智慧電廠干貨｜火電燃煤機組問答FCB（2/3）

火電燃煤機組的FCB（Fast Cut Backe）功能何時出現我國的？據有關資料顯示，1985年，有歐洲300MW機組和日本350MW機組落戶中國 ，FCB功能配置在熱工控制系統中，至今已有三十多年。1992年，從歐洲進口的600MW超臨界機組設計有FCB功能并通過了調試試驗。1998年前后，從日本進口的350MW、600MW和700MW容量的燃煤機組無一例外地帶有FCB，先后在國內進入商業運行。這批機組的FCB功能已經爐火純青，歷經實戰，成績斐然。2004年以后，多個電廠的國產機組宣布實現了FCB功能，裝機容量從300MW、600MW到10000MW等級的都有。但與國內300MW及以上在運機組的數量相比，FCB功能的應用還是曲高和寡。

7 、 FCB為何在國內沒有推而廣之？

既然FCB“功在電網、利在電廠”，有那么多的好處，進入我國也有三十多年的歷史，為什么沒有得到廣泛的應用？客觀的講，上個世紀八十年代中期，我國的電站裝備水平尤其是機爐的可控性以及熱工裝置水平推廣FCB的確有一定難度，沒有計算機或計算機分散控制系統（Distributed Control System-DCS）的支持，FCB只能是水中月、鏡中花。當時行業主管部委對電廠應用DCS還沒有提到議事日程。不過，那時在國內試點機組上的確模仿設計過FCB，只可惜未見成功案例。而2000年之后，國產電站設備制造水平已經大幅度提高，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內長達幾十年，嚴重地阻礙了FCB的應用。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作為標準功能配置在所有大型機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組招標的一種規范，這個差距確實有點兒大。

當年的主觀意見有一種擔心，汽輪機低負荷或空轉時“鼓風”效應可能損壞汽輪機轉子葉片。甚至尖銳的發出警告“發電機解列后帶廠用電或維持汽輪機空轉的作法是極端錯誤的”。當年的主觀意見還有一種定義，只有回收全部工質（過熱和再熱蒸汽）的鍋爐快速減出力才是“真正的FCB ”。當年的主觀意見還有一種說法， FCB主要對電網有利，對電廠沒有太多好處，一個電網中不必每臺機組都設計FCB。

然而事實勝于雄辯。

現代汽輪機的制造技術無論在金屬材料、制造工藝還是安全設備配置方面都提高了汽輪機應付“鼓風”效應的能力，汽輪機“孤島運行帶廠用電”運行的安全性已經獲得驗證。前一篇文章（參閱火電燃煤機組問答FCB（1））中提到的機組“2001年5月11日因雷擊輸電線路，甩650MW負荷，FCB成功實現發電機解列帶廠用電，自帶負荷19MW，孤島運行時間長達195分鐘?！钡陌咐呀浭遣粻幍氖聦?，近二十年過去，這些運行機組性能依然杠杠滴?！肮娘L論”就FCB應用而言可以歇歇了。至于“發電機解列后維持汽輪機空轉”，并無實用價值，當棄之不用。

所謂“真正的FCB”這種提法本身就是個偽命題。國、內外已經成功實現FCB的案例都證明，世界上還沒有哪一臺機組能夠在FCB過程中回收全部工質。FCB過程中為應付鍋爐壓力飛升，75%ECR以上負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”的設想，為了把過熱蒸汽的熱力參數，通過高旁和低旁降到凝汽器可以接受的數值，中間要兩次噴水減溫，工藝系統就要根據汽水質量流量逐級擴容，再熱器容量要增加大約17％，隨之鍋爐的燃燒容積也要相應增大，附屬設備和輔機跟著變大，凝汽器要擴容至鍋爐蒸發量的1.5倍。到目前為止，在世界范圍內還沒有發現有按這種思路制造的機組。僅為了在小概率事件中回收那么點兒蒸汽（根據實際驗證，蒸發量2000t/h的鍋爐在100％甩負荷的FCB極端工況下也不過損失蒸汽9噸左右，相當于額定容量的0.45％）而去需耗費大量的投資極不合理，在昂貴的設備造價面前絕無實現的可能。

事實證明，高參數的大容量機組從FCB中可以獲得安全和經濟兩方面的收益，FCB已經成為國際上機組熱工自動化水平高低的標志性指標。在一些先進工業國家，FCB是電廠的標配，我國出口的火電機組幾乎也都被要求投入FCB。事實上，FCB的“停機不停爐”功能應對的就是電廠內部引發汽輪機、發電機跳閘但未至 MFT動作的故障，無論人為誤操作還是設備異常，FCB都是有效的安全屏障，否則，這些人為的誤操作或設備異常都會統統造成停機停爐，都要統計為非計劃停運。

8 、 FCB方案有區別嗎？

國內主要有兩種流派，歐洲版和日本版，都是從國外進口機組上帶來的，主要的區別在汽機旁路的配置上。見表1。

表1 FCB歐洲版和日本版設備配置比較表

FCB工況鍋爐蒸汽疏導方式：

歐洲版，汽機旁路疏導，冷再和熱再超壓安全門動作泄放；

日本版，汽機旁路疏導，鍋爐正常運行壓力PCV閥即時主動打開泄放。

9 、 FCB是否非100％旁路莫屬呢？

送給100%容量的汽機高旁兩個字，“浪費”。有電廠公開資料為證：1993年8月3日14點46分，2號機組曾成功地實現了一次FCB。FCB發生前機組負荷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（保護動作值超限）。按等效開度計算，高壓旁路只用了總容量的31.5％，低壓旁路只用到30％，設備容量浪費差不多70％。100％高旁＋65％低旁（國內還有65％×2的配置）給基建投資、維護費用造成巨大浪費。以1000MW超超臨界機組為例，實現同樣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。雖然國內許多電廠這樣設計了，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；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保標準。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，不必費事通過高旁，更直接、更安全。其次，高于75％BMCR發生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”？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志就是鍋爐安全門動作。在機組正常運行中，因負荷瞬時降低一定幅度的過渡過程中，汽機旁路能夠參與過熱蒸汽壓力調節，穩定汽輪機機前壓力，這種功能在生產中已經廣泛應用，不存在問題。對FCB工況而言，汽機旁路主要起控制鍋爐壓力飛升的作用，圖1是根據100％高旁、65％低旁配置和設備特性繪制的蒸汽容量流程圖，即便按靜態流量平衡的角度評價，配置100％旁路也不合理。以700MW亞臨界機組為例，當機組100％甩負荷時，過熱蒸汽經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％（再熱器的容量相當于過熱器的80％，因鍋爐設計不同，具體數據略有差別），比低旁閥大了52％，這種進入量大排出量小的現象如同“腸梗阻”，所以國內配置100％高旁閥的機組一旦在機組高負荷（＞75%ECR）發生FCB沒有一臺機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”成為奢談。安全門一旦動作即表示鍋爐壓力失控，而FCB成功的標準中有“鍋爐、汽機不超溫，不超壓”的要求，如此說來，配置了100%汽機旁路反而是沒有實現“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觸發主動打開，對應于FCB動作負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，汽輪機凝汽器的容量不過是70％，而低旁閥出口的最大容量能達到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。

想不透當年歐洲人為什么選擇100%汽機旁路。技術問題不能講迷信，100%汽機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責任。

10 、 40%的汽機高旁容量夠用嗎？

旁路容量的選擇就離不開鍋爐和汽輪機工質流量的平衡特性。為了提高機組的整體熱效率，汽輪機設計有回熱系統，從汽輪機各級汽缸抽取蒸汽，綜合起來大約用去35％BMCR的蒸汽量。設備制造廠從造價經濟合理原則出發，依據機組汽水平衡情況，鍋爐再熱器蒸發量基本上都是按80％BMCR設計，因為過熱蒸汽通過汽輪機高壓缸作功后部分進入了機組的回熱系統或被相關輔機利用，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，單機容量為700MW的亞臨界機組，17.5MPa／541℃的高溫高壓過熱蒸汽通過高壓旁路閥并經噴水減溫后，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凝汽器的參數，低壓旁路的噴水量更大，增量甚至達到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的汽輪機旁路系統合理配置示意圖

回熱系統所用掉的蒸汽在熱交換中已經轉換為疏水，不需要汽輪機凝汽器進行冷凝，同樣基于設備造價經濟合理原則，汽輪機凝汽器的設計能力（含小汽輪機的排汽）僅有70％BMCR，不同廠家回熱抽汽、熱工參數會有差異，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組，凝汽器容量的偏差不會超過±5％BMCR。根據木桶短板原理，串聯系統中最低的通流能力就是系統的最大流量。從圖2中可以清晰的看到，管道中的蒸汽量逐級加大，熱力參數逐步降低，入口流量小出口流量大，一路順暢地進入凝汽器，絕無“腸梗阻”之虞。對比蒸汽系統設備容量，凝汽器的容量最小，可以作為選擇旁路容量的計算基準。從凝汽器冷凝容量中減去小汽輪機3.2％BMCR左右的排汽，通過逆向運算，低壓旁路閥的最大容量不應超過53.1％BMCR，高壓旁路閥的最大容量不應超過45.8％BMCR。這是理論上按熱力系統工質流量平衡要求選擇旁路閥的最高限值，實際上從提高設備投資性價比方面考慮，在滿足機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，對機組經濟運行越有利。

根據理論分析和長期運行經驗，汽機高旁容量可綜合考慮汽機凝汽器設計容量和不投油最低穩燃負荷等因素，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低旁有比較好的經濟性，既好用又省錢。直流爐可參考鍋爐最低循環流量加上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的汽機旁路閥應優先選擇液壓執行機構。

按機組正常運行工況選擇40%汽機高旁，FCB工況下為應對75%ECR以上甩負荷引發鍋爐壓力飛升，鍋爐過熱蒸汽管道上適量加大PCV閥蒸汽泄放量，可由設計規程規定的10%提高到32%左右。綜合評審這種組合方案既節省了汽機旁路和鍋爐相關設備的一次性投資，又能成功實現FCB功能。

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

（未完待續）