火電機組快速甩負荷功能的應用和實現

門 冉，高小濤，盛昌棟

(1.東南大學能源與環境學院，江蘇南京210096；2.江蘇省電力科學研究院，江蘇南京211103)

近年來發生的多起大停電事故表明，無論發展中國家還是發達國家，都存在發生大面積停電的可能性。為了能夠在事故后快速恢復供電，減少損失，電網必須制定黑啟動預案。黑啟動電源對于黑啟動和電網恢復至關重要，因而需要合理選擇黑啟動電源；在實際電網黑啟動系統重構階段，機組快速并網供電，對于縮短電網恢復時間和減少損失起重要作用[1]。因此，在黑啟動預案中需要考慮和利用電網內機組的能力。

火電機組快速甩負荷（FCB）功能是指當機組發生某些嚴重故障時，可以快速地甩負荷到帶本機組廠用電運行，且在甩負荷過程中運行參數變化在安全范圍內，不損壞設備，而當故障排除后可快速并網和升負荷。因此，具備FCB功能火電機組可作為黑啟動電源，或在電網停電時保持帶廠用電運行、電網恢復過程中快速并網供電，在電網黑啟動和恢復過程中發揮重要作用[2]。在我國，火電機組是各大電網主要供電機組，在制定電網黑啟動預案時應充分考慮火電機組可能發揮的作用。針對火電機組FCB功能在電網黑啟動過程中的應用和實現，主要就國內外火電機組FCB功能的應用現狀、國內試驗研究現狀和影響火電機組FCB功能實現的主要因素進行了綜述和分析。

1 國內外火電機組FCB功能的應用現狀

歐美等發達國家經歷過多次大面積停電事故，對電網黑啟動過程的研究和火電機組的應用極為重視，機組向電網提供黑啟動服務的體系成熟，對電網內機組FCB功能的要求也很明確。如瑞典國家電網規定，50MW以上的機組都必須能夠實現FCB功能，并具備12 h的帶廠用電運行能力[3]；意大利電網公司要求單機容量大于320MW的火電機組應具備實現甩負荷帶廠用電運行的能力[4，5]；日本1981年之后投產的火電機組都要求具有FCB功能[6]。另外，歐洲和日本出口的一些火電機組也具有實現FCB功能的能力[2，7]。

一些電網容量小且易發生大面積停電事故的發展中國家，對火電機組FCB功能的應用同樣十分重視，也有明確要求。如馬來西亞國家電網規程要求，機組在完全脫離電網的條件下應具備2 h帶廠用電運行的能力，且保證在帶廠用電運行期間可隨時并網，并按正常運行方式向電網供電[8]；印度中央電力管理局2010年發布的發電廠和輸電線路建設導則中，要求電網內機組必須具有甩負荷帶廠用電的能力[9]。另外，進口我國火電機組的一些國家如印度、印尼、越南、伊朗和巴基斯坦等，也都要求機組具有實現FCB功能的能力，在機組合同交付時必須進行FCB功能驗收。

為提高電網供電安全性，我國電監會在2006年發布了《并網發電廠輔助服務管理暫行辦法》，將黑啟動服務作為保障電力系統安全運行和保證供電質量的重要輔助服務，可提供黑啟動服務的機組就包括火電機組。盡管如此，目前各區域電網調度部門下發的并網發電廠輔助服務管理辦法中，對火電機組提供黑啟動服務的補償和考核標準不盡合理；大多數區域電網對火電機組在黑啟動中的作用不夠重視，缺少將FCB火電機組作為黑啟動電源以及充分利用機組FCB功能的黑啟動預案。另一方面，我國還沒有關于火電機組FCB功能的強制性技術標準，機組實現FCB功能的能力參差不齊。部分進口機組設計有FCB功能，在機組合同交付時進行了FCB驗收，在實際運行中有良好的表現[2，7]；部分機組在設計時考慮到機組的FCB功能，有實現FCB功能的潛力；大多數機組設計時未考慮實現FCB功能的需要。這就導致在政策和規范層面上對火電機組在電網黑啟動的應用推動不足，發電企業對建設機組FCB能力的積極性不高，也不夠重視。因此，亟需建立相應的市場服務和機組技術規范，推動火電機組FCB功能的建設和應用。

2 國內火電機組FCB功能的研究現狀

近年來國內外發生多起大停電事故，引起我國對電網供電安全性的高度重視，相應地火電機組FCB功能在電網黑啟動中的應用也得到關注，并開展試驗研究。我國從1982年起就有相關機組的FCB試驗研究，例如寶鋼電廠350MW亞臨界機組FCB試驗[11]，研究對象涵蓋大部分典型機組，包括超高壓機組、亞臨界機組、超臨界機組和超超臨界機組等[2，10-14]。

這些試驗為火電機組FCB功能運行和在黑啟動過程中的可能應用積累了經驗。但是，從黑啟動應用需要來看，已有的試驗研究還存在不足之處：大部分機組的FCB試驗持續時間在5～20m in，對機組長時間帶廠用電運行的研究不足；試驗研究多停留在機組故障時實現“停機不停爐”以及輸電線路故障時帶廠用電運行的水平上；大多數局限于機組試驗，而對機組作為電網黑啟動電源以及針對性地利用機組FCB功能的黑啟動預案的試驗研究極少，已知只有將具有FCB功能的外高橋三廠1000MW超超臨界機組作為黑啟動電源，對上海500 kV線路送電黑啟動試驗[15]。因此，為進一步提高電網供電和機組運行安全性，仍需要進一步加強對機組FCB功能應用的研究，特別是機組作為黑啟動電源和在電網恢復過程中作用的研究。

3 影響火電機組實現FCB功能的因素

火電機組FCB功能的實現是一個復雜過程，對機組系統配置、設備性能和控制以及運行水平等均有較高要求，因此有許多因素影響機組FCB功能的實現。

3.1 主機連鎖配置

單向主機連鎖配置是機組實現FCB功能的前提。完整的單向主機連鎖是：主變壓器出口開關跳閘時，連鎖汽輪發電機組快速甩負荷，實現帶廠用電運行，鍋爐通過旁路系統維持運行，不停機也不停爐；發電機出口開關跳閘時，連鎖汽輪發電機組甩負荷到0，轉速控制在3000 r/min，鍋爐通過旁路系統維持運行，實現汽輪機、鍋爐不停，發電機滅磁；汽輪機跳閘時，連鎖發電機和主變壓器出線開關跳閘，鍋爐通過旁路系統維持運行，實現停機不停爐；鍋爐跳閘時，連鎖汽輪發電機組及主變壓器出線開關跳閘，主機全停。

我國現役火電機組中，部分引進歐洲技術建成的機組采用單向連鎖控制方式，有利于機組實現FCB功能；而大多數機組采用橫向大連鎖，即鍋爐、汽輪機和發電機任一主機發出跳閘信號就會連鎖主機全停，這顯然不利于FCB功能的實現[2，14]。因此，為實現FCB功能，在設備允許的條件下，設計時應優先考慮采用單向主機連鎖方式，已投產機組也可以對主機連鎖進行改造。

3.2 機組旁路配置

旁路在機組實現FCB過程中起旁通蒸汽、緩解鍋爐壓力飛升和維持機組工質循環的作用，旁路系統配置對機組FCB功能的實現有重要影響。

我國火電機組采用的旁路配置形式主要有：容量為100%鍋爐最大連續蒸發量（BMCR）的高壓旁路加65%～80%BMCR的低壓旁路的大旁路系統；容量為25%～50%BMCR的高、低壓小旁路系統。現役機組中，少部分采用大旁路系統，大部分采用小旁路系統。采用2種旁路系統配置的機組均有實現FCB功能的實例，但實現FCB功能的特點和能力不同[2，7]。

大旁路系統機組實現FCB功能的特點是：機組FCB動作后，旁路快速開啟，鍋爐壓力飛升能夠得到有效控制，超壓可能性低；在FCB實現過程中能夠回收大部分工質，汽水循環中斷和再熱器金屬管壁超溫可能性小；在旁路配合下，燃燒較易控制，燃燒惡化觸發鍋爐主燃料跳閘（MFT）可能性低；機組帶廠用電運行時，可以根據實際情況保持較高的燃燒負荷，運行可靠性高。相關機組的FCB試驗表明，這種配置相對較易于實現FCB功能[2]。

小旁路系統機組實現FCB功能的特點是：高負荷條件下FCB動作后，旁路可能不足以緩解鍋爐壓力飛升，超壓可能性大；大量蒸汽需要通過PCV閥或再熱器安全門排出，循環工質流量下降快，存在再熱器金屬超溫和觸發鍋爐MFT的可能；FCB動作后需要快速降低鍋爐燃燒負荷，燃燒控制難度大；帶廠用電運行時，燃燒負荷接近鍋爐最低穩燃負荷，運行可靠性低。雖然機組采用小容量旁路系統的投資較少，但實現FCB功能的難度較大[7]。從FCB功能的實現及應用出發，在機組設計時應考慮采用大容量旁路系統，而采用小旁落系統的機組則需要加強FCB功能的建設。

3.3 給水系統配置

給水系統配置對機組FCB功能實現有決定性作用。國內現役火電機組給水系統的典型配置是：設置2臺50%容量的汽動給水泵和1臺25%～50%容量的電動給水泵。機組FCB實現過程中，根據給水系統配置，給水流量的控制方式有：只通過汽動給水泵調整給水流量；電動給水泵配合汽動給水泵來調整給水流量。國內多數機組汽動給水泵的動力汽源有二：即取自機組冷段再熱蒸汽的高壓汽源和取自汽輪機抽汽或輔助蒸汽系統的低壓汽源。機組正常運行時，汽動給水泵的動力汽源取自汽輪機抽汽，而FCB動作后汽源要迅速切換為高壓蒸汽或者輔助蒸汽。為確保機組FCB功能的實現，FCB動作后給水系統配置應能實現給水泵汽源的快速切換，并滿足汽源切換過程中給水流量變化不觸發鍋爐MFT動作；采用電動給水泵參與給水流量調節時，FCB動作后的廠用電系統應能夠承受啟動電動給水泵的沖擊。

3.4 輔助系統的設備性能

機組FCB功能的實現需要各輔助系統的協調配合，在FCB功能實現過程中，重要輔助系統設備故障會影響機組FCB的實現，包括鍋爐燃油系統、壓縮空氣系統、軸封系統、加熱器系統和風煙系統等[16]。以鍋爐燃油系統為例，機組快速減負荷過程中需要投油助燃穩定燃燒，燃油系統設備故障導致助燃油槍在鍋爐燃燒時不能及時投入運行會導致鍋爐滅火，機組FCB失敗。因此，機組輔助系統設備性能應能夠滿足實現FCB功能的需要：設備可靠性高；能夠適應負荷快速變化；輔助系統設備的控制系統可靠性高，備用設備自動切換功能能夠正常實現；能夠滿足帶廠用電運行工況的要求。

3.5 水位控制

FCB動作后，汽輪機主汽門快關、旁路閥快開和安全門動作會導致循環工質流量和壓力大幅度波動，進而引起凝汽器水位、除氧器水位以及循環鍋爐汽包水位的變化，這將會影響機組FCB功能的實現。

在FCB實現過程中，凝汽器、除氧器以及循環鍋爐汽包的水位變化超出機組保護設定值時會導致鍋爐跳閘而FCB失敗。因此，在實現機組FCB功能過程中，應加強監視凝汽器水位，控制凝汽器水位在安全范圍內；加強除氧器水位的控制，FCB動作后應快速切換除氧器加熱汽源，及時調整凝結水流量，控制除氧器水位在安全范圍內；汽包水位控制方式應當保持在三沖程控制或者及時切換為手動控制，確保FCB實現過程中汽包水位在正常值范圍內[17]。

3.6 鍋爐燃燒控制

在機組FCB動作后的控制中，鍋爐燃燒控制難度最大。燃燒控制不當觸發鍋爐MFT動作是導致機組FCB失敗的一個重要原因。

FCB動作后，汽輪發電機組甩負荷，主汽門關閉，為抑止鍋爐壓力飛升，需要迅速降低燃燒負荷。在額定負荷下實現FCB功能，鍋爐燃燒負荷降低的速度和幅度最大，燃燒控制的難度也最大。因此，為確保FCB功能的成功實現，應加強鍋爐燃燒控制，避免燃燒負荷下降過程中鍋爐內燃燒波動過大。機組FCB動作后，應逐臺減少磨煤機給煤量，并按照一定時間間隔，從上到下停止磨煤機的運行；風煙系統的調整與燃燒調整配合得當，避免燃燒負荷調整過程中爐膛壓力波動過大；對于配置大旁路系統的機組，可以在機組旁路配合下逐步降低鍋爐燃燒負荷。

3.7 運行操作經驗

FCB功能的成功實現除需要各主、輔系統共同參與，也需要在運行人員操作下調整重要的運行參數。這要求在FCB動作后，運行人員能夠快速且準確地對機組運行狀態做出判斷，并及時進行相應的操作。然而，在實際運行中，導致機組FCB動作的事故大多是突發性的，FCB動作后留給運行操作人員判斷和操作的時間往往很短。當運行人員因判斷失誤而誤操作，或者反應遲緩而操作延遲時，會導致機組FCB失敗。因此，對于擁有仿真培訓系統的電廠，應當充分利用自身條件，通過仿真培訓來增強運行人員在FCB實現過程中的操作經驗，提高機組實現FCB的能力。

綜上所述，影響機組FCB功能成功實現的因素多而復雜，需要在機組設計、運行和設備改造維護等環節加強建設，包括在機組設計時考慮實現FCB功能的要求，對已投運機組根據機組實際情況進行設備改造、系統優化和控制優化，并采取措施提高運行控制水平等，以保證機組實現FCB功能的能力。從電網黑啟動和快速恢復的要求來看，具有FCB功能的火電機組具有作為黑啟動電源的潛力，更重要的是，當電網停電時如果有相當數量的火電機組處于帶廠用電運行的狀態，則可隨時恢復上網供電而不是等待被啟動，這無疑對電網快速恢復十分有利。

4 結束語

火電機組FCB功能的實現和應用有利于電網大面積停電后的黑啟動、快速恢復供電和減少停電帶來的損失。近年來我國對電網供電安全性極為重視，但在火電機組FCB功能應用的重視程度和相關服務管理方面與國外仍有較大差距，需要在相關管理服務政策和技術規范方面加強建設。影響機組FCB功能實現及應用于電網黑啟動過程的因素多，涉及系統配置、設備性能和控制以及運行等諸多方面。雖然我國對火電機組FCB功能的試驗研究較多，但針對其應用于電網黑啟動和恢復供電方面的研究還很少，而且具有較強FCB能力的機組并不多，因此有必要進一步加強對火電機組FCB功能的系統研究和建設，為電網安全性建設提供足夠的技術支持。

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