智慧電廠干貨 | 火電燃煤機(jī)組問(wèn)答FCB（1/3）

2003年8月14日美國(guó)和加拿大東部的大停電為全世界電力系統(tǒng)的安全敲響了警鐘，這次造成慘重經(jīng)濟(jì)損失的停電事故暴露出美國(guó)電網(wǎng)和發(fā)電廠在系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、設(shè)備安全性能方面的種種隱患。美國(guó)電力行業(yè)認(rèn)為自己電網(wǎng)的容量足夠大，有充裕的機(jī)組后備容量，過(guò)高估計(jì)了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。就火力發(fā)電廠而言，在機(jī)組遭受事故時(shí)，不論這些事故源于電網(wǎng)或來(lái)自電廠內(nèi)部，美國(guó)電力部門(mén)設(shè)計(jì)的應(yīng)對(duì)措施基本上是直接停止機(jī)組運(yùn)行，這次“美加大停電”未能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)行反映出發(fā)電廠保護(hù)控制功能的缺失將對(duì)電網(wǎng)事故帶來(lái)嚴(yán)重后果。自1980年代我國(guó)有多家發(fā)電主機(jī)設(shè)備制造廠引進(jìn)了美國(guó)大型火電機(jī)組的制造技術(shù)，安全控制方面存在的薄弱環(huán)節(jié)同樣體現(xiàn)在我們制造的設(shè)備上，應(yīng)當(dāng)引起國(guó)內(nèi)電力行業(yè)的關(guān)注。

1 、 FCB是什么？

FastCutBacke,英譯中有多種表述，有采用直譯，“快速切回”，有采用意譯，“快速減負(fù)荷”。但說(shuō)實(shí)話(huà)，能真實(shí)反映原意的應(yīng)該是：鍋爐快速減出力（FCB）。就如同英文的Trip，翻譯成“跳閘”電廠里的人都明白，如果望文生義，翻譯成“旅行”，就離題萬(wàn)里了。所以專(zhuān)業(yè)英文的確切含義，有時(shí)候還真是個(gè)技術(shù)活兒。

無(wú)論從邏輯功能、主要控制作用還是最終結(jié)果，F(xiàn)CB控制的對(duì)象主要是鍋爐。引發(fā)FCB動(dòng)作的誘因是運(yùn)行中的汽輪發(fā)電機(jī)組出口開(kāi)關(guān)因故突然斷開(kāi)，或是汽輪機(jī)或是發(fā)電機(jī)跳閘，而鍋爐側(cè)仍在正常運(yùn)行狀態(tài)。再換一種說(shuō)法，就是汽輪發(fā)電機(jī)組因故障，可能是外部電網(wǎng)、本機(jī)的電氣或汽機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蛉藶檎`操作，瞬間甩掉全部發(fā)電負(fù)荷，同一時(shí)刻鍋爐燃燒仍然維持著原有出力，鍋爐產(chǎn)生的強(qiáng)大蒸汽量和發(fā)電機(jī)對(duì)外供電的零負(fù)荷嚴(yán)重不平衡，如果不及時(shí)采取應(yīng)對(duì)之策，后果就是運(yùn)行參數(shù)超差引發(fā)機(jī)組全停。這種故障停機(jī)即為“非計(jì)劃停機(jī)”，不安全等級(jí)歸于“事故”，就電廠利益而言，發(fā)生“非計(jì)劃停機(jī)”意味著什么，大家心知肚明，攸關(guān)電廠全體員工的切身利益。誰(shuí)能及時(shí)抑制這種異常工況帶來(lái)的后果呢？FCB呀，對(duì)，就是FCB。FCB即刻動(dòng)作，能快速、安全地急降鍋爐出力，實(shí)現(xiàn)機(jī)組正常運(yùn)行自帶廠用電或停機(jī)不停爐，從而避免機(jī)組的“非計(jì)劃停機(jī)”。

因此定義的FCB是指，機(jī)組在高于鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷工況下正常運(yùn)行時(shí)，因汽輪發(fā)電機(jī)組（內(nèi)部）或電網(wǎng)（外部）突發(fā)故障造成發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)解列，甩掉全部對(duì)外供電實(shí)發(fā)功率，但鍋爐尚未發(fā)生MFT（Master Fuel Trip－主燃料跳閘）的瞬間，用以快速減少鍋爐出力維持“發(fā)電機(jī)解列帶廠用電”或“停機(jī)不停爐”運(yùn)行方式且過(guò)程中能確保熱力參數(shù)不超過(guò)保護(hù)動(dòng)作值的超馳控制功能。

2 、 FCB的好處是什么？

功在電網(wǎng)、利在電廠。

(1)功在電網(wǎng) 在電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電事故時(shí)，發(fā)電廠利用FCB功能“保廠用電” 維持“孤島運(yùn)行” ，有助于電網(wǎng)在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常供電，其社會(huì)效益無(wú)法用簡(jiǎn)單的數(shù)字來(lái)估量。例如，廣東某電廠，裝機(jī)容量700MW×2，設(shè)計(jì)有FCB功能：

1）2001年5月11日3：48時(shí)，因雷擊輸電線路，機(jī)組650MW負(fù)荷與電網(wǎng)解列，F(xiàn)CB功能將1號(hào)機(jī)組成功地轉(zhuǎn)為“發(fā)電機(jī)解列帶廠用電”方式，自帶負(fù)荷19MW，7：03時(shí)機(jī)組重新并網(wǎng)，孤島運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)195分鐘。電網(wǎng)故障解除后，機(jī)組即刻帶負(fù)荷，電網(wǎng)很快恢復(fù)供電。

2）2004年5月29日，電網(wǎng)因外部輸電線路故障，2號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)630MW負(fù)荷，與電網(wǎng)解列，機(jī)組成功實(shí)現(xiàn)“發(fā)電機(jī)解列帶廠用電”方式，運(yùn)行時(shí)間65分鐘，自帶廠用電1.89MW。電網(wǎng)恢復(fù)正常，機(jī)組隨即對(duì)外供電。

FCB對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全的支持與擔(dān)當(dāng)?shù)纳鐣?huì)責(zé)任，功不可沒(méi)。

(2)利在電廠

1）有利于提高機(jī)組運(yùn)行安全水平 FCB能夠在控制機(jī)組脫離瀕臨全停的過(guò)程中保證熱力參數(shù)不超過(guò) 安全定值，維持預(yù)定的系統(tǒng)運(yùn)行，給電廠帶來(lái)更多的安全。

2）有利于降低運(yùn)行成本 在事故性質(zhì)方面，與MFT相比FCB的觸發(fā)條件屬于“存在處理機(jī)會(huì)的故障”?！巴C(jī)不停爐”或“發(fā)電機(jī)解列帶廠用電”都維持著較高的運(yùn)行參數(shù)，事故原因一經(jīng)確認(rèn)、消除，機(jī)組在熱態(tài)下重新啟動(dòng)升負(fù)荷可節(jié)省大量時(shí)間和能耗，對(duì)降低運(yùn)行成本十分有益。例如，同樣在前面提到的電廠：

①2001年8月，因1號(hào)機(jī)組汽機(jī)順控（TSCS）系統(tǒng)CPU故障，1號(hào)汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)跳閘，F(xiàn)CB成功地實(shí)現(xiàn)了“停機(jī)不停爐”。

②2002年5月，因2號(hào)機(jī)組分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）網(wǎng)絡(luò)故障，2號(hào)汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)跳閘，F(xiàn)CB成功地實(shí)現(xiàn)了“停機(jī)不停爐”。

3）有利于延長(zhǎng)機(jī)組壽命 熱力機(jī)械壽命計(jì)算基本上是以金屬應(yīng)力變化幅度和次數(shù)作為依據(jù)，應(yīng)力是溫度的函數(shù)，鍋爐極端的變工況應(yīng)該是滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)突然發(fā)生MFT，溫度變化的幅度最大。如果不設(shè)計(jì)FCB功能，那么發(fā)生FCB的條件毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)引起鍋爐MFT，金屬應(yīng)力變化幅度和次數(shù)肯定增加，有損設(shè)備性能。而成功的FCB，鍋爐（或機(jī)組）熱力參數(shù)運(yùn)行在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，比之MFT降低了設(shè)備損耗，等同于延長(zhǎng)了使用壽命。

4）有利于超臨界和超超臨界機(jī)組的節(jié)能 直流鍋爐工質(zhì)水要求極高，如超臨界600MW機(jī)組鍋爐的鐵離子含量＜25μg／L，超超臨界1000MW機(jī)組鍋爐的鐵離子含量則＜10μg／L，銅離子含量＜2μg／L。機(jī)組因故停機(jī)，時(shí)間稍長(zhǎng)爐水鐵離子很有可能超標(biāo)，再重新啟動(dòng)就要進(jìn)行鍋爐沖洗，其經(jīng)濟(jì)成本尤其是爐水的損耗、電耗、燃料消耗將大幅提高。成功的FCB在提高超超臨界機(jī)組安全性能的同時(shí)，對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也有重要貢獻(xiàn)。

5）有利于防止超臨界直流爐爆管 特別需要指出的是：從以往投產(chǎn)的超臨界或超超臨界直流爐爆管的教訓(xùn)總結(jié)來(lái)看，鍋爐過(guò)熱器管材氧化皮堵塞是造成爆管的重要原因，而啟、停爐的次數(shù)與爐管氧化程度成正相分布，F(xiàn)CB功能則能最大限度的降低鍋爐非計(jì)劃停運(yùn)，對(duì)防止鍋爐爆管有良好效果。

3 、 FCB的控制邏輯復(fù)雜嗎？

圖1 FCB邏輯原理圖

要說(shuō)復(fù)雜也不復(fù)雜，說(shuō)不復(fù)雜還真的不簡(jiǎn)單，這要分兩方面來(lái)講。FCB的主控邏輯和觸發(fā)信號(hào)并不復(fù)雜，參閱圖1，只有兩種：

(1)機(jī)組負(fù)荷高于35％ECR，汽輪機(jī)因故障跳閘，但鍋爐沒(méi)有MFT，停機(jī)不停爐。因機(jī)組內(nèi)部原因引發(fā)汽機(jī)跳閘而觸發(fā)FCB動(dòng)作。

(2)機(jī)組負(fù)荷高于35％ECR，發(fā)電機(jī)因故障解列，但汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速仍高于2950rpm，且鍋爐沒(méi)有MFT，發(fā)電機(jī)解列帶廠用電。因電網(wǎng)故障造成發(fā)電機(jī)解列觸發(fā)FCB。

但從FCB主控邏輯發(fā)出的指令，就不是一般的復(fù)雜了，可謂氣勢(shì)恢宏、百舸爭(zhēng)流。輸出邏輯采用多線程超馳控制，一條FCB動(dòng)作指令，一時(shí)間并行發(fā)出160多條信號(hào)，開(kāi)啟回路與參數(shù)容錯(cuò)機(jī)制,驅(qū)動(dòng)機(jī)組BMS、MCS、DEH、MEH、CCS、BPC等熱工控制系統(tǒng)和PCV閥。

FCB秒變工況聚焦

釜底抽薪，速減出力急降壓，

遞減制粉，雙磨維系爐火熾。

PCV迎峰起跳阻升勢(shì)，主汽排放正當(dāng)時(shí)。

BPC快開(kāi)，機(jī)、爐分離，

旁路貫通，過(guò)熱、再熱、復(fù)水成一體。

透平轉(zhuǎn)速欲竄起，

GV、ICV點(diǎn)剎， OPC立斷當(dāng)機(jī)。

小汽機(jī)轉(zhuǎn)汽源，爐給水不間斷。

DEH轉(zhuǎn)OA， CCS爐跟隨。

非常工況非常手段，

給水沖量三變一，

燃燒、汽水SCS總動(dòng)員，

MCS禁手動(dòng)，AUTO強(qiáng)權(quán)，

定值改、限值變，偏差容錯(cuò)報(bào)警放寬。

詳情會(huì)在后續(xù)文中一一道來(lái)。

4 、 FCB的難點(diǎn)是什么？

(1)運(yùn)行工況嚴(yán)酷，成功的可能僅存瞬息

由于突發(fā)故障，機(jī)組立即失去全部負(fù)荷，F(xiàn)CB是在機(jī)組懸于全停邊緣的瞬間進(jìn)行快速控制，控制系統(tǒng)的反應(yīng)一定要足夠快速，3秒鐘定成敗。機(jī)、爐、電所有自動(dòng)控制系統(tǒng)都要在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)方式切換、過(guò)程調(diào)節(jié)作出準(zhǔn)確的協(xié)調(diào)反應(yīng)，控制系統(tǒng)的反應(yīng)必須要足夠精準(zhǔn)，10秒鐘見(jiàn)好壞。

(2)運(yùn)行參數(shù)趨近紅線，事故邊緣保運(yùn)行保安全

機(jī)組大范圍甩負(fù)荷，各種參數(shù)變化幅度加大，在確保設(shè)備安全的前提下盡最大的可能維持機(jī)組運(yùn)行，需要建立“安全容錯(cuò)”機(jī)制。

(3)鍋爐過(guò)熱蒸汽壓力飛升

機(jī)組突然大幅度甩負(fù)荷，能量失衡，尤其高于75％額定負(fù)荷時(shí)，如果處置不當(dāng)，鍋爐蓄熱和汽水潛熱會(huì)使過(guò)熱蒸汽壓力飛升而引發(fā)鍋爐MFT。

(4)鍋爐汽包水位波動(dòng)

汽包壓力變化誘發(fā)的虛假水位和蒸汽流量信號(hào)的劇烈變化會(huì)引起三沖量水位調(diào)節(jié)的大幅波動(dòng)。

(5)鍋爐燃燒強(qiáng)度突變

鍋爐燃燒強(qiáng)度變化最大可達(dá)60％，銳減燃燒率可以抑制壓力上升，但也可能引起燃燒劣化、爐膛滅火；緩減燃燒率爐膛火焰穩(wěn)定，但又可能造成鍋爐超壓，燃燒率的變化要在鍋爐穩(wěn)壓與爐膛穩(wěn)燃之間取得平衡。

(6)汽輪機(jī)可能超速

發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷的瞬間，鍋爐仍然在正常運(yùn)行壓力，如不快速控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速馬上會(huì)急速上升而超速跳閘。

5 、 FCB成功的標(biāo)準(zhǔn)是什么？

(1)鍋爐、汽機(jī)不超溫，不超壓；

(2)汽機(jī)不超速；

(3)機(jī)、爐安全運(yùn)行帶廠用電。

(4)發(fā)電機(jī)跳閘，電氣系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換廠用電。

6 、 FCB的基礎(chǔ)條件是什么？

(1)鍋爐應(yīng)具有較好的燃燒特性；

(2)汽輪機(jī)應(yīng)具有低負(fù)荷運(yùn)行性能；

(3)電氣系統(tǒng)切換廠用電快速可靠；

(4)容量合適的汽機(jī)旁路和鍋爐PCV閥；

(5)符合要求的熱工自動(dòng)和超馳控制水平。

（未完待續(xù)）