智慧電廠干貨｜火電燃煤機(jī)組問答FCB（2/3）

火電燃煤機(jī)組的FCB（Fast Cut Backe）功能何時出現(xiàn)我國的？據(jù)有關(guān)資料顯示，1985年，有歐洲300MW機(jī)組和日本350MW機(jī)組落戶中國 ，F(xiàn)CB功能配置在熱工控制系統(tǒng)中，至今已有三十多年。1992年，從歐洲進(jìn)口的600MW超臨界機(jī)組設(shè)計有FCB功能并通過了調(diào)試試驗。1998年前后，從日本進(jìn)口的350MW、600MW和700MW容量的燃煤機(jī)組無一例外地帶有FCB，先后在國內(nèi)進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行。這批機(jī)組的FCB功能已經(jīng)爐火純青，歷經(jīng)實戰(zhàn)，成績斐然。2004年以后，多個電廠的國產(chǎn)機(jī)組宣布實現(xiàn)了FCB功能，裝機(jī)容量從300MW、600MW到10000MW等級的都有。但與國內(nèi)300MW及以上在運(yùn)機(jī)組的數(shù)量相比，F(xiàn)CB功能的應(yīng)用還是曲高和寡。

7 、 FCB為何在國內(nèi)沒有推而廣之？

既然FCB“功在電網(wǎng)、利在電廠”，有那么多的好處，進(jìn)入我國也有三十多年的歷史，為什么沒有得到廣泛的應(yīng)用？客觀的講，上個世紀(jì)八十年代中期，我國的電站裝備水平尤其是機(jī)爐的可控性以及熱工裝置水平推廣FCB的確有一定難度，沒有計算機(jī)或計算機(jī)分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System-DCS）的支持，F(xiàn)CB只能是水中月、鏡中花。當(dāng)時行業(yè)主管部委對電廠應(yīng)用DCS還沒有提到議事日程。不過，那時在國內(nèi)試點(diǎn)機(jī)組上的確模仿設(shè)計過FCB，只可惜未見成功案例。而2000年之后，國產(chǎn)電站設(shè)備制造水平已經(jīng)大幅度提高，但很少有人再提FCB，所謂“一朝被蛇咬，十年怕井繩”，早期FCB的失敗陰影形成了拒絕FCB的主觀意見。

可惜可嘆的是，這些主觀意見縈繞在電力行業(yè)內(nèi)長達(dá)幾十年，嚴(yán)重地阻礙了FCB的應(yīng)用。我們還在紙上談兵，高談闊論FCB該不該用，外面世界的同行卻埋頭實踐、一步一個腳印，以時間長度換來了FCB控制水平的高度，踏實地把FCB作為標(biāo)準(zhǔn)功能配置在所有大型機(jī)組并出口到世界各地，以至于FCB功能成了國際市場上火電廠燃煤機(jī)組招標(biāo)的一種規(guī)范，這個差距確實有點(diǎn)兒大。

當(dāng)年的主觀意見有一種擔(dān)心，汽輪機(jī)低負(fù)荷或空轉(zhuǎn)時“鼓風(fēng)”效應(yīng)可能損壞汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片。甚至尖銳的發(fā)出警告“發(fā)電機(jī)解列后帶廠用電或維持汽輪機(jī)空轉(zhuǎn)的作法是極端錯誤的”。當(dāng)年的主觀意見還有一種定義，只有回收全部工質(zhì)（過熱和再熱蒸汽）的鍋爐快速減出力才是“真正的FCB ”。當(dāng)年的主觀意見還有一種說法， FCB主要對電網(wǎng)有利，對電廠沒有太多好處，一個電網(wǎng)中不必每臺機(jī)組都設(shè)計FCB。

然而事實勝于雄辯。

現(xiàn)代汽輪機(jī)的制造技術(shù)無論在金屬材料、制造工藝還是安全設(shè)備配置方面都提高了汽輪機(jī)應(yīng)付“鼓風(fēng)”效應(yīng)的能力，汽輪機(jī)“孤島運(yùn)行帶廠用電”運(yùn)行的安全性已經(jīng)獲得驗證。前一篇文章（參閱火電燃煤機(jī)組問答FCB（1））中提到的機(jī)組“2001年5月11日因雷擊輸電線路，甩650MW負(fù)荷，F(xiàn)CB成功實現(xiàn)發(fā)電機(jī)解列帶廠用電，自帶負(fù)荷19MW，孤島運(yùn)行時間長達(dá)195分鐘?！钡陌咐呀?jīng)是不爭的事實，近二十年過去，這些運(yùn)行機(jī)組性能依然杠杠滴?！肮娘L(fēng)論”就FCB應(yīng)用而言可以歇歇了。至于“發(fā)電機(jī)解列后維持汽輪機(jī)空轉(zhuǎn)”，并無實用價值，當(dāng)棄之不用。

所謂“真正的FCB”這種提法本身就是個偽命題。國、內(nèi)外已經(jīng)成功實現(xiàn)FCB的案例都證明，世界上還沒有哪一臺機(jī)組能夠在FCB過程中回收全部工質(zhì)。FCB過程中為應(yīng)付鍋爐壓力飛升，75%ECR以上負(fù)荷段適量泄放蒸汽是有效的控制手段。如果按所謂的“全部回收工質(zhì)”的設(shè)想，為了把過熱蒸汽的熱力參數(shù)，通過高旁和低旁降到凝汽器可以接受的數(shù)值，中間要兩次噴水減溫，工藝系統(tǒng)就要根據(jù)汽水質(zhì)量流量逐級擴(kuò)容，再熱器容量要增加大約17％，隨之鍋爐的燃燒容積也要相應(yīng)增大，附屬設(shè)備和輔機(jī)跟著變大，凝汽器要擴(kuò)容至鍋爐蒸發(fā)量的1.5倍。到目前為止，在世界范圍內(nèi)還沒有發(fā)現(xiàn)有按這種思路制造的機(jī)組。僅為了在小概率事件中回收那么點(diǎn)兒蒸汽（根據(jù)實際驗證，蒸發(fā)量2000t/h的鍋爐在100％甩負(fù)荷的FCB極端工況下也不過損失蒸汽9噸左右，相當(dāng)于額定容量的0.45％）而去需耗費(fèi)大量的投資極不合理，在昂貴的設(shè)備造價面前絕無實現(xiàn)的可能。

事實證明，高參數(shù)的大容量機(jī)組從FCB中可以獲得安全和經(jīng)濟(jì)兩方面的收益，F(xiàn)CB已經(jīng)成為國際上機(jī)組熱工自動化水平高低的標(biāo)志性指標(biāo)。在一些先進(jìn)工業(yè)國家，F(xiàn)CB是電廠的標(biāo)配，我國出口的火電機(jī)組幾乎也都被要求投入FCB。事實上，F(xiàn)CB的“停機(jī)不停爐”功能應(yīng)對的就是電廠內(nèi)部引發(fā)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)跳閘但未至 MFT動作的故障，無論人為誤操作還是設(shè)備異常，F(xiàn)CB都是有效的安全屏障，否則，這些人為的誤操作或設(shè)備異常都會統(tǒng)統(tǒng)造成停機(jī)停爐，都要統(tǒng)計為非計劃停運(yùn)。

8 、 FCB方案有區(qū)別嗎？

國內(nèi)主要有兩種流派，歐洲版和日本版，都是從國外進(jìn)口機(jī)組上帶來的，主要的區(qū)別在汽機(jī)旁路的配置上。見表1。

表1 FCB歐洲版和日本版設(shè)備配置比較表

FCB工況鍋爐蒸汽疏導(dǎo)方式：

歐洲版，汽機(jī)旁路疏導(dǎo)，冷再和熱再超壓安全門動作泄放；

日本版，汽機(jī)旁路疏導(dǎo)，鍋爐正常運(yùn)行壓力PCV閥即時主動打開泄放。

9 、 FCB是否非100％旁路莫屬呢？

送給100%容量的汽機(jī)高旁兩個字，“浪費(fèi)”。有電廠公開資料為證：1993年8月3日14點(diǎn)46分，2號機(jī)組曾成功地實現(xiàn)了一次FCB。FCB發(fā)生前機(jī)組負(fù)荷560MW，(此處省略56個字），高壓旁路自動打開，1、2號高壓旁路（100％容量＝25％×4）閥先開啟到43％，再回落到20％；3、4號高壓旁路閥一直保持在20％開度上，低壓旁路（65％容量）受噴水流量限制只開30％左右，再熱器壓力從4.0MPa上升到5.8MPa，再熱器安全門起座（保護(hù)動作值超限）。按等效開度計算，高壓旁路只用了總?cè)萘康?1.5％，低壓旁路只用到30％，設(shè)備容量浪費(fèi)差不多70％。100％高旁＋65％低旁（國內(nèi)還有65％×2的配置）給基建投資、維護(hù)費(fèi)用造成巨大浪費(fèi)。以1000MW超超臨界機(jī)組為例，實現(xiàn)同樣FCB功能，相比配置40％容量的旁路至少要多花幾千萬乃至上億人民幣。雖然國內(nèi)許多電廠這樣設(shè)計了，但貴的不等于對的。

有選擇100％高旁者辨稱，第一、有助于全部回收工質(zhì)；第二、可以替代鍋爐安全門；第三、鍋爐安全門排汽噪聲符合歐洲環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。真實的情況是：首先，安全門沒有被替代，只不過換了個地方，從鍋爐過熱器聯(lián)箱挪到了再熱器管道上。要論動作速度，大概還是過熱器安全門開得快，不必費(fèi)事通過高旁，更直接、更安全。其次，高于75％BMCR發(fā)生FCB時再熱器安全門必動無疑，對空排出蒸汽是肯定的了，何來“全部回收工質(zhì)”？再熱器安全門泄放鍋爐蒸汽能連個動靜都沒有？還是因為歐洲人設(shè)計的再熱器安全門就可以無聲無息的排出高壓蒸汽？過于牽強(qiáng)的理由藏有詭辯之嫌。

圖1 100％旁路實際容量流程圖

鍋爐超出正常工作壓力的簡單標(biāo)志就是鍋爐安全門動作。在機(jī)組正常運(yùn)行中，因負(fù)荷瞬時降低一定幅度的過渡過程中，汽機(jī)旁路能夠參與過熱蒸汽壓力調(diào)節(jié)，穩(wěn)定汽輪機(jī)機(jī)前壓力，這種功能在生產(chǎn)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，不存在問題。對FCB工況而言，汽機(jī)旁路主要起控制鍋爐壓力飛升的作用，圖1是根據(jù)100％高旁、65％低旁配置和設(shè)備特性繪制的蒸汽容量流程圖，即便按靜態(tài)流量平衡的角度評價，配置100％旁路也不合理。以700MW亞臨界機(jī)組為例，當(dāng)機(jī)組100％甩負(fù)荷時，過熱蒸汽經(jīng)過高旁閥流入再熱器時流量大約增加了17％（100％過熱蒸汽＋17％減溫水）左右，而比再熱器的容量大了37％（再熱器的容量相當(dāng)于過熱器的80％，因鍋爐設(shè)計不同，具體數(shù)據(jù)略有差別），比低旁閥大了52％，這種進(jìn)入量大排出量小的現(xiàn)象如同“腸梗阻”，所以國內(nèi)配置100％高旁閥的機(jī)組一旦在機(jī)組高負(fù)荷（＞75%ECR）發(fā)生FCB沒有一臺機(jī)組的再熱器安全門不是被動打開的，蒸汽照樣對空排放，“全部回收工質(zhì)”成為奢談。安全門一旦動作即表示鍋爐壓力失控，而FCB成功的標(biāo)準(zhǔn)中有“鍋爐、汽機(jī)不超溫，不超壓”的要求，如此說來，配置了100%汽機(jī)旁路反而是沒有實現(xiàn)“真正的FCB ”。需要特別說明，這和FCB時打開鍋爐PCV閥不一樣，PCV閥是由FCB觸發(fā)主動打開，對應(yīng)于FCB動作負(fù)荷下的正常工作壓力，用于消去壓力飛升峰值，能有效防止鍋爐主安全門超壓動作。同理，65％的旁路閥配置也不合理，汽輪機(jī)凝汽器的容量不過是70％，而低旁閥出口的最大容量能達(dá)到85.1%，如果真的有這么多蒸汽蜂擁而至，至少有15％左右的旁路容量無法被凝汽器接納。

想不透當(dāng)年歐洲人為什么選擇100%汽機(jī)旁路。技術(shù)問題不能講迷信，100%汽機(jī)旁路存在那么多明顯無法解釋的Bug，如果不加任何思考就跟著照葫蘆畫瓢，那就是對人民幣的不負(fù)責(zé)任。

10 、 40%的汽機(jī)高旁容量夠用嗎？

旁路容量的選擇就離不開鍋爐和汽輪機(jī)工質(zhì)流量的平衡特性。為了提高機(jī)組的整體熱效率，汽輪機(jī)設(shè)計有回?zé)嵯到y(tǒng)，從汽輪機(jī)各級汽缸抽取蒸汽，綜合起來大約用去35％BMCR的蒸汽量。設(shè)備制造廠從造價經(jīng)濟(jì)合理原則出發(fā)，依據(jù)機(jī)組汽水平衡情況，鍋爐再熱器蒸發(fā)量基本上都是按80％BMCR設(shè)計，因為過熱蒸汽通過汽輪機(jī)高壓缸作功后部分進(jìn)入了機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)或被相關(guān)輔機(jī)利用，無法全部回到鍋爐再熱器。那么，單從流量平衡方面考慮，高壓旁路的上限值為80％BMCR是否合適？回答是否定的。汽輪機(jī)旁路閥不是普通的閥門，它具有減溫減壓的作用，由于減溫噴水流量的加入，旁路閥的流量出口大于入口。例如，單機(jī)容量為700MW的亞臨界機(jī)組，17.5MPa／541℃的高溫高壓過熱蒸汽通過高壓旁路閥并經(jīng)噴水減溫后，壓力和溫度被降低至4.7MPa／295℃，而920 t/h的入口流量，到了出口則增多到1074 t/h，減溫噴水增量約17％。所以選擇高壓旁路容量時要考慮旁路和旁路閥的流量配合比例，對于低壓旁路也要作同樣考慮，尤其為了配適汽輪機(jī)凝汽器的參數(shù)，低壓旁路的噴水量更大，增量甚至達(dá)到31％（入口流量827.75 t/h，出口流量1083.25 t/h）。

圖2 以凝汽器容量為基準(zhǔn)的汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)合理配置示意圖

回?zé)嵯到y(tǒng)所用掉的蒸汽在熱交換中已經(jīng)轉(zhuǎn)換為疏水，不需要汽輪機(jī)凝汽器進(jìn)行冷凝，同樣基于設(shè)備造價經(jīng)濟(jì)合理原則，汽輪機(jī)凝汽器的設(shè)計能力（含小汽輪機(jī)的排汽）僅有70％BMCR，不同廠家回?zé)岢槠?、熱工參?shù)會有差異，對這一比例可能有所影響，但同為一級再熱鍋爐，配有汽動給水泵的機(jī)組，凝汽器容量的偏差不會超過±5％BMCR。根據(jù)木桶短板原理，串聯(lián)系統(tǒng)中最低的通流能力就是系統(tǒng)的最大流量。從圖2中可以清晰的看到，管道中的蒸汽量逐級加大，熱力參數(shù)逐步降低，入口流量小出口流量大，一路順暢地進(jìn)入凝汽器，絕無“腸梗阻”之虞。對比蒸汽系統(tǒng)設(shè)備容量，凝汽器的容量最小，可以作為選擇旁路容量的計算基準(zhǔn)。從凝汽器冷凝容量中減去小汽輪機(jī)3.2％BMCR左右的排汽，通過逆向運(yùn)算，低壓旁路閥的最大容量不應(yīng)超過53.1％BMCR，高壓旁路閥的最大容量不應(yīng)超過45.8％BMCR。這是理論上按熱力系統(tǒng)工質(zhì)流量平衡要求選擇旁路閥的最高限值，實際上從提高設(shè)備投資性價比方面考慮，在滿足機(jī)組各種控制和安全功能的前提下選擇旁路閥的容量越小就越趨近于合理值，對機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行越有利。

根據(jù)理論分析和長期運(yùn)行經(jīng)驗，汽機(jī)高旁容量可綜合考慮汽機(jī)凝汽器設(shè)計容量和不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷等因素，在35％BMCR～45％BMCR之間取舍，低旁閥容量以大于高旁閥5％BMCR為宜，理論分析和實踐都證明，40％BMCR高旁和45％BMCR低旁有比較好的經(jīng)濟(jì)性，既好用又省錢。直流爐可參考鍋爐最低循環(huán)流量加上5％BMCR就是高旁閥容量的合理選擇。兼顧到旁路快開功能，用于FCB的汽機(jī)旁路閥應(yīng)優(yōu)先選擇液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

按機(jī)組正常運(yùn)行工況選擇40%汽機(jī)高旁，F(xiàn)CB工況下為應(yīng)對75%ECR以上甩負(fù)荷引發(fā)鍋爐壓力飛升，鍋爐過熱蒸汽管道上適量加大PCV閥蒸汽泄放量，可由設(shè)計規(guī)程規(guī)定的10%提高到32%左右。綜合評審這種組合方案既節(jié)省了汽機(jī)旁路和鍋爐相關(guān)設(shè)備的一次性投資，又能成功實現(xiàn)FCB功能。

選用容量40%高旁+45%低旁+32%鍋爐過熱器PCV閥的700MW機(jī)組的FCB控制，是個什么效果呢？且看下文分解。

（未完待續(xù)）