F级多轴燃气蒸汽联合循环电厂FCB功能的设计研究

F级多轴燃气蒸汽联合循环电厂FCB功能的设计研究
本文通过对F级改进型燃机FCB控制逻辑及电气设备动作的分析，结合一拖一燃气-蒸汽联合循环热电联产项目的特点，提出了FCB功能在多轴燃气-蒸汽联合循环项目的前期设计过程中应关注的重点问题，为后续工程的设计及实施方案提供了技术条件。

标签：多轴燃气；FCB功能；循环机组
FCB-即机组快速切负荷（Fast Cut Back—FCB），是为实现机组在各主辅机均正常的情况下出现脱网后，能够保证带自身厂用电稳定运行，以便外网故障消除后能够最短时间内重新并网。

FCB功能能够在发生电网大面积停电事故时实现“孤岛运行”，对社会、对电网都有重大安全、经济效益。

尤其在2008年在湖南、江西、贵州等省出现冰灾电网解列、大面积停电事故后，各电网总结经验，要求新建电厂在设计筹建阶段积极考虑设置FCB功能，在电网事故时电厂能主动实现孤岛运行。

1. 多轴燃气蒸汽联合循环机组FCB功能的热力系统及工质循环过程
以东方电气集团公司成套供货的M701F4联合循环机组为例分析F级多轴燃气蒸汽联合循环机组FCB功能的热力系统及工质循环过程。

该联合循环机组包括1台低NOx 燃气轮机、1台燃机发电机、1台蒸汽轮机、1台汽机发电机、1台无补燃三压再热余热锅炉及其相关的辅助设备。

机组热力循环示意图如下图1所示：
一旦联合循环机组从电网解列后进入孤岛运行时，燃机及燃机发电机进入FCB状态。

同时汽机发电机跳闸，高压主蒸汽通过高压旁、再热器、中压旁路排至凝汽器，低压主蒸汽通过低压旁路直接排至凝汽器，余热锅炉、高中压给水泵、凝汽器及真空泵等设备将维持旁路运行，保证燃气轮机发电机组及余热锅炉在FCB工况下的正常工作。

由于F级多轴联合循环机组无回热系统，因此大多数电厂不管是否考虑投入FCB功能都会按100%旁路考虑。

燃机对FCB工况的判断有两个条件：燃机负荷突降超限延时0.5秒后进入House load模式，或者主变高压侧断路器跳闸燃机立即进入house load模式。

这时燃机通过控制GT燃气流量控制阀来调节燃料供给至低限值，该低限定值应根据维持单元机组厂用电量来计算。

由于燃机发电机甩去外部负荷后，燃机可以在1秒钟内甩负荷燃气流量可从100%降至30%已下，很可能使燃机在短时间内发
生超速或者低频喘振，因此燃机调速系统对其最高飞升转速和调节过程的最低转速均的控制尤为重要，FCB成功的条件之一即要求在此过程中保证发电机不发生保护动作，这个动态过程应能迅速稳定，并能有效地控制发电机带自身厂用电运转。

在这个过程中，燃机内部还会发生一个温度骤升和骤降的过程，对燃机的热部件也存在一定的影响。

2. 多轴燃气蒸汽联合循环机组发生FCB时的电气设备动作
从电气主接线方式分析联合循环电厂发生FCB时的电气设备动作。

对于两套联合循环机组的电气主接线见示意图如下图2所示：
在220KV母线上共有四台发电机向变电站供电。

机组启动时，燃机发电机通过发电机出口断路器GCB实现与电网并网，而汽机发电机则通过主变高压侧断路器与电网并网。

一旦发生电网不稳定超限，电网安稳装置和发变组首先自动断开四台发电机的主变高压侧断路器，此时，燃机进入FCB状态，三菱称为House load状态，汽机在主变高压侧断路器跳开同时跳机。

当机组需要从孤岛运行再并网时，燃机控制系统TCS给DCS发出信号“燃机运行孤岛运行再并网”，然后通过闭合主变高压侧断路器实现机组FCB发生后从孤岛运行状态再并网过程。

由于单元机组的高压厂用变压器是由对应的单元机组燃机发电机直接供电，因此在发生FCB后，两台燃机可同时进入FCB状态，电厂可根据情况选择燃机正常停机或者再并网。

根据以上分析，燃机FCB功能实现必须采用双同期装置，仅在燃机发电机出口设置同期点，就无法实现FCB后发电机再并网的功能。

3. 多轴燃气蒸汽联合循环机组FCB功能设计关注点
从以上分析可看出，对于F级燃气蒸汽联合循环机组而言要投入FCB功能，则需要注意以下几点：
a. 燃气蒸汽联合循环项目的厂用电率非常低不足5MW，因此需要与主机厂确定在FCB后燃机能够在频率波动加大的范围内正常运行，并且提供在燃机进入FCB后屏蔽频率保护的延时时间，确保FCB成功。

b. 在FCB发生后，汽机跳闸旁路打开，此时容易发生主蒸汽超压等异常工况，因此对于PVC阀的设置也应在设计之初考虑好。

c. 由于FCB工况不同于机组跳闸，余热锅炉汽包水位控制和凝汽器真空的
逻辑设计也需单独分析考虑。

d. 对于电气系统，必须考虑在燃机发电机侧考虑双同期功能，设置主变高压侧的同期点才能实现FCB后再并网功能。

e. 由于电气量的操控速度快，因此对于FCB工况的判据实现应考虑采用电气量控制装置，以保证时效性。

f. 在FCB工况下有可能发生多种异常工况如：机组厂用电断电、厂用电供电质量不合格、机组超速、主蒸汽超压、发电机过电压等，因此在设计前期还应充分考虑发生以上各种事故室的反事故措施。

4. 结束语
FCB功能是目前形势的需求，它对电网的稳定运行有积极作用，在电网出现大停电时保证机组保留电源点，它的成功将给降低运行安全风险带来希望。

相对于煤电机组，F级燃气蒸汽联合循环机组实现FCB功能要简单易行，尽管现在实现FCB功能的F级燃气蒸汽联合循环电厂很少，但是只要在电厂建设的各个阶段完善考虑FCB功能的要求，做好设备招标、订货等工作，并协调好以后的施工设计、现场调试、FCB试验、机组运行等各个阶段的工作，就能够确保F 级燃气蒸汽联合循环机组FCB功能的成功实施。

参考文献：
[1] 王卫涛FCB工况下汽机旁路控制方案探讨武汉：华中电力，2011
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