火力发电厂高端的安全控制带来高度的安全

摘 要：现代火力发电厂基于安全控制理念的不断提升，机组容量越大自动控制功能越全面，一些新的安全控制策略和方法如汽轮机超速保护控制（OPC）、调节系统中的超驰控制、机组的辅机故障减负荷（RB）和机组快速切负荷FCB）等控制也开始广泛应用。热力生产过程自动化的根本意义已经由简单的“减少人工、节省体力”转变成更为高级的 “安全控制”以确保生产和设备的安全。

关键词：超驰；OPC；RB；FCB

引言

一谈起工业过程自动化，人们对其作用通常首先想到就是“减少人工、节省体力”，这种想法对于早期的工业控制应该说表述基本恰当，但对于现代的工业装备，特别近年来投产的单机600MW以上容量、超临界甚至超超临界参数的大型火力发电机组而言就有定位不准之嫌了。随着火力发电机组容量增大，机组运行参数越来越高，系统设备也越来越多，从而使机组工艺系统设备之间更加需要紧密的关联起来，在机组的运行中，工况的转变速度也随着机组容量的增大而变得越来越快速，进而使人工操作的难度大幅提高，尤其是在机组启动和停运以及负荷的突然变化过程中，大量的设备需要启停切换、参数需要调整，操作人员需要在有限的时间内完成对应的工作。这样就使操作人员的精神处于高度紧张状态、且劳动强度、操作风险性也大幅提高，一旦操作不慎就可能发生不安全事件，更为严重的情况就会造成巨大得经济损失。

现代火力发电厂基于安全控制理念的不断提升，机组容量越大自动控制功能越全面，一些新的安全控制策略和方法也开始广泛应用。热力过程高端安全自动控制涉及到许多方面，例如汽轮机控制中的OPC（Over Speed Protection Control-超速保护控制）、调节系统中的超驰（Override Control-安全转向控制）、机组的RB（Run Back-辅机故障减负荷）和FCB（Fast Cut Back，机组快速切负荷）等控制。热力生产过程自动化的根本意义已经由简单的“减少人工、节省体力”转变成更为高级的 “安全控制”以确保生产和设备的安全。

1 OPC控制

OPC是汽轮机用快速的调节机制抑制转速飞升防止汽轮机超速跳闸的一种控制方式。正常运行中的汽轮发电机如果因故突然甩负荷，过渡过程中转速的动态偏差足以让汽机跳闸，这种异常跳闸对汽轮机而言无论在经济还是安全方面都是一种危害。OPC就是在可控的条件下最大限度地避免汽轮机发生无谓跳闸的安全控制功能。可靠的OPC控制必须有超速预测能力，现代预测汽机超速的实用方法是将发电机负荷信号（发电机电流）减去折算量纲后的汽轮机中压缸入口汽压，即为机组瞬间功率不平衡信号作为超速预测量。若功率不平衡信号等于零，则机组将保持转速恒定，如果功率不平衡信号变大（发电机负荷小于中压缸入口汽压），预示汽轮机将被加速。当转速或预测超速量至大于规定值时，紧急关闭汽轮机高压缸和中压缸调门避免汽机进一步超速，3～5秒后再重新开启，维持汽轮机继续正常运行。OPC具有兼顾电网和电厂两方面运行安全的作用，对电网能够有效平抑突发性甩负荷造成的波动，对电厂能减少汽轮机超速跳闸的次数。

2 超驰控制

什么叫超驰控制呢？超驰控制就是当自动控制系统出现事故报警、信号偏差过大、信号越限、故障等异常时，控制逻辑将根据引起事故发生的信号将控制系统切手动状态，并对系统的输出依据其特点实行优先增、优先减或者禁止增、禁止减等逻辑功能，从而使系统设备朝着预先设定好的安全状态动作，并发出报警信号。早期的控制系统绝大部分都缺少对系统内、外设备状态的识别，其安全防护能力也就不高了。系统中信号的输入端有稍偏差，无论系统内部是否出现问题或外部生产设备工作是否异常，控制器就会发出动作指令。超驰控制的优点就在于能有效地改善上述控制系统中的缺点。在系统内部，它能够判断自动控制过程中，变送器信号本身的品质，还能够判断变送器信号的输入输出偏差限值等。自动控制系统在检测仪表本身出现问题时，自动调节的本身已不具有实际意义，此时，超驰控制便会将回路由自动控制方式切换到手动控制方式；对于外部系统而言，在自动控制仪表正常时，如果机组各设备或运行状态产生异动，超驰控制又能够根据其判定逻辑改变自动控制系统的控制策略或运行方式，从而使机组运行走向安全，避免危险工况的发生。

3 RUN BACK（RB）控制

火力发电厂除了机、炉、发电机等主要设备外，还有许多重要的辅机，如锅炉的送风机、引风机、一次风机，给水系统的给水泵、循环水系统的循环水泵等，从安全和经济方面考虑，这些辅机通常都是双套布置，出力各占50%，如果运行中某台辅机故障退出，最直接的影响就是机组带负荷能力立刻失去50%。机组正常运行中突然出现这种异常工况运行人员如果反应不及时造成停机停炉的概率相对较高，而实践证明靠人来实现大容量机组（300MW以上）RB工况操作难度大、安全风险高。设计和运用自动控制装置来完成机组的RB功能就成为现代大型火力发电机组的一种必然，极大的提高了机组的运行安全水平。

4 FAST CUT BACK（FCB）控制

机组在应对突发大幅度甩负荷的快速反应机制方面代表性的高端功能是FCB。FCB是指运行中的机组在电网故障解列，发电机或汽轮机跳闸，机组瞬间甩负荷，而锅炉侧没有主燃料跳闸（MFT）时，机组带厂用电运行或“停机不停炉”的自动控制功能。FCB功能的优秀实现能够给电网带来非常多的好处，如2003年8月14日美国中西部和东北部的大部分地区及加拿大安大略省发生的大面积停电事故，此次事故影响人口约5000万，仅仅美国的停电损失高达约40亿～100亿美元。在这次停电事故中暴露出的主要问题就是，美国的电网和各发电厂之间在整个系统、结构以及设备在安全性方面都存在隐患。从上述事件可以看出，发电厂如果能够机组遭遇紧急故障的情况下（不论故障来源于电网还是来自于电厂本身），机组的FCB控制功能能够优秀的实现，从而使机组处于“孤岛运行”方式，那么电网系统的稳定性就能够得到可靠地保障。

机组FCB功能的可靠实现还能够使电网在最短的时间内恢复正常，其对电网的稳定性有非常大的帮助，具有巨大的社会效益。对于电厂方面而言，也能在设备安全、经济运行方面提供很大的便利。在电网发生大面积停电事故时，FCB功能所实现的“孤岛运行”的措施，能够快速恢复机组对电网供电，进而在机组事故停运过程中最有效的减轻金属应力损伤，保证电厂设备的安全。从以上FCB实现的功能可以看出，FCS能够减少机组误停、减缓机组温差应力，并且降低能量损耗。综上所述，FCB功能能够提高电网的稳定性，还能够减少电厂的设备损耗、能量损耗，提高电厂的经济效益。

由多次电厂异常工况的事件可以看出，高端控制技术在保证电厂高度安全性方面所起的作用是不可替代的，这是因为面对突发故障，机组立即失去全部负荷，留给控制的反应时间不足3秒。在如此短的时间内靠人工操作同时打开锅炉电磁泄放阀、汽轮机旁路、调节锅炉燃料、给水、汽温、汽压并延续机组的运行，早就超出了人的反应极限。而FCB功能则能够在机组悬于全停边缘的瞬间全面地实现机组的快速自动控制，使机组朝着安全运行的方向调节，从而确保机组的安全运行。

FCB功能给电厂安全经济运行带来的种种好处显而易见，其主要的表现有以下几点：（1）在控制机组脱离紧急故障时，既能调节机组朝正常的方向运行，又能够保证机组的热力参数在安全的范围内；（2）FCB与MFT比较而言，FCB的触发给故障排除提供了机会和可能性。无论是“停机不停炉”还是仅仅带厂用电运行都能够使机组维持着正常的运行参数，当事故原因得到确认和消除时，机组就能迅速的带上正常负荷。如此一来，机组运行成本和非计划停运次数就都得到了有效控制；（3）在热力机械寿命方面，若锅炉快速变工况，例如满负荷时突然发生MFT，其温度、压力波动幅度将发生大幅变化。如果不设计FCB功能，那么引起锅炉MFT的可能性将大幅提高，发生锅炉MFT的次数也会提高，从而使金属应力变化幅度和次数随之增加，降低设备的热力机械寿命。而成功的FCB控制，会使机、炉热力参数被控制在设计得允许范围内，降低设备应力损耗，提高设备的使用寿命。

当然，既然是高端控制必然具备相当高度的技术门槛，实现FCB具有一定的技术难度，主要是被控的运行工况严酷，成功的可能仅存瞬息，运行参数趋近红线，实际上是在事故边缘力挽机组安全。这就要求机组的各自动控制系统能够快速、全面的参与其中，并且各自动控制系统都要对控制方式切换、过程调节作出快速准确的反应。

机组FCB功能的准确实现，能够提高电网和电厂长期的安全运行可靠性和经济性。但是，高端的自动控制技术需要有安全可靠的工业设备作为基础。因此，要准确可靠地实现FCB功能，就要做好机组设计、设备选型、控制策略、安装调试等方面的工作。良好的锅炉燃烧特性；优秀的汽轮机运行性能；可靠快速地电气系统设备；容量合适的锅炉压力飞升控制设备，都是其实现的必要条件。另外，FCB还要求有高端的全过程、全自动热工自动控制系统与之相辅相成。高级的工业设备要有高端的自动控制才能有高度的运行安全。

参考文献

[1]王立地，姚金环.机炉协调控制系统应用策略及调试[J].华东电力，1996（3）：24-28.

[2]王立地，姚金环.国产300MW机组新型DEH的特点[J].华东电力，1997（3）：22-25.

[3]姚金环.分散控制系统中的超驰控制[J].华东电力，2000（3）：53.

[4]王立地，姚金环.FCB功能的成功应用与一种新的实现方案[J]. 自动化仪表，2004（6）：48-52.

[5]姚金环.对FCB若干问题的探讨[J].电力技术，2007（5）：40-44.

作者简介：王继鹏（1980，10-），男，汉族，陕西西安，工程师，研究方向：热工自动化。