运 行。 该阶段的工作重点是维持中压进汽的压力和温度 ， 避免汽轮机高压缸运行超温和低压 缸排汽压力过 高。F C B工况 是汽轮发 电机组极 其恶劣 的运行工 况 ， 对设备具有较大的损伤 ， 通常该阶段的运行时间 宜控制在 3 0 m i n之内。由于还没有法规 明确规 定 F C B工况的运行数据 ， E P C总承包商在海外项 目谈 判 的过程中也缺少法律依据 ， 总承包合同通常要求 适 当延长该时段 ， 但最长运行时间应控制在 2 h以 内， 以避免机组可能存在的额外损伤。 F C B工况的第 3个 阶段是外 网故障消除 ， 机组 由 F C B工况切换到并 网发 电的阶段。该 阶段 的工 作 目标是调整锅炉和汽轮机的运行参数 ， 保持工质 平衡 ， 汽轮机高压缸进汽 ， 将机组推进到正常热态启 动模式 ， 避免汽轮机的任何设备损失和保护动作。 2 主机设备的运行方式和要求 F C B工况是火力发电机组极为恶劣的运行工况 ， 该工况对锅炉、 汽轮发电机组以及主要热力系统的设 计和运行都提出了许多特殊的要求。E P C总承包商 应在主机选型阶段就充分注意到 F C B功能要求的特 殊性 ， 充分与主机制造商进行 F C B方案的研究和交 流， 只有在确认 主机供应商具备设计和制造 F C B机 组能力的基础上 ， 才能签署技术协议和供货合同。 第 1 1 期 宋洪涛 ， 等 火力发 电机组快速甩 负荷功能设计方案研 究 l 7 在合同执行阶段， 汽轮机供应商应首先明确机 组在 F C B 3个不 同阶段进汽参数 和流量 的要求 ， 包 括 F C B各个阶段压力 、 温度 、 负荷和 流量 的变化 曲 线以及 F C B运行工况对汽轮发电机组的寿命 影响 分析。锅炉制造商将根据汽轮机 的要求 ， 完善锅炉 快速甩负荷 的设计方案 ， 以保证锅炉的运行参数与 汽轮机相匹配 ， 保持机组工质平衡 ， 避免主燃料跳闸 MF T 保护动作。在锅 炉和汽轮机方案研究 的基 础上 ， 由电力设计院牵头进行研究 ， 确定机组旁路系 统、 回热系统、 锅炉给水系统和凝结水系统的基本配 置和主要附属设备选型 ， 最终汇总形成完整的 F C B 运行方案 3 工艺系统的配置和设备选型 3 ． 1 汽轮机高、 低压旁路系统容量的选择 我国 目前 设计 的大部 分火 电机组不 考虑 F C B 功能， 机组配置的旁路系统 的容量为锅炉最大连续 蒸发量 B M C R 的 3 5 ％左右， 这种旁路系统的主要 功能是满足机组启动要求。当机组在 F C B工况下 运行时， 由于进入汽轮机的蒸汽大幅度减少或切断， 原来进入高压缸的蒸 汽通过高压旁路排放 ， 原来进 入中压缸的蒸汽通过低压旁路排放， 锅炉出力在发 生 F C B时必 须快速 降至旁路 能通过 的最 大流量。 由于锅炉的热惯性较大、 燃料系统 的响应速度较慢 ， 容量为 3 5 ％左右 B MC R的旁路 系统不能满足机组 F C B的要求 。 通常 F C B开始时汽轮机高压调速汽 门需要 瞬 间关闭， 连锁控制旁路系统瞬间开启， 锅炉一次蒸汽 通过旁路系统排放以维持运行， 建议汽轮机选用容 量为 1 0 0 ％ B M C R的高压旁路系统， 并替代锅炉过 热器安全阀排放 功能， 取 消锅炉过热器安全门。汽 轮机低压旁路系统的设计流量应综合考虑锅炉不投 油的最低稳定工况 、 F C B工况的工质回收和平衡 、 凝 汽器的投资、 除氧器水位控制等因素， 建议采用容量 为 6 0 ％ 一 8 0 ％ B MC R的低压旁路系统 ， 并在再热系 统设置可调节式安全 门， 建议再热系统安全 门的容 量按照 1 0 0 ％ B MC R主蒸汽流量加喷水流量考虑。 3 ． 2锅炉给水泵的选择 火力发电机 组 F C B功能对锅炉 给水泵的选 择 可能影 响较大 ， 建议在工程设计的起始 阶段能够根 据合同要求或与业 主交 流的情况确定 F C B时汽轮 机最大运行工况， 该工况通常为 1 0 0 ％最大连续运 行 T MC R 工况 ， 特殊工程也可能根据业主要求而 选择 1 0 0 ％阀 门全开 V WO 工况。F C B时汽轮机 最大运行工况应作为给水泵选型的校核工况之一， 以满足在该工况下锅炉给水和高压旁路喷水 的流量 要求 。当机组采用汽动给水泵时， 根 据上海外高桥 第三发电有限责任公 司的经验 ， 应采用具有特殊内 切换功能的专用小汽轮机 ， 以保证给水泵汽轮机正 常工况驱动汽源 主汽轮机抽汽 和低负荷 工况驱 动汽源 冷再热蒸汽 的快速切换 ， 避免在 F C B工况 下小汽轮机驱动汽源切换滞后所导致 的锅炉缺水 、 水冷壁出 口温度迅速升高 、 汽动给水泵跳 闸或锅炉 MF T保护动作。 3 ． 3 汽轮机回热系统配置和设备选择 当汽轮发电机组从正常运行切换 到 F C B工况 时， 所有汽轮机抽汽都将在瞬间停止 ， 汽轮机回热系 统中只有使用高压缸排汽 冷再 热蒸 汽 作为汽源 的高压加热器和除氧器 能够维持运行。由于机组低 压旁路 的容量通常为 6 0 ％ 一 8 0 ％ B MC R， 在 F C B工 况起始阶段再热系统安全 门将开启 ， 以维持再热系 统蒸汽压力 ， 造成系统 内工质 的部分流失。为减少 系统内的工质流失 ， 维持工质平衡 ， 建议在合理的范 围内尽量增大该高压加热器的容量。加热器供应商 应明确进水温度快速降低、 加热蒸汽流量增加对加 热器结构的影响， 确保加热器安全 、 稳定运行。除氧 器的正常工作汽源为汽轮机抽汽， 但在 F C B工况下 应迅速切换到冷再热蒸汽。因此 ， 在系统设计 中， 应 考虑设置再热冷段到除氧器 的 F C B工况专用 管线 并配置快速开启式调节阀和超压闭锁装置。除氧器 在 F C B起始工况瞬时的进 、 出水位差较大 ， 为 防止 除氧器水位急剧波动和下降 ， 建议适 当增加除氧器 的容积 ， 通常为锅炉 B MC R工况下 7 m i n左右 的蒸 发量 。 3 ． 4 凝结水和凝结水补水系统配置和设备选择 火力 发 电机 组 通 常 以单 元 制 系 统 配 置 2 1 0 0 ％容量或 35 0 ％ 容量 的凝 结水 泵， F C B工 况 时， 系统应快速连锁启动备用凝结水泵 ， 加大凝结水 流量 ， 以满足低压旁路喷水 和维持除氧器水位稳定 的要求。凝结水补水 系统 的设计 能力应能够满 足 F C B工况的运行要求 ， 凝结水储存水箱 的容量应充 分考虑 F C B工况的工质流失量 ， 凝结水补水系统的 输送能力应考虑 F C B工况时的流量变化。 4 控制系统的主要设计理念 火力发电机组要成功实现 F C B功能， 除上述汽 轮机、 锅炉和主要工艺系统设备选型有变化 以外 ， 同 样也对机组控制和运行方式提 出了更高 的要求 ， 是 火 电机组控制设计理念 的一次更新。 F C B是机组在电网故障情况下 由正常运行状态 瞬间转为带厂用电负荷的运行工况。通常这种电网 故障是突发性的 ， 不会有任何先兆。 下转第 2 1页 第 1 1 期 姜宏武 4 2 0 t ／ h锅炉炉膛结渣试验研究 2 1 于通过空气预热器风量减少 ， 导致排烟温度明显上 升 ， 锅炉效率明显下降。 4 ． 4 运行负荷对炉 内结渣的影响 分别在锅炉发 电功率 1 2 8 MW， 1 0 0 MW， 8 0 MW 条件下进行了对 比试验 ， 表 6是运行负荷 对结渣影 响的主要对比数据 ， 图 6是运行负荷变化对温度分 布的影 响。 表 6 运行负荷对结渣影响主要 结果 l 7o 0 l 5 0 0 釜 o 赠1 1 0 0 9 0 0 7 0 o 5 0 o 图 6 运行负荷对温度分布影响 由试验分析的结果可见 发电功率从 1 2 8 M W 下降到 1 0 0 MW， 炉膛结渣 和炉 内温度水平变化不 大， 而发电功率进一步降低到 8 0 M W， 结渣情况明显 减轻， 炉膛温度水平明显下降。 5 结论 采用 3种燃烧调整方法对炉内结渣影响试验进 行了分析 ， 得出如下结论 1 在保证锅炉出力 的前提下 ， 采用全 开一次 风压力冷风 门的方法 可明显 降低 炉膛总体温度水 平 ， 减轻结渣。但掺入冷风会使排烟温度 明显升高 ， 锅炉效率明显下降。 2 既要保证锅炉出力， 又要减轻对锅炉效率 的影响 ， 采用正宝塔配风可小幅降低燃烧器区域下 部温度水平 ， 减轻结渣 ， 若能够 2 1进一步提高运行 氧量 ， 则效果更好。 3 降低锅炉负荷可 明显减轻炉膛结渣 ， 但 与 其降幅有关 ， 负荷下降 2 0 ％左右对炉膛温度影响不 大， 而下降 3 5 ％以上则会明显降低炉膛温度。 编辑 王 书平 作者简介 姜宏武 1 9 6 7 一 ， 男， 安徽池州人 ， 高级工程师， 从事电 站锅炉管理及研究方面的工作 E m a i l j i a n g h w ． a q s h s i n o p e c ． t o m 。 ● ● ●● ● ● ●● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● o● ● ● ● ● ●o●● ● ● ● ●o● ● ● ●● o● ● ● ● ● ● ● ●o● ● ● 上接 第 l 7页 为确保 F C B功能 的实现 ， 机组应完 全进入 F C B模式 的自动控制 ， 任何人工干预都将导 致 F C B功能切换失败 。 机组应采用单向连锁保护方式， 当电网故障时 只切断主变压器出 口开关 ， 锅炉和汽轮发电机不产 生联动保护动作 ， 使机组连锁保护模式能够适应机 组 F C B的要求 。根据上海外高桥第三发 电有 限责 任公司的运行 经验 ， 建议 设置 发 电机 出 口断 路器 G C B ， 以便在 F C B工况时由发电机带厂用电进行 小岛运行 ， 但在发电机保护动作时， 机组将厂用电 自 动切换至备用变压器。 汽轮机数字 电液控制系统 D E H 控制 回路切 换到转 速控制 ， 将 汽轮机转速 稳定在 3 0 0 0 r ／ m i n 。 分散控制系统 D C S 主要控制锅炉按照快减负荷 R B 控制方式快速减至最低稳燃负荷 ， 控制旁路系 统快速开启， 根据 F C B各个阶段要求控制给水系 统 、 回热系统和凝结水系统的参数和流量。 参考文献 [ 1 ] 冯伟忠． 大机组实现快速甩负荷 的现实性和技术分析 [ J ] ． 动力工程， 2 0 0 8 ， 2 8 4 5 3 2 5 3 6 ． [ 2 ] 沈丛奇． 超 超 临界机组 F C B功能和作用 [ c] ／ ／百万 千瓦等级超 超 临界机组运行及控制技术研讨会论文 集 ． 上海 中国国电集 团公 司 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 冯伟忠． 1 0 0 0 MW 超超临界机组 F C B试验[ J ] ． 中国电 力 ， 2 0 0 8 ， 4 1 1 0 6 2 6 6 ． [ 4 ] 石佳． 1 0 0 0 MW 级机组实现 F C B功能的热力系统配置 [ J ] ． 科技资讯 ， 2 0 0 8 3 1 1 2 61 2 7 ． 编辑 刘芳 作者简介 宋洪涛 1 9 6 1 一 ， 男 ， 吉林长春人， 高级工程师， 从事火 力发 电厂设 计、 E P C总承包 项 目设 计管 理方面 的工作 E m a i l s o n g h t c h e c ． e o m． c a 。