循环流化床机组FCB功能的逻辑应用

刘永刚，张长春，田正彬

（山西京玉发电有限责任公司，山西朔州 037200）

0 引言

快速返回功能 (FCB：Fast Cut Back)[1]为当发电机组甩负荷时，使本机组不停运的一种控制措施。可分为停机不停炉、机组维持空负荷额定转速运行和带本机厂用电运行3种方式。本文FCB功能指快速甩负荷至带本机厂用电运行功能，即发电机组在电网或主变压器高压侧出现故障时，瞬间失去对外供电负荷的情况下，自动快速减负荷至厂用电，并维持发电机带厂用电运行的功能。循环流化床机组运行中，锅炉床体内积蓄了大量燃料，物料循环性强，热惯性大。机组在FCB过程中，锅炉主燃料切断（MFT）后，床体燃料和循环物料在风机作用下仍将释放大量热能，给机组带来严重危害。即使锅炉跳闸（BT）后，余热产生的蒸汽仍能保证汽轮发电机组带厂用电负荷，长时间运行。可见，循环流化床机组FCB功能有其自身的特性，不同于煤粉锅炉机组。本文介绍了循环流化床机组FCB功能试验中的主要逻辑控制，给同类机组实施FCB功能提供借鉴。

1 试验机组参数

a）晋北某电厂机组为：2×300 MW循环流化床锅炉直接空冷机组，亚临界，汽包炉，一次中间再热。锅炉汽包设3台25.7%锅炉最大蒸发量（BMCR）的机械式安全阀；过热器设2台7.8%BMCR容量，整定压力为19.24 MPa的电气安全阀（PCV），设3台13.5%BMCR容量的机械式安全阀。再热器入口设3台23.4%BMCR容量的机械式安全阀，出口设2台13.5%BMCR容量的机械式安全阀。汽机侧设高、低压2级串连旁路系统，高旁按锅炉70%BMCR容量的设置，低旁按110%BMCR容量设置。汽轮机为中压缸启动方式。

b）机组采用分散控制系统（DCS），主机控制为新华XDPS400+型。锅炉设有炉膛安全监视系统（FSSS），能够完成主燃料切除保护（MFT）、锅炉跳闸保护（BT）等功能；汽轮机组设有汽轮机数字电液控制系统（DEH），具备转速、负荷、调频、中压缸启动和汽轮机自动控制等各项功能；能够实现甩负荷预判功能（LDA），50%和100%甩负荷试验，维持机组额定转速3 000 r/min空转；具备部分甩负荷，快关调速汽门；超103%和110%额定转速保护，超速试验等功能。具有汽轮机危机遮断保护系统（ETS），辅机顺序控制系统（SCS包括吹灰、除渣、旁路控制等），发变组和厂用电源的顺序控制系统（ECS）等。

2 FCB功能触发逻辑的设置

2.1 FCB触发逻辑设置

在DCS中设置FCB功能程序，在控制画面上设FCB功能选项按钮，可选择 “投入”或“退出”。FCB触发：逻辑一，由PLU信号触发；逻辑二，电超速（OPC）信号触发。两者任意一项满足均可触发FCB功能（见图1）。

图1 FCB触发逻辑图

2.1.1 触发逻辑一

PLU动作触发。PLU信号是中压缸排汽压力折算的机械功与发电机输出的电负荷进行比较，当机械功超出电负荷30%时，PLU信号会发出，关闭高压、中压调门，使得机械负荷趋向和电负荷相匹配。当外网故障时，发电机失去全部外部负荷，PLU信号发出，触发FCB。

PLU信号计算或传输过程中，存在信号波动，可能导致误动。现将4个触发条件并列：中压缸排汽压力测点品质正常，并网信号（BR）存在， PLU信号发出，机组转速＞3 030 r/min，避免PLU误动。

2.1.2 触发逻辑二

当汽机转速超过某一设定值时，OPC信号输出，触发FCB功能。试验时，OPC信号输出转速设置为＞3 040 r/min。

当汽机功率高于50%额定负荷，机械功率和发电机功率之差大于30%时，PLU信号才会输出。因此，在低负荷下，PLU不会触发FCB功能，故由OPC信号来触发FCB，2种触发逻辑并列设置。

2.2 FCB触发逻辑转速设置和LDA功能屏蔽设置

a）触发逻辑一，汽机转速要求＞3 030 r/min；逻辑二，OPC信号输出转速设置为＞3 040 r/min。原因是：其一，触发转速过高，将进一步推高汽机峰值转速，峰值转速一旦达到或超过ETS设定值，高、中压主汽门将会关闭，FCB试验失败。其二，电力系统正常运行条件下频率偏差限值和冲击负荷引起的系统频率变化均为±0.2 Hz[2]，频率波动相对应的转速变动范围在3 000±12 r/min之内；当电网故障，机组失去外部负荷后，汽机转速快速升高，远高于3 012 r/min。因此，将PLU的触发转速设置为＞3 030 r/min，OPC的触发转速设置为＞3 040 r/min，确保在较低的转速下触发FCB功能，抑制后续转速冲高峰值。FCB过程中，机组自带厂用电，电压、频率波动范围宽，对厂内大型电机存在不利影响，应尽量将汽机转速控制在2 850～3 150 r/min之间，满足发电机带厂用电的频率需求。

b）在FCB功能试验前，应屏蔽机组甩负荷预判（LDA）功能。LDA功能的主要逻辑为：调节级压力大于30%（即机组负荷高于30%额定负荷），且发电机油开关从闭合到断开的瞬间，汽机尚未超速，LDA动作OPC关闭高、中压调门，负荷降至零，维持机组3 000 r/min转速。可见，LDA功能快于上述2个FCB逻辑动作触发。而FCB试验的首要步序就是在高负荷下，断开变压器开关，使机组脱网，失去外部负荷，恰满足LDA动作条件。因此，试验前，应将LDA功能屏蔽。

2.3 FCB功能触发信号设为2 s脉冲

这一设置的目的是避免长信号压制其他指令的发出，从试验结果来看，2 s的脉冲信号是合适的。

3 FCB触发后，主要动作对象逻辑设定

FCB功能触发后，输出控制指令，动作相关设备。其输出逻辑指令，均为无延时动作指令。

a）主变压器高压送出侧201主开关跳闸。试验开始前，需要DCS强制送出主变压器201开关跳闸信号，机组启动FCB试验。FCB动作后，要自动断开变压器出线201开关，使机组和电网断开连接，形成机组带厂内设备“孤岛”运行的条件。

b）汽机电超速保护（OPC）动作。PLU触发时，需OPC动作电磁阀关闭高、中压调节阀。OPC触发时，OPC会在FCB动作之前或同时动作；此时，OPC动作，属于冗余设置，防止FCB拒动。

从实验结果看，OPC触发信号早于PLU触发信号约500 ms。

c）锅炉主燃料跳闸保护（MFT）动作，延时2 s后，锅炉BT动作。根据循环流化床蓄热量较大的特性，锅炉MFT切断主燃料供应，保留炉侧风机等较大运载负荷，使得汽轮机制动扭矩较大，有效抑制汽轮机的转速飞升幅度。随着汽机转速趋稳，锅炉因汽包水位变化而导致锅炉BT；延时2 s BT，使得负荷阶梯型下降，转速相对好控制。

d）发指令高旁阀开度10% 。其目的有二，一是起到暖管的作用；二是为汽轮机切缸、汽泵用汽和辅汽提供汽源。随后，高旁开度随负荷（或压力）要求进入自动调节状态。

e）汽泵汽源自动切换至再热器冷段管道供汽。

f）联启电泵，电泵运行信号存在且延时2 s，发指令跳闸12汽泵。联启电泵，一是为防止汽泵汽源切换失败，2台汽泵跳闸，造成机组BT动作；其二，为确保锅炉稳定供水。由于抽汽压力的突降，汽泵汽源自动切换至辅助蒸汽或冷再供汽，汽源量存在短暂减小波动，自动跳闸1台汽泵，利于汽源稳定，跳停2号汽泵，形成一汽一电运行，确保供水；电泵运行平稳后，视汽包水位情况停运1号汽泵。

g）发指令至PCV阀，其动作定值在原值基础上降低3 MPa。

h）辅汽供除氧器调门发出10%开度指令。辅汽供除氧器调门发出10%开度指令，保证除氧器供汽，确保前置泵入口压力稳定。

i）辅汽汽源自动切换至冷再供汽（单机运行工况下）或临机辅汽供汽。

4 FCB试验

在进行多次FCB相关各类试验的基础上，完成了机组高负荷状态下FCB功能试验。2015年10月13日， 1号机组功率250 MW，转速3 001 r/min，汽轮机顺阀方式，阀位92%的运行状态下，进行了FCB试验。13日21:21:36，DCS强制输出主变高压侧开关断开信号，模拟电网故障，机组失去全部外部负荷，自动切换为带厂用变运行；21:21:36:500，机组测得转速为3 087.3 r/min，OPC超速信号发出，FCB功能触发。同时，OPC控制电磁阀快速关闭高压调门和中压调门，负荷降至30.67 MW；FCB功能同步发出锅炉MFT、高旁开启、电泵启动等信号；随着负荷降低，机组切至中压缸进汽模式，自动进入转速调节。21:21:39锅炉BT后，机组负荷最终降至8.06 MW。FCB过程中机组转速波动范围为121.5～2 920.73 r/min，发电机出口电压波动范围为22.74～23.21 kV，满足各重要辅机用电要求。FCB动作20 min之后，重新启动炉侧风机，开始恢复机组运行；21:49:27机组再次并网，各项参数稳定。FCB试验过程中，机组孤岛运行28 min，试验基本取得成功，机组各项控制功能完善，FCB逻辑准确无误。

5 结论

a）FCB功能相较于机组100%甩负荷试验，对控制系统的要求更加严格。因此，机组FCB功能的实现，不仅提高机组的自动化控制水平和抗突发事故的处理能力，而且能实现机组在电网解列后，带厂用电“孤岛运行”的能力,在电网缺陷消除后，使机组快速恢复向电网供电。

b）FCB试验的实施，证实了该机组已基本具备FCB功能，验证了FCB控制逻辑、触发功能和动作逻辑准确无误。对当前电网负荷较低，山西省内各厂普遍存在单台机组运行的情况，FCB功能可在机组出现故障时，最大限度保障机组安全，避免全厂停电事故，快速恢复机组的运行。在当前特殊形势下，具有重要意义。

c）本次FCB试验尚有许多不足之处，机组未能进行100%满负荷试验，并取得相关实验数据。FCB触发逻辑和动作逻辑，尚有改进的余地。比如，增设发电机零功率触发逻辑[3]，在变压器出线开关故障或外输功率为零时，触发FCB功能。

参考文献：

[1] 广东电网公司电力科学研究院.火力发电建设工程机组甩负荷试验导则：DL/T 1270—2013 [S].北京：中国电力出版社，2014:2.

[2] 中国电力科学研究院等.电能质量电力系统频率偏差：GB/T15945—2008 [S].北京：中国电力出版社，2014:2.

[3] 刘麟，杨燕宁.600 MW机组FCB功能实现 [J].电工技术，2010(12)：8-9.