智慧電廠干貨 | 火電燃煤機組問答FCB（1/3）

2003年8月14日美國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)濟損失的停電事故暴露出美國電網(wǎng)和發(fā)電廠在系統(tǒng)、結構、設備安全性能方面的種種隱患。美國電力行業(yè)認為自己電網(wǎng)的容量足夠大，有充裕的機組后備容量，過高估計了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。就火力發(fā)電廠而言，在機組遭受事故時，不論這些事故源于電網(wǎng)或來自電廠內(nèi)部，美國電力部門設計的應對措施基本上是直接停止機組運行，這次“美加大停電”未能在短時間內(nèi)恢復運行反映出發(fā)電廠保護控制功能的缺失將對電網(wǎng)事故帶來嚴重后果。自1980年代我國有多家發(fā)電主機設備制造廠引進了美國大型火電機組的制造技術，安全控制方面存在的薄弱環(huán)節(jié)同樣體現(xiàn)在我們制造的設備上，應當引起國內(nèi)電力行業(yè)的關注。

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，“快速減負荷”。但說實話，能真實反映原意的應該是：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”，就離題萬里了。所以專業(yè)英文的確切含義，有時候還真是個技術活兒。

無論從邏輯功能、主要控制作用還是最終結果，F(xiàn)CB控制的對象主要是鍋爐。引發(fā)FCB動作的誘因是運行中的汽輪發(fā)電機組出口開關因故突然斷開，或是汽輪機或是發(fā)電機跳閘，而鍋爐側仍在正常運行狀態(tài)。再換一種說法，就是汽輪發(fā)電機組因故障，可能是外部電網(wǎng)、本機的電氣或汽機系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蛉藶檎`操作，瞬間甩掉全部發(fā)電負荷，同一時刻鍋爐燃燒仍然維持著原有出力，鍋爐產(chǎn)生的強大蒸汽量和發(fā)電機對外供電的零負荷嚴重不平衡，如果不及時采取應對之策，后果就是運行參數(shù)超差引發(fā)機組全停。這種故障停機即為“非計劃停機”，不安全等級歸于“事故”，就電廠利益而言，發(fā)生“非計劃停機”意味著什么，大家心知肚明，攸關電廠全體員工的切身利益。誰能及時抑制這種異常工況帶來的后果呢？FCB呀，對，就是FCB。FCB即刻動作，能快速、安全地急降鍋爐出力，實現(xiàn)機組正常運行自帶廠用電或停機不停爐，從而避免機組的“非計劃停機”。

因此定義的FCB是指，機組在高于鍋爐最低穩(wěn)燃負荷工況下正常運行時，因汽輪發(fā)電機組（內(nèi)部）或電網(wǎng)（外部）突發(fā)故障造成發(fā)電機與電網(wǎng)解列，甩掉全部對外供電實發(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)電機解列帶廠用電”或“停機不停爐”運行方式且過程中能確保熱力參數(shù)不超過保護動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，發(fā)電廠利用FCB功能“保廠用電” 維持“孤島運行” ，有助于電網(wǎng)在最短的時間內(nèi)恢復正常供電，其社會效益無法用簡單的數(shù)字來估量。例如，廣東某電廠，裝機容量700MW×2，設計有FCB功能：

1）2001年5月11日3：48時，因雷擊輸電線路，機組650MW負荷與電網(wǎng)解列，F(xiàn)CB功能將1號機組成功地轉為“發(fā)電機解列帶廠用電”方式，自帶負荷19MW，7：03時機組重新并網(wǎng)，孤島運行時間長達195分鐘。電網(wǎng)故障解除后，機組即刻帶負荷，電網(wǎng)很快恢復供電。

2）2004年5月29日，電網(wǎng)因外部輸電線路故障，2號機組發(fā)電機630MW負荷，與電網(wǎng)解列，機組成功實現(xiàn)“發(fā)電機解列帶廠用電”方式，運行時間65分鐘，自帶廠用電1.89MW。電網(wǎng)恢復正常，機組隨即對外供電。

FCB對電網(wǎng)運行安全的支持與擔當?shù)纳鐣熑?，功不可沒。

(2)利在電廠

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

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

①2001年8月，因1號機組汽機順控（TSCS）系統(tǒng)CPU故障，1號汽輪機和發(fā)電機跳閘，F(xiàn)CB成功地實現(xiàn)了“停機不停爐”。

②2002年5月，因2號機組分布式計算機控制系統(tǒng)（DCS）網(wǎng)絡故障，2號汽輪機和發(fā)電機跳閘，F(xiàn)CB成功地實現(xiàn)了“停機不停爐”。

3）有利于延長機組壽命 熱力機械壽命計算基本上是以金屬應力變化幅度和次數(shù)作為依據(jù)，應力是溫度的函數(shù)，鍋爐極端的變工況應該是滿負荷時突然發(fā)生MFT，溫度變化的幅度最大。如果不設計FCB功能，那么發(fā)生FCB的條件毫無疑問會引起鍋爐MFT，金屬應力變化幅度和次數(shù)肯定增加，有損設備性能。而成功的FCB，鍋爐（或機組）熱力參數(shù)運行在設計允許范圍內(nèi)，比之MFT降低了設備損耗，等同于延長了使用壽命。

4）有利于超臨界和超超臨界機組的節(jié)能 直流鍋爐工質(zhì)水要求極高，如超臨界600MW機組鍋爐的鐵離子含量＜25μg／L，超超臨界1000MW機組鍋爐的鐵離子含量則＜10μg／L，銅離子含量＜2μg／L。機組因故停機，時間稍長爐水鐵離子很有可能超標，再重新啟動就要進行鍋爐沖洗，其經(jīng)濟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在提高超超臨界機組安全性能的同時，對經(jīng)濟運行也有重要貢獻。

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總結來看，鍋爐過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劃停運，對防止鍋爐爆管有良好效果。

3 、 FCB的控制邏輯復雜嗎？

圖1 FCB邏輯原理圖

要說復雜也不復雜，說不復雜還真的不簡單，這要分兩方面來講。FCB的主控邏輯和觸發(fā)信號并不復雜，參閱圖1，只有兩種：

(1)機組負荷高于35％ECR，汽輪機因故障跳閘，但鍋爐沒有MFT，停機不停爐。因機組內(nèi)部原因引發(fā)汽機跳閘而觸發(fā)FCB動作。

(2)機組負荷高于35％ECR，發(fā)電機因故障解列，但汽輪機轉速仍高于2950rpm，且鍋爐沒有MFT，發(fā)電機解列帶廠用電。因電網(wǎng)故障造成發(fā)電機解列觸發(fā)FCB。

但從FCB主控邏輯發(fā)出的指令，就不是一般的復雜了，可謂氣勢恢宏、百舸爭流。輸出邏輯采用多線程超馳控制，一條FCB動作指令，一時間并行發(fā)出160多條信號，開啟回路與參數(shù)容錯機制,驅(qū)動機組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，主汽排放正當時。

BPC快開，機、爐分離，

旁路貫通，過熱、再熱、復水成一體。

透平轉速欲竄起，

GV、ICV點剎， OPC立斷當機。

小汽機轉汽源，爐給水不間斷。

DEH轉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總動員，

MCS禁手動，AUTO強權，

定值改、限值變，偏差容錯報警放寬。

詳情會在后續(xù)文中一一道來。

4 、 FCB的難點是什么？

(1)運行工況嚴酷，成功的可能僅存瞬息

由于突發(fā)故障，機組立即失去全部負荷，F(xiàn)CB是在機組懸于全停邊緣的瞬間進行快速控制，控制系統(tǒng)的反應一定要足夠快速，3秒鐘定成敗。機、爐、電所有自動控制系統(tǒng)都要在極短時間內(nèi)對方式切換、過程調(diào)節(jié)作出準確的協(xié)調(diào)反應，控制系統(tǒng)的反應必須要足夠精準，10秒鐘見好壞。

(2)運行參數(shù)趨近紅線，事故邊緣保運行保安全

機組大范圍甩負荷，各種參數(shù)變化幅度加大，在確保設備安全的前提下盡最大的可能維持機組運行，需要建立“安全容錯”機制。

(3)鍋爐過熱蒸汽壓力飛升

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

(4)鍋爐汽包水位波動

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

(5)鍋爐燃燒強度突變

鍋爐燃燒強度變化最大可達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)汽輪機可能超速

發(fā)電機甩負荷的瞬間，鍋爐仍然在正常運行壓力，如不快速控制汽輪機轉速馬上會急速上升而超速跳閘。

5 、 FCB成功的標準是什么？

(1)鍋爐、汽機不超溫，不超壓；

(2)汽機不超速；

(3)機、爐安全運行帶廠用電。

(4)發(fā)電機跳閘，電氣系統(tǒng)自動轉換廠用電。

6 、 FCB的基礎條件是什么？

(1)鍋爐應具有較好的燃燒特性；

(2)汽輪機應具有低負荷運行性能；

(3)電氣系統(tǒng)切換廠用電快速可靠；

(4)容量合適的汽機旁路和鍋爐PCV閥；

(5)符合要求的熱工自動和超馳控制水平。

（未完待續(xù)）