超臨界機組如何實現黑啟動的探討

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）是指并網機組在高于某一負荷定值運行時，因內部或外部電網故障與電網解列，瞬間甩掉全部對外供電負荷，但未發生鍋爐MFT（Master File Table，主燃料跳閘）的情況下，用以維持發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區域大面積停電后，在無外界電源支持情況下，由具備自啟動、自維持或FCB 負荷能力的發電機組所提供的恢復系統供電的服務。

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

當電網發生大面積停電事故時，如何盡快恢復電網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恢復會越快，當然這也是要付出社會成本的。電網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，處于電網有利節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FCB）服務費用分為能力費和使用費。對于符合規定的黑啟動機組，從試驗合格次月開始按照每月R6（非FCB 機組30 萬元/臺，FCB 機組1 萬元/萬千瓦）的標準補償黑啟動能力費。黑啟動（含FCB）使用費的補償標準為R7（480 萬元/臺次）。

根據南方電網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、按質完成。

4 實現FCB 功能對旁路系統的選擇

機組的汽機旁路系統是FCB 功能的基礎。機組要實現FCB功能至少要有70%容量的汽機旁路系統。考慮到高負荷狀況下的發生FCB，主汽壓力要有更大的調節余度，不會發生主汽超壓、影響工質的平衡。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。目前，設計為黑啟動功能的超臨界機組，汽機旁路系統一般選用三用閥旁路系統。選用100%的高壓旁路的三用閥旁路系統不但能實現提高啟動特性和實現機組的黑啟動功能，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）電氣大聯鎖設計。原MFT（主燃料跳閘）條件中，電機跳閘直接引發MFT、跳鍋爐和汽機。為了提高運行的靈活性，可在發電機配置出口斷路器。在發電機未投入時（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（圖1）。因此，當機組運行中斷BI 時，發電機通過T2 帶廠用電運行，即FCB 工況。而當斷開B2 時，則由500 kV 線路側通過BI、TI 向T2 供廠用電。所以，主變壓器出口開關BI 不參與機爐電大聯鎖。

圖1 實現FCB 功能的電氣大聯鎖設計

（2）再熱安全門的配置。以前再熱安全門是二位式，現在可以選調節閥的安全門。從外高橋三期的使用情況來看，調節式安全不但節約工質，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 功能能否實現的關鍵，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的主要的蓄水和緩沖環節，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生的熱量，隨著FCB 工況持續時間的延長，高壓缸排汽溫度會持續升高。高壓缸排汽閥通流的配置對FCB 的持續時間起到至關重要的作用。

6 黑啟動試驗結果

需要采取科學方法來恢復電網故障，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。研究發現，采用全電壓方式完成對電網安全恢復，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，也不會發生停電等異常現象（表1）。

表1 升壓試壓結果數據

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

7 結論

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

（2）追求FCB 功能，建議汽機旁路系統選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）根據國內FCB 試驗失敗情況統計，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。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。建議重點調研外高橋三期成功經驗，據介紹外高橋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 工況的持續時間能力問題。目前我國還沒有規定具體時間，國內FCB 試驗宣稱成功的案例持續時間大部分在30 min 內，而歐洲國家要求持續時間達到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需要時可靠實現FCB 功能；二是FCB 工況的持續時間。對于火電機組來說，這兩個問題是客觀存在的。

（6）發生FCB 時，高壓缸排汽溫度上升是難題：當機組發生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 的持續時間起到非常關健的作用。解決這個難題的辦法有兩個：一是機組發生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容。