CN108964123A - 一种应用于燃气-蒸汽机组电厂的fcb运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于燃气‑蒸汽机组电厂的FCB运行方法，包括以下步骤：S1、将燃气机组和蒸汽机组按照FCB运行要求进行设定，S2、当故障产生时，安全稳定控制装置下发切机指令进入FCB运行状态；S3、其中燃气轮机收到FCB启动信号后进入FCB运行状态；蒸汽机组收到FCB启动信号后进入FCB运行状态；S4、待电网故障排除进行孤岛运行再次并网。本发明方法能够使发电厂机组在外部电网故障故障发生时，瞬间甩掉全部对外供电负荷与外部电网解列，同时蒸汽机组进入惰走并维持真空状态，燃气轮机不停机，以此维持发电厂的自用电；待电网故障消除后，机组能自带厂用电负荷，快速有效地与外网并网，向系统供电，从而迅速“激活”网内其它机组，恢复对用户的供电。

Description

一种应用于燃气-蒸汽机组电厂的FCB运行方法

技术领域

本发明涉及发电领域，具体的涉及一种应用于燃气-蒸汽机组电厂的 FCB运行方法。

背景技术

近年来，随着国民经济的快速发展，社会对电力的需求越来越大。电网日趋庞大，电网的安全性也受到严峻考验。世界各地包括美国、加拿大、英国、俄罗斯、意大利等电力发达国家都发生过多次大面积停电事故，我国2008年南方发生的电网覆冰事故也造成了大面积停电。这些事故导致电网部分瓦解或孤网运行以及电厂全停电。发电厂机组在电网事故时，机组参数将发生剧烈变化，由于厂用电消失，机组设备可能失控，极易扩大事故造成设备损坏。同时电厂在没有启动电源情况下只有被动等待电网恢复时才能启动，延长了电网恢复时间,部分电厂采用了黑启动设备，但是一般的黑启动机组投资大、维护成本高。所以在电网事故状态下，如何提高电网的自愈能力，迅速恢复电网供电，保障发电厂厂用电供电，对电力系统尤其重要，故FCB功能的实现引起了电网及电厂越来越高的重视。

FCB(Fast Cut Back,快速切负荷)，是指机组在正常运行时，因外部电网故障与电网解列，瞬间甩掉全部对外供电负荷，但发电机组未停机的情况下，用以维持发变组运行，自带厂用电的自动控制功能，又称孤岛运行，而目前国内主要发电厂为燃煤电厂，近年来因为用电中断导致机组轴颈轴瓦磨损的事故增多，燃煤电厂的FCB功能因系统复杂实现难度较高，可靠性也低；部分电厂考虑采用燃气机组和蒸汽机组来实现 FCB功能，目前缺少一种在燃气机组和蒸汽机组的发电厂内实现FCB运行的方法。

发明内容

一种应用于燃气-蒸汽机组电厂的FCB运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将燃气机组和蒸汽机组按照FCB运行要求进行设定，包括以下几点：

(1)燃气机组采用双同期点设计，

(2)修改发变组保护的跳闸出口，

(3)将燃气机组和蒸汽机组中的各个设备按照FCB运行要求进行联锁，即机、电、炉的联锁；

S2、当故障产生时，安全稳定控制装置下发切机指令进入FCB运行状态；

S3、其中燃气轮机收到FCB启动信号后进入FCB运行状态，燃气轮机控制系统TCS切除负荷自动控制模式ALR ON后，再将控制方式从负荷控制切至转速控制方式，燃气机组发电负荷跟随厂用电负荷需求；

蒸汽机组收到切机指令后进入FCB运行状态，蒸汽轮机主变压器高压断路器跳闸，蒸汽轮机随之跳闸，然后进入惰走并维持真空状态，此时蒸汽机组的高中低旁路快开排至凝汽器，汽包水位正常后，高中低旁路进入定压自动调节状态；

S4、燃气机组正常通过1号同期点实现并网过程，当电网故障排除，待厂用电运行稳定后通过2号同期点进行孤岛运行再次并网。

进一步的，所述步骤S3中燃气机组FCB启动信号的触发条件为：燃气轮机主变压器高压断路器TCB收到安全稳定控制装置下发的切机指令跳闸，同时燃气轮机发电机出口开关GCB在合位。

进一步的，所述步骤S3中转速控制设定值为0.2225％。

进一步的，所述步骤S4中1号同期点为燃气轮机主变压器断路器TCB， 2号同期点为发电机出口断路器GCB。

进一步的，所述步骤S1中发电机频率异常保护及失步保护的跳闸出口设定为燃气轮机主变压器高压出口断路器TCB。

进一步的，所述机、电、炉的联锁满足下列要求：

一、燃气轮机主变压器TCB跳闸时，汽轮机跳闸，燃气轮机启动 RB动作，燃气轮机发电机快速减负荷至带厂用电作FCB运行，余热锅炉旁路运行，燃气轮机发电机出口断路器GCB跳闸时不联锁燃气轮机主变压器断路器TCB；

二、汽轮机单独跳闸时，不联锁跳余热锅炉及燃气轮机，燃气轮机仍能带动发电机单循环运行，余热锅炉旁路运行。

进一步的，所述步骤S3中汽轮机进入惰走并维持真空状态前先将 DEH主汽门关闭。

本发明的有益效果：

本发明方法能够使发电厂机组在外部电网故障故障发生时，瞬间甩掉全部对外供电负荷与外部电网解列，同时蒸汽机组进入惰走并维持真空状态，燃气轮机不停机，以此维持发电厂的自用电；待电网故障消除后，机组能自带厂用电负荷，快速有效地与外网并网，向系统供电，从而迅速“激活”网内其它机组，恢复对用户的供电。

本发明方法大大缩短了电网恢复时间，有利于在电网事故情况下快速恢复电网的能力，对电网特殊事故处理、电网黑启动及确保发电厂的厂用电都具有显著的进步；本方法中采用燃气机组作为快速启动的调峰机组，辅机系统少，FCB的运行状态比常规燃煤电厂采用的燃煤机组可靠，还具有显著的经济价值，可以在电网事故时不用停机，减少发电机组的启动，节约机组启动时消耗的燃料和厂用电。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明；

图1是蒸汽机组和燃气机组的电气主接线示意图；

图2是蒸汽机组和燃气机组的热力循环示意图

图3是本发明FCB运行方法的逻辑流程图；

图4是本发明燃气机组FCB启动信号触发条件的逻辑示意图；

图5是本发明双同期点的位置示意图；

图6是本发明发变组保护的跳闸出口位置示意图；

图7是本发明中机、电、炉联锁示意图；

图8是实验一中燃气机组FCB运行的主要参数曲线趋势图；

图9是实验一中8号蒸汽轮机50％负荷FCB测试试验曲线图；

图10是实验一中8号蒸汽轮机50％负荷FCB汽门关闭曲线放大图；

图11是实验一中8号蒸汽轮机50％负荷FCB转速测试试验曲线放大图；

图12是实验一中燃气轮机发电机50％Pn负荷FCB试验的励磁调节器录波图；

图13是实验二中燃气机组FCB运行的主要参数曲线趋势图；

图14是实验二中8号蒸汽轮机100％负荷FCB测试试验曲线图；

图15是实验二中8号蒸汽轮机100％负荷FCB汽门关闭曲线放大图；

图16是实验二中8号蒸汽轮机100％负荷FCB转速测试试验曲线放大图；

图17是实验二中燃气轮机发电机100％Pn负荷FCB试验的励磁调节器录波图。

具体实施方式

本发明公开了一种应用于燃气-蒸汽机组电厂的FCB运行方法，其中如图1所示，实现FCB运行的电厂机组为双轴联合循环机组，包括燃气机组和蒸汽机组，燃气机组包括1台燃气轮机、1台余热锅炉、1台燃气轮机发电机、1台燃气机组主变压器；蒸汽机组包括1台蒸汽轮机、1台蒸汽轮机发电机、1台蒸汽机组主变压器及相关的辅助设备。燃气轮机发电机正常通过发电机出口断路器GCB实现与电网解列、并网，蒸汽轮机发电机则通过主变压器高压断路器TCB解列、并网。电厂用电为燃气机组、蒸汽机组的公用系统，由燃气轮机主变压器低压侧供电，两个机组的热力循环示意图如图2所示。

本方法包括以下步骤：

S1、为了使电厂能够进行FCB运行，将燃气机组和蒸汽机组按照FCB 运行要求进行设定，包括以下几点：

(1)燃气机组采用双同期点设计：因为燃气机组正常启动时，燃气轮机发电机通过发电机出口断路器GCB实现与电网并网，一旦发生电网不稳定超限，电网安全稳定控制装置、失步解列装置和发变组相关保护首先自动断开燃气轮机主变压器断路器TCB，此时，燃气机组进入FCB 运行状态。当系统故障排除后，机组需要从孤岛运行再并网，则需要通过合上燃气轮机主变压器TCB实现再并网过程。常规的燃气轮机发电机出口只设置一个同期点，即将燃气轮机发电机出口设置为同期点，无法实现FCB后发电机再并网的功能。

综上，要满足燃气轮机的FCB运行要求必须采用双同期点，如图5所示，1号同期点为燃气轮机主变压器断路器TCB，由DCS控制，2号同期点为发电机出口断路器GCB，由TCS控制，1号同期点为正常并网同期点，2号同期点为FCB并网同期点。

(2)修改发变组保护的跳闸出口：如图6所示，常规的发电厂将发电机频率异常(超频)保护及失步(区内)保护的跳闸出口设定为燃气轮机发电机出口断路器GCB，但是这种设定无法满足FCB运行的要求，本发明中将发电机频率异常保护及失步保护的跳闸出口设定为燃气轮机主变压器高压出口断路器TCB。

(3)将燃气机组和蒸汽机组中的各个设备按照FCB运行要求进行联锁，即机、电、炉的联锁：如图7所示，

一、燃气轮机主变压器TCB跳闸时，汽轮机跳闸，燃气轮机启动 RB动作，燃气轮机发电机快速减负荷至带厂用电作FCB运行，余热锅炉旁路运行，燃气轮机发电机出口断路器GCB跳闸时不联锁燃气轮机主变压器断路器TCB；

二、汽轮机单独跳闸时，不联锁跳余热锅炉及燃气轮机，燃气轮机仍能带动发电机单循环运行，余热锅炉旁路运行。

S2、如图3所示，当故障产生时，安全稳定控制装置下发切机指令进入FCB运行状态；

S3、其中燃气轮机收到FCB启动信号后进入FCB运行状态，一般的电厂选择安全稳定控制装置的切机指令作为FCB功能的启动指令，但是这种方式存在几个问题:

(1)、安全稳定控制装置并非每个电厂都标配的设备，作为FCB的启动指令选择面比较单一；

(2)、FCB运行时主变压器高压断路器要跳闸，但是主变压器高压断路器跳闸的原因很多，很难单独作为FCB的启动指令；

(3)、燃气轮机TCS控制系统保护要求在0.1s内必须收到启动FCB 的信号，否则频率超过51.5Hz发出跳燃气轮机指令时会导致FCB运行失败。因此如图4所示，本方法中将燃气机组FCB启动信号的触发条件设置为：燃气轮机主变压器高压断路器TCB收到安全稳定控制装置下发的切机指令跳闸，同时燃气轮机发电机出口开关GCB在合位。

当燃气轮机收到FCB启动信号后，燃气轮机启动快速甩负荷动作迅速将负荷甩至厂用电负荷；同时燃气轮机控制系统TCS切除负荷自动控制模式ALR ON后，再将控制方式从负荷控制切至转速控制方式GOVERNOR，优选的，转速控制设定值为0.2225％，稳定转速在3000rpm，燃气机组发电负荷跟随厂用电负荷需求；

同时，蒸汽机组收到切机指令后进入FCB运行状态，蒸汽轮机主变压器高压断路器跳闸，蒸汽轮机随之跳闸，一方面DEH主汽门关闭然后进入惰走并维持真空状态，另一方面蒸汽机组的高中低旁路快开排至凝汽器，汽包水位正常后，高中低旁路进入定压自动调节状态。

S4、当故障排除后，燃气机组通过1号同期点燃气轮机主变压器断路器TCB实现孤岛运行并网过程，待自带厂用电运行稳定后通过2号同期点发电机出口断路器GCB进行再次并网。

下面通过两组实验对本发明方法作进一步说明，实验说明中汽机表示蒸汽轮机、燃机表示燃气轮机：

实验一，燃气轮机组50％负荷切机自带厂用电甩负荷试验

2014年08月17日21：24：43，通过人为控制安全稳定控制装置进行切机操作，A套安全稳定控制装置联切7、8号机组动作，启动7、8 号机组发变组E柜非电量保护，7、8号主变压器高压断路器跳闸；1s燃气轮机负荷从138.71MW快速减负荷至5.94MW，燃气轮机组转入孤岛运行模式，发电机仅带厂用电负荷运行，汽轮机跳闸，蒸汽走旁路，燃气轮机转速约2s达最高3040.5r/min，为额定转速的101.35％，然后转速迅速下降，约7s转速降至3006r/min，后转速缓慢平稳下降至3000r/min，最大为16.339kV，最小为15.481kV，调节时间为1.19秒，震荡次数为 1.0，调节器调节性能良好。7号发电机在试验过程中，机端电压正常，励磁系统运行正常，无其他异常报警信号。厂用电辅机运行正常。详细参数见表1，主要运行参数趋势图如图8-图12所示。

2014年08月16日21:13，7号机组在切机自带厂用电负荷试验结束后利用燃气轮机主变压器高压断路器TCB再次成功并网。

表1：7号燃气轮机组50％负荷FCB前后参数

序号	数据名称	单位	试验前	试验后
					1	燃气轮机发电机组输出	MW	138.71	6.41
2	燃气轮机转速	rpm	2999.3	3000(最高3040.5)
					3	CSO	％	54.18	27.21
4	燃气轮机振动(最大/轴承号)	ump-p	40.6(#1/X)	42.6(最大44.9)
					5	主A压力控制阀开度	％	99.44	98.45
6	主B压力控制阀开度	％	39.2	39
					7	压力控制阀后压力	MPa	3.806	3.908
8	压力控制阀后燃气温度	℃	200	175
					9	PILOT FCV开度	％	36.81	68.8
10	Main A FCV开度	％	36.69	23.38
					11	Main B FCV开度	％	40.27	26.54
12	topHAT FCV开度	％	30.68	0
					13	IGV开度	％	0.68	0.71
14	燃烧室旁通阀开度	％	35.9	99.08

表2：8号蒸汽轮机50％负荷FCB测试结果(单位：s)

上表中T0：发电机解列，时间零点；T1：阀门开始关闭时刻；T2：阀门完全关闭时刻。

表3：8号蒸汽轮机50％负荷FCB前后参数(单位：s)

实验二，燃气轮机组100％负荷切机自带厂用电甩负荷试验

2014年08月17日21：24：43，通过人为控制安全稳定控制装置进行切机操作，B套安全稳定控制装置联切7、8号机组动作，启动7、8 号机组发变组E柜非电量保护，7、8号机组主变压器高压断路器跳闸， 1s时燃气轮机组负荷从275MW快速减负荷至6.46MW，燃气轮机转入孤岛运行模式，发电机仅带厂用电负荷运行，汽轮机跳闸，蒸汽走旁路。约 3s后，发电机转速达最高3133.5r/min，为额定转速的104.45％，然后转速迅速下降，约14s时转速降至3003.8r/min，后转速缓慢平稳下降至 3000r/min，发电机定子电压15.7kV稳定不变，厂用电辅机运行正常。详细参数见表4、表5、表6，主要参数趋势图见图13-图17所示。

2014年08月17日21:41，7号机组在切机自带厂用电甩负荷试验结束后利用燃气轮机主变压器高压断路器再次并网。

表4：7号燃气机100％负荷FCB前后参数

序号	数据名称	单位	试验前	试验后
					1	燃气轮机发电机组输出	MW	275	6.46
2	燃气轮机转速	rpm	3000.7	3005(最高3133.5)
					3	CSO	％	81.04	26.48
4	燃气轮机振动(最大/轴承号)	ump-p	40.1(#1/X)	44.4(最大46.9)
					5	主A压力控制阀开度	％	99.46	76.22
6	主B压力控制阀开度	％	39.03	39.05
					7	压力控制阀后压力	MPa	3.625	4.166
8	压力控制阀后燃气温度	℃	199.3	200.4
					9	PILOT FCV开度	％	38.29	53.69
10	Main A FCV开度	％	48.18	24.23
					11	Main B FCV开度	％	52.25	27.38
12	topHAT FCV开度	％	44.84	-0.96
					13	IGV开度	％	71.66	0.72
14	燃烧室旁通阀开度	％	8.99	99.03

表5：8号蒸汽轮机100％负荷FCB测试结果(单位：s)

注：T0：发电机解列，时间零点；T1：阀门开始关闭时刻；T2：阀门完全关闭时刻。

表6：8号蒸汽轮机100％负荷FCB前后参数(单位：s)

从实验一和实验二的结果可得，本发明方法的FCB运行效果良好， FCB的启动信号选择合理，能保证燃气轮机快速切换控制模式及甩负荷，并进行燃烧调整。当燃气轮机进入FCB运行状态后，任意一级旁路未快速打开都会导致汽包水位失调而余热锅炉跳闸，从而联跳燃气轮机。为了确保能FCB状态能稳定运行，旁路系统要维持稳定运行，辅助系统的自动控制逻辑设计及硬件设备就必须能快速反应工况的变化，否则FCB 也会失败。电厂机组的FCB运行状态稳定后，对于电厂而言保厂用电安全运行的目标已实现了，但是还未完全实现黑启动，需要将燃气轮机组自带厂用电再次并网，所以必须采用双同期点设计，只有通过燃气轮机主变压器高压断路器再次并网才能实现真正意义上的黑启动。

相对于国内传统的燃煤电厂的FCB运行方法，本方法采用燃气机组和蒸汽机组相结合的的多轴燃气联合循环机组，其优点在于燃气机组能在触发FCB后长时间维持在只带厂用电负荷的情况下运行，而且燃气机组工况稳定，维持时间长。在故障消除后，燃气机组重新并网后升负荷的速率也比传统煤电厂要快，所以其对于维护电网的安全性与稳定性比传统煤电厂的FCB技术有优势。主要体现在以下几方面：

(1)煤机FCB功能的实现难度要相对比较大，其由100％负荷触发 FCB后，需要动作磨煤机、送引风机、给水泵、煤、油枪切换等多个设备，更容易造成设备的误动或拒动，对于机组参数突变的调节过程更为复杂，所以发生调节不到位或其他问题机会更多；燃气机组设备相对较少，而且汽机与燃气轮机分轴设计，易于控制，在燃气机组触发FCB运行状态后反应更为快速，控制效果更为稳定，蒸汽机组只需正常停机，不需燃料切换，只需关小燃料进口阀就可实现。

(2)重新并网后，燃气机组不需要启停辅机等操作，就能快速的恢复加负荷，约10分钟可由30MW升至150MW，充分发挥了燃气轮机快速启动的优越性能。燃煤机组再次并网后操作较多，若电网故障处理时间较长时，加负荷速度较慢，甚至长达几个小时，主要受汽机金属温差等因素限制，对提高电网的自愈能力，迅速恢复电网供电的作用大打折扣。

本发明方法能够使发电厂机组在外部电网故障故障发生时，瞬间甩掉全部对外供电负荷与外部电网解列，同时蒸汽机组进入惰走并维持真空状态，燃气轮机不停机，以此维持发电厂的自用电；待电网故障消除后，机组能自带厂用电负荷，快速有效地与外网并网，向系统供电，从而迅速“激活”网内其它机组，恢复对用户的供电。

本发明方法大大缩短了电网恢复时间，有利于在电网事故情况下快速恢复电网的能力，对电网特殊事故处理、电网黑启动及确保发电厂的厂用电都具有显著的进步；本方法中采用燃气机组作为快速启动的调峰机组，辅机系统少，FCB的运行状态比常规燃煤电厂采用的燃煤机组可靠，还具有显著的经济价值，可以在电网事故时不用停机，减少发电机组的启动，节约机组启动时消耗的燃料和厂用电。

本方法实现FCB运行方法的社会效益大于经济效益，由于电网结构的复杂性，一旦某个或几个设备出现故障或自然灾害可能造成电网解列、大面积停电事故，如2005年海南大停电、2008年冰冻灾害、2014年深圳大停电、2015年湛江大停电等。大停电事故不仅影响工业生产，还影响居民、学校、商场、机关、医院、交通等，甚至造成社会动荡。故FCB 功能的实现对防止大面积停电电网快速恢复供电有积极作用，减少停电时间，减少经济损失，对维护社会稳定起到重大作用。

以上所述仅为本发明的优先实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于燃气-蒸汽机组电厂的FCB运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将燃气机组和蒸汽机组按照FCB运行要求进行设定，包括以下几点：

(1)燃气机组采用双同期点设计，

(2)修改发变组保护的跳闸出口，

(3)将燃气机组和蒸汽机组中的各个设备按照FCB运行要求进行联锁，即机、电、炉的联锁；

S2、当故障产生时，安全稳定控制装置下发切机指令进入FCB运行状态；

S3、其中燃气轮机收到FCB启动信号后进入FCB运行状态；燃气轮机启动快速甩负荷动作迅速将负荷甩至厂用电负荷；同时燃气轮机控制系统TCS切除负荷自动控制模式ALR ON后，再将控制方式从负荷控制切至转速控制方式，燃气机组发电负荷跟随厂用电负荷需求；

蒸汽机组收到切机指令后进入FCB运行状态，蒸汽轮机主变压器高压断路器跳闸，蒸汽轮机随之跳闸，然后进入惰走并维持真空状态，此时蒸汽机组的高中低旁路快开排至凝汽器，汽包水位正常后，高中低旁路进入定压自动调节状态；

S4、燃气机组正常通过1号同期点实现并网过程，当电网故障排除，待厂用电运行稳定后通过2号同期点进行孤岛运行再次并网。

2.根据权利要求1所述的一种应用于燃气-蒸汽机组电厂的FCB运行方法，其特征在于：所述步骤S3中燃气机组FCB启动信号的触发条件为：燃气轮机主变压器高压断路器TCB收到安全稳定控制装置下发的切机指令跳闸，同时燃气轮机发电机出口开关GCB在合位。

3.根据权利要求1所述的一种应用于燃气-蒸汽机组电厂的FCB运行方法，其特征在于：所述步骤S3中转速控制设定值为0.2225％。

4.根据权利要求1所述的一种应用于燃气-蒸汽机组电厂的FCB运行方法，其特征在于：所述步骤S4中1号同期点为燃气轮机主变压器断路器TCB，2号同期点为发电机出口断路器GCB。

5.根据权利要求1所述的一种应用于燃气-蒸汽机组电厂的FCB运行方法，其特征在于：所述步骤S1中发电机频率异常保护及失步保护的跳闸出口设定为燃气轮机主变压器高压出口断路器TCB。

6.根据权利要求1所述的一种应用于燃气-蒸汽机组电厂的FCB运行方法，其特征在于：所述机、电、炉的联锁满足下列要求：

一、燃气轮机主变压器TCB跳闸时，汽轮机跳闸，燃气轮机启动RB动作，燃气轮机发电机快速减负荷至带厂用电作FCB运行，余热锅炉旁路运行，燃气轮机发电机出口断路器GCB跳闸时不联锁燃气轮机主变压器断路器TCB；

二、汽轮机单独跳闸时，不联锁跳余热锅炉及燃气轮机，燃气轮机仍能带动发电机单循环运行，余热锅炉旁路运行。

7.根据权利要求1所述的一种应用于燃气-蒸汽机组电厂的FCB运行方法，其特征在于：所述步骤S3中汽轮机进入惰走并维持真空状态前先将DEH主汽门关闭。