超臨界機組如何實現(xiàn)黑啟動的探討

馬 騰

（深能集團媽灣電力有限公司，廣東深圳 518052）

1 黑啟動和FCB 的概念

（1）FCB（Fast Cut Back，快速切回）是指并網(wǎng)機組在高于某一負荷定值運行時，因內(nèi)部或外部電網(wǎng)故障與電網(wǎng)解列，瞬間甩掉全部對外供電負荷，但未發(fā)生鍋爐MFT（Master File Table，主燃料跳閘）的情況下，用以維持發(fā)電機解列帶廠用電或停機不停爐的自動控制功能。

（2）黑啟動是指電力系統(tǒng)區(qū)域大面積停電后，在無外界電源支持情況下，由具備自啟動、自維持或FCB 負荷能力的發(fā)電機組所提供的恢復系統(tǒng)供電的服務。

因此，可以將黑啟動可理解為，機組具有FCB 功能就具備申請黑啟動服務的能力。

2 黑啟動的意義

當代社會的正常運轉(zhuǎn)跟電力的供應緊密相關(guān)，如果廣東電網(wǎng)全網(wǎng)停電一周會對人們生活和經(jīng)濟造成很大影響，這是現(xiàn)代社會不可承受的，但這樣的大面積停電事故也會在現(xiàn)實中發(fā)生：2005年9 月26 日，因極端臺風影響，全海南電網(wǎng)停電5 d；2008 年1 月13 日，因冰災原因，湖南和貴州全網(wǎng)停電兩周。廣東電網(wǎng)容量大且更復雜，如果發(fā)生全網(wǎng)停電事故，恢復起來絕非易事。

當電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故時，如何盡快恢復電網(wǎng)供電正常就全靠黑啟動服務的機組了。具備黑啟動服務的機組越多電網(wǎng)恢復會越快，當然這也是要付出社會成本的。電網(wǎng)要合理安排好黑啟動機組的分布，黑啟動機組也要具有多樣性。目前水電機組是最好的黑啟動電源，其次是燃氣機組，而煤電機組的容量大，處于電網(wǎng)有利節(jié)點且方便帶動本廠的其他機組恢復帶正常負荷，所以其黑啟動一旦成功會對電網(wǎng)的恢復貢獻更太。因此，有必要探討超臨界機組的黑啟動功能。

3 黑啟動的補償和考核

3.1 黑啟動的補償

黑啟動（含F(xiàn)CB）服務費用分為能力費和使用費。對于符合規(guī)定的黑啟動機組，從試驗合格次月開始按照每月R6（非FCB 機組30 萬元/臺，F(xiàn)CB 機組1 萬元/萬千瓦）的標準補償黑啟動能力費。黑啟動（含F(xiàn)CB）使用費的補償標準為R7（480 萬元/臺次）。

根據(jù)南方電網(wǎng)的黑啟動的補償條款，假設600 MW 的機組，黑啟動服務（具有FCB 功能）每月可補償60 萬元。

3.2 申請黑啟動功能的考核

黑啟動功能考核的條款較多，一般來說申請黑啟動服務的機組必須按預定的時間完成，完成的機組必須驗收報備、申請了但不具備功能且無報備加倍考核，另外必須按照電網(wǎng)的要求定期檢查和試驗。

總體上說，申請了黑啟動的服務就要加強管理，任務一定要按期、按質(zhì)完成。

4 實現(xiàn)FCB 功能對旁路系統(tǒng)的選擇

機組的汽機旁路系統(tǒng)是FCB 功能的基礎。機組要實現(xiàn)FCB功能至少要有70%容量的汽機旁路系統(tǒng)?？紤]到高負荷狀況下的發(fā)生FCB，主汽壓力要有更大的調(diào)節(jié)余度，不會發(fā)生主汽超壓、影響工質(zhì)的平衡。一般建議選100%的高壓旁路和65%的低壓旁路的串級旁路系統(tǒng)。目前，設計為黑啟動功能的超臨界機組，汽機旁路系統(tǒng)一般選用三用閥旁路系統(tǒng)。選用100%的高壓旁路的三用閥旁路系統(tǒng)不但能實現(xiàn)提高啟動特性和實現(xiàn)機組的黑啟動功能，還能起到過熱器安全門作用，取代PVC 安全閥。

5 機組FCB 功能設計時需特別注意選型配置

（1）電氣大聯(lián)鎖設計。原MFT（主燃料跳閘）條件中，電機跳閘直接引發(fā)MFT、跳鍋爐和汽機。為了提高運行的靈活性，可在發(fā)電機配置出口斷路器。在發(fā)電機未投入時（出口斷路器斷開），10 kV/3 kV 廠用電可直接由主變壓器/廠用高壓變壓器500 kV 電網(wǎng)（圖1）。因此，當機組運行中斷BI 時，發(fā)電機通過T2 帶廠用電運行，即FCB 工況。而當斷開B2 時，則由500 kV 線路側(cè)通過BI、TI 向T2 供廠用電。所以，主變壓器出口開關(guān)BI 不參與機爐電大聯(lián)鎖。

圖1 實現(xiàn)FCB 功能的電氣大聯(lián)鎖設計

（2）再熱安全門的配置。以前再熱安全門是二位式，現(xiàn)在可以選調(diào)節(jié)閥的安全門。從外高橋三期的使用情況來看，調(diào)節(jié)式安全不但節(jié)約工質(zhì)，而且使用效果也好于二位式安全門。

（3）汽動給水泵的配置。原機組設計中，一般是兩臺50%的汽泵和一臺50%的電泵備用。當機組發(fā)生FCB 時，汽泵的工作汽源需從抽氣（低壓汽源）切至冷再或輔汽（高壓氣源）。在汽源切換的過程中，汽泵出力會有所波動，鍋爐的壁溫必然會有一個從超溫至低溫的過程，這對水冷壁的管材影響極大。汽動給水泵汽源的切換是FCB 功能能否實現(xiàn)的關(guān)鍵，外高橋三期汽泵采用獨立式一臺100%汽泵很好地解決了這一難題。

（4）除氧器的配置。除氧器水箱是整個汽水循環(huán)的主要的蓄水和緩沖環(huán)節(jié)，它在超臨界機組中起到很大作用。除氧器的容量一般為5 min 的鍋爐蒸發(fā)量，但在機組FCB 時會明顯感覺到容量不足。外高橋三期1000 MW 機組將除氧器容量提高到6 min的鍋爐蒸發(fā)量，效果明顯改善。

（5）高壓缸排汽閥的配置：當機組在FCB 工況時，由于高缸進汽量較小，如果高壓缸排汽通流不足則不能帶走鼓風摩擦產(chǎn)生的熱量，隨著FCB 工況持續(xù)時間的延長，高壓缸排汽溫度會持續(xù)升高。高壓缸排汽閥通流的配置對FCB 的持續(xù)時間起到至關(guān)重要的作用。

6 黑啟動試驗結(jié)果

需要采取科學方法來恢復電網(wǎng)故障，通常方法有低電壓、全電壓以及零起升壓恢復3 種。實際上，無論采用何種電壓恢復方法，都必須解決臨過電壓問題。研究發(fā)現(xiàn)，采用全電壓方式完成對電網(wǎng)安全恢復，在整個充電恢復階段，形成的過電壓將變大（接近相電壓2～3 倍），這雖然一般不會威脅絕緣，但很容易會出現(xiàn)過電壓保護動作，這同樣需要引起注意；而采用零起升壓恢復，則需要考慮操作緩慢的問題，這在許多場景并不適用。因此，采用低電壓修復的整體效果會較好，可以彌補上述兩種情況的不足，既不會造成設備損害，也不會發(fā)生停電等異?，F(xiàn)象（表1）。

表1 升壓試壓結(jié)果數(shù)據(jù)

黑啟動試驗的結(jié)果顯示：隨著勵磁電壓升高，現(xiàn)實中各測點電壓也會穩(wěn)步增長，同時有功、無功等也會呈平穩(wěn)上升趨勢，發(fā)電機未發(fā)生白勵磁，可以滿足機組高質(zhì)量安全運行要求。對于電廠來說，如果配備了黑啟動，就相當于加了一層保護，當電網(wǎng)故障時會自動開啟生產(chǎn)自救的模式，這樣就可以在極短的時間內(nèi)將現(xiàn)有故障機組恢復，保證生產(chǎn)用電安全。

7 結(jié)論

（1）實現(xiàn)了FCB 功能的機組，就要申請黑啟動服務。否則FCB 體現(xiàn)不出價值。

（2）追求FCB 功能，建議汽機旁路系統(tǒng)選100%高壓旁路和65%的低壓旁路；如果不追求FCB 功能，則可以考慮選用35%的高、低壓串級旁路。

（3）根據(jù)國內(nèi)FCB 試驗失敗情況統(tǒng)計，80%的失敗原因是鍋爐給水流量低保護。這跟汽泵的汽源切換有關(guān)。外高橋三期給水泵采用一臺100%的獨立汽泵，解決了這一難題。建議重點調(diào)研外高橋三期成功經(jīng)驗，據(jù)介紹外高橋7#、8#機組為1000 MW 的超超臨界機組，各方面都做的比較好，是我國超超臨界的標桿機組。

（4）FCB 機組申請黑啟動服務最大的不足是FCB 工況的持續(xù)時間能力問題。目前我國還沒有規(guī)定具體時間，國內(nèi)FCB 試驗宣稱成功的案例持續(xù)時間大部分在30 min 內(nèi)，而歐洲國家要求持續(xù)時間達到12 h。

（5）FCB 機組作為黑啟動電源是比較脆弱的。它存在兩個可靠性問題：一是機組能否在電網(wǎng)需要時可靠實現(xiàn)FCB 功能；二是FCB 工況的持續(xù)時間。對于火電機組來說，這兩個問題是客觀存在的。

（6）發(fā)生FCB 時，高壓缸排汽溫度上升是難題：當機組發(fā)生FCB 時，高壓缸進汽小，不足于帶走因鼓風摩擦引起的熱量，引起高壓缸排汽溫度快速上升。雖然汽機保護未引入高壓缸排汽高保護，但高壓缸排汽溫度一旦上升高于500 ℃時，汽機必須打閘。高壓缸排汽溫度對FCB 的持續(xù)時間起到非常關(guān)健的作用。解決這個難題的辦法有兩個：一是機組發(fā)生FCB 時，切換至中壓缸作功，高壓缸排汽溫度的上升會得到減緩。但汽機能否實現(xiàn)中壓缸作功，還需汽輪機廠家確認，如果廠家認為中壓缸作功可行，熱工還需完善控制邏輯；二是設置高排通風閥，增加排汽量，這是在設計汽機時就要考慮的內(nèi)容。