超临界机组如何实现黑启动的探讨

马 腾

（深能集团妈湾电力有限公司，广东深圳 518052）

1 黑启动和FCB 的概念

（1）FCB（Fast Cut Back，快速切回）是指并网机组在高于某一负荷定值运行时，因内部或外部电网故障与电网解列，瞬间甩掉全部对外供电负荷，但未发生锅炉MFT（Master File Table，主燃料跳闸）的情况下，用以维持发电机解列带厂用电或停机不停炉的自动控制功能。

（2）黑启动是指电力系统区域大面积停电后，在无外界电源支持情况下，由具备自启动、自维持或FCB 负荷能力的发电机组所提供的恢复系统供电的服务。

因此，可以将黑启动可理解为，机组具有FCB 功能就具备申请黑启动服务的能力。

2 黑启动的意义

当代社会的正常运转跟电力的供应紧密相关，如果广东电网全网停电一周会对人们生活和经济造成很大影响，这是现代社会不可承受的，但这样的大面积停电事故也会在现实中发生：2005年9 月26 日，因极端台风影响，全海南电网停电5 d；2008 年1 月13 日，因冰灾原因，湖南和贵州全网停电两周。广东电网容量大且更复杂，如果发生全网停电事故，恢复起来绝非易事。

当电网发生大面积停电事故时，如何尽快恢复电网供电正常就全靠黑启动服务的机组了。具备黑启动服务的机组越多电网恢复会越快，当然这也是要付出社会成本的。电网要合理安排好黑启动机组的分布，黑启动机组也要具有多样性。目前水电机组是最好的黑启动电源，其次是燃气机组，而煤电机组的容量大，处于电网有利节点且方便带动本厂的其他机组恢复带正常负荷，所以其黑启动一旦成功会对电网的恢复贡献更太。因此，有必要探讨超临界机组的黑启动功能。

3 黑启动的补偿和考核

3.1 黑启动的补偿

黑启动（含FCB）服务费用分为能力费和使用费。对于符合规定的黑启动机组，从试验合格次月开始按照每月R6（非FCB 机组30 万元/台，FCB 机组1 万元/万千瓦）的标准补偿黑启动能力费。黑启动（含FCB）使用费的补偿标准为R7（480 万元/台次）。

根据南方电网的黑启动的补偿条款，假设600 MW 的机组，黑启动服务（具有FCB 功能）每月可补偿60 万元。

3.2 申请黑启动功能的考核

黑启动功能考核的条款较多，一般来说申请黑启动服务的机组必须按预定的时间完成，完成的机组必须验收报备、申请了但不具备功能且无报备加倍考核，另外必须按照电网的要求定期检查和试验。

总体上说，申请了黑启动的服务就要加强管理，任务一定要按期、按质完成。

4 实现FCB 功能对旁路系统的选择

机组的汽机旁路系统是FCB 功能的基础。机组要实现FCB功能至少要有70%容量的汽机旁路系统。考虑到高负荷状况下的发生FCB，主汽压力要有更大的调节余度，不会发生主汽超压、影响工质的平衡。一般建议选100%的高压旁路和65%的低压旁路的串级旁路系统。目前，设计为黑启动功能的超临界机组，汽机旁路系统一般选用三用阀旁路系统。选用100%的高压旁路的三用阀旁路系统不但能实现提高启动特性和实现机组的黑启动功能，还能起到过热器安全门作用，取代PVC 安全阀。

5 机组FCB 功能设计时需特别注意选型配置

（1）电气大联锁设计。原MFT（主燃料跳闸）条件中，电机跳闸直接引发MFT、跳锅炉和汽机。为了提高运行的灵活性，可在发电机配置出口断路器。在发电机未投入时（出口断路器断开），10 kV/3 kV 厂用电可直接由主变压器/厂用高压变压器500 kV 电网（图1）。因此，当机组运行中断BI 时，发电机通过T2 带厂用电运行，即FCB 工况。而当断开B2 时，则由500 kV 线路侧通过BI、TI 向T2 供厂用电。所以，主变压器出口开关BI 不参与机炉电大联锁。

图1 实现FCB 功能的电气大联锁设计

（2）再热安全门的配置。以前再热安全门是二位式，现在可以选调节阀的安全门。从外高桥三期的使用情况来看，调节式安全不但节约工质，而且使用效果也好于二位式安全门。

（3）汽动给水泵的配置。原机组设计中，一般是两台50%的汽泵和一台50%的电泵备用。当机组发生FCB 时，汽泵的工作汽源需从抽气（低压汽源）切至冷再或辅汽（高压气源）。在汽源切换的过程中，汽泵出力会有所波动，锅炉的壁温必然会有一个从超温至低温的过程，这对水冷壁的管材影响极大。汽动给水泵汽源的切换是FCB 功能能否实现的关键，外高桥三期汽泵采用独立式一台100%汽泵很好地解决了这一难题。

（4）除氧器的配置。除氧器水箱是整个汽水循环的主要的蓄水和缓冲环节，它在超临界机组中起到很大作用。除氧器的容量一般为5 min 的锅炉蒸发量，但在机组FCB 时会明显感觉到容量不足。外高桥三期1000 MW 机组将除氧器容量提高到6 min的锅炉蒸发量，效果明显改善。

（5）高压缸排汽阀的配置：当机组在FCB 工况时，由于高缸进汽量较小，如果高压缸排汽通流不足则不能带走鼓风摩擦产生的热量，随着FCB 工况持续时间的延长，高压缸排汽温度会持续升高。高压缸排汽阀通流的配置对FCB 的持续时间起到至关重要的作用。

6 黑启动试验结果

需要采取科学方法来恢复电网故障，通常方法有低电压、全电压以及零起升压恢复3 种。实际上，无论采用何种电压恢复方法，都必须解决临过电压问题。研究发现，采用全电压方式完成对电网安全恢复，在整个充电恢复阶段，形成的过电压将变大（接近相电压2～3 倍），这虽然一般不会威胁绝缘，但很容易会出现过电压保护动作，这同样需要引起注意；而采用零起升压恢复，则需要考虑操作缓慢的问题，这在许多场景并不适用。因此，采用低电压修复的整体效果会较好，可以弥补上述两种情况的不足，既不会造成设备损害，也不会发生停电等异常现象（表1）。

表1 升压试压结果数据

黑启动试验的结果显示：随着励磁电压升高，现实中各测点电压也会稳步增长，同时有功、无功等也会呈平稳上升趋势，发电机未发生白励磁，可以满足机组高质量安全运行要求。对于电厂来说，如果配备了黑启动，就相当于加了一层保护，当电网故障时会自动开启生产自救的模式，这样就可以在极短的时间内将现有故障机组恢复，保证生产用电安全。

7 结论

（1）实现了FCB 功能的机组，就要申请黑启动服务。否则FCB 体现不出价值。

（2）追求FCB 功能，建议汽机旁路系统选100%高压旁路和65%的低压旁路；如果不追求FCB 功能，则可以考虑选用35%的高、低压串级旁路。

（3）根据国内FCB 试验失败情况统计，80%的失败原因是锅炉给水流量低保护。这跟汽泵的汽源切换有关。外高桥三期给水泵采用一台100%的独立汽泵，解决了这一难题。建议重点调研外高桥三期成功经验，据介绍外高桥7#、8#机组为1000 MW 的超超临界机组，各方面都做的比较好，是我国超超临界的标杆机组。

（4）FCB 机组申请黑启动服务最大的不足是FCB 工况的持续时间能力问题。目前我国还没有规定具体时间，国内FCB 试验宣称成功的案例持续时间大部分在30 min 内，而欧洲国家要求持续时间达到12 h。

（5）FCB 机组作为黑启动电源是比较脆弱的。它存在两个可靠性问题：一是机组能否在电网需要时可靠实现FCB 功能；二是FCB 工况的持续时间。对于火电机组来说，这两个问题是客观存在的。

（6）发生FCB 时，高压缸排汽温度上升是难题：当机组发生FCB 时，高压缸进汽小，不足于带走因鼓风摩擦引起的热量，引起高压缸排汽温度快速上升。虽然汽机保护未引入高压缸排汽高保护，但高压缸排汽温度一旦上升高于500 ℃时，汽机必须打闸。高压缸排汽温度对FCB 的持续时间起到非常关健的作用。解决这个难题的办法有两个：一是机组发生FCB 时，切换至中压缸作功，高压缸排汽温度的上升会得到减缓。但汽机能否实现中压缸作功，还需汽轮机厂家确认，如果厂家认为中压缸作功可行，热工还需完善控制逻辑；二是设置高排通风阀，增加排汽量，这是在设计汽机时就要考虑的内容。