2008年1月，我國南方遭遇了五十年一遇的持續(xù)性雪災(zāi)，導(dǎo)致較大范圍電網(wǎng)嚴(yán)重?fù)p毀，許多地區(qū)出現(xiàn)了較長時(shí)間的大面積停電，給社會和人民生活造成了很大影響。2008年2月26日，美國佛羅里達(dá)州因一個(gè)變電站發(fā)生火情而造成電網(wǎng)內(nèi)核電廠和火電廠相繼跳閘，導(dǎo)致大面積停電達(dá)4h,300多萬人口受到影響。這些大面積停電的案例，不斷加深著人們對電網(wǎng)安全重要性的認(rèn)識。
近年來，世界各國都加強(qiáng)了對電力系統(tǒng)可靠性的關(guān)注，加緊制定應(yīng)對大停電的各種措施。除加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)外，發(fā)電廠的機(jī)組快速甩負(fù)荷(FCB)功能建設(shè)已引起了越來越高的關(guān)注。事實(shí)上，電網(wǎng)內(nèi)若有部分機(jī)組在電網(wǎng)故障時(shí)能快速減負(fù)荷并自動(dòng)轉(zhuǎn)為只帶廠用電作"孤島運(yùn)行"(FCB)，就能使其成為電網(wǎng)的"星星之火"而迅速"激活"網(wǎng)內(nèi)其他機(jī)組并恢復(fù)對重要用戶的供電，這對提高電網(wǎng)的安全性有著極大的作用。
外高橋三期工程(2×l000MW超超臨界機(jī)組)在設(shè)計(jì)時(shí)就按能實(shí)現(xiàn)FCB考慮。根據(jù)二期工程900MW機(jī)組成功實(shí)現(xiàn)FCB功能的經(jīng)驗(yàn)及系統(tǒng)配置存在的不足，對三期工程的相關(guān)系統(tǒng)和配置進(jìn)行了全面優(yōu)化，2臺機(jī)組在完成全部調(diào)試項(xiàng)目將轉(zhuǎn)入168h試運(yùn)前，先后進(jìn)行了75%和100%全真運(yùn)行工況的FCB試驗(yàn)，均獲得了圓滿成功。
一、機(jī)組主要設(shè)備和系統(tǒng)配置
鍋爐為1000MW超超臨界一次再熱、燃煤、四角切圓燃燒、直流塔式、螺旋水冷壁變壓運(yùn)行鍋爐。蒸發(fā)量:2955t/h，主蒸汽溫度/壓力：605℃/28MPa，再熱蒸汽溫度/壓力:603℃/6.4MPa。制粉系統(tǒng)配置6×20%中速碗型液壓加載磨煤機(jī)，正常運(yùn)行為1臺備用。
汽輪機(jī)采用四缸四排汽、單軸反動(dòng)凝汽式雙背壓汽輪機(jī)。額定功率1000MW，最大功率1060MW(2955t/h)。所配發(fā)電機(jī)為水氫氫冷、同軸勵(lì)磁型，額定功率1000MW，功率因數(shù)0.9，配置出口斷路器(GCB)。主變壓器采用單相3×380MVA變壓器，27kV/525kV。
旁路系統(tǒng)配置了100%RMCR高壓旁路，該旁路兼作鍋爐高壓安全門。低壓旁路容量為65%BMCR.另配100%BMCR再熱安全門。
給水系統(tǒng)配置l×l00%RMCR汽動(dòng)給水泵，帶獨(dú)立凝汽器，不配電動(dòng)給水泵。
二、FCB相關(guān)系統(tǒng)的配置和設(shè)計(jì)優(yōu)化
外高橋電廠三期工程FCB功能的成功實(shí)現(xiàn)，首先得益于外高橋電廠二期工程的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)的第2臺900MW超臨界機(jī)組，在對控制系統(tǒng)(包括DCS、 DEH及旁路控制系統(tǒng))進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)后，已于2004年9月成功進(jìn)行了全真運(yùn)行工況的FCB試驗(yàn)。通過試驗(yàn)，也對系統(tǒng)的配置和設(shè)計(jì)中尚存在的不足有了更深入的了解和體會。在三期工程設(shè)計(jì)階段，針對這些不足進(jìn)行了一系列的改進(jìn)和優(yōu)化。
2.1 機(jī)組大連鎖原則
為提高機(jī)組運(yùn)行的靈活性，與二期無GCB不同，三期的2臺發(fā)電機(jī)均配置了GCB，但不設(shè)高壓備用變壓器。在發(fā)電機(jī)未投入時(shí)(GCB斷開)，l0kV/3kV廠用電可直接通過主變壓器/廠用高壓變壓器取自500kV電網(wǎng)(見圖1)。因此，三期的運(yùn)行和連鎖方式與二期有所不同，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行中斷開Bl時(shí)，發(fā)電機(jī)通過T2帶廠用電運(yùn)行，即FCB工況。而當(dāng)斷開B2時(shí)，則由500kV線路側(cè)通過Bl、Tl向T2供廠用電，因此，主變壓器出口開關(guān)Bl不參與機(jī)、電、爐連鎖跳閘。
總的機(jī)、電、爐連鎖原則如下:(1)主變壓器出口開關(guān)B1跳閘，汽輪發(fā)電機(jī)快速減負(fù)荷至帶廠用電作孤島運(yùn)行(FCB)，鍋爐通過旁路系統(tǒng)維持運(yùn)行;(2)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)B2跳閘，汽輪發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷并維持3000r/min運(yùn)行，鍋爐通過旁路系統(tǒng)維持運(yùn)行;(3)汽輪機(jī)跳閘，連跳B2，鍋爐通過旁路系統(tǒng)維持運(yùn)行;(4)鍋爐跳閘，連跳汽輪發(fā)電機(jī)及B2。
2.2 旁路系統(tǒng)
高壓旁路仍為100%BMCR配置，帶安全門功能。但低壓旁路則由二期的50%提高為65%配置，從而能增加甩負(fù)荷及FCB工況下的工質(zhì)回收率。同時(shí)，低壓旁路容量的提高，還能降低機(jī)組啟動(dòng)過程中的再熱蒸汽壓力，有利于汽輪機(jī)的啟動(dòng)。在FCB工況下，進(jìn)入冷再熱管的蒸汽量包含高壓旁路的減溫噴水，其量約為主蒸汽的16%。但此時(shí)汽動(dòng)給水泵及除氧器等都直接或間接地取用冷再熱蒸汽，該量并不少于高壓旁路噴水量，故低壓旁路容量仍以鍋爐的BMCR為基數(shù)考慮。
與二期不同，三期的旁路不設(shè)單獨(dú)的旁路控制系統(tǒng)，除就地配置的安全門控制回路外，其他所有控制和調(diào)節(jié)全部交由機(jī)組的DCS負(fù)責(zé)，旁路供貨廠商則提供旁路的控制策略、算法和相關(guān)參數(shù)等，并配合調(diào)試。
2.3 再熱安全門
鑒于低壓旁路在凝汽器壓力高等特殊情況下會被閉鎖，再熱安全門容量必須按照100%BMCR容量配置，以提供事故工況下的蒸汽通道，外高橋二期采用的是二位式再熱安全閥，由于其動(dòng)作后只能全開，導(dǎo)致大部分蒸汽被排至大氣，加劇了工質(zhì)的不平衡。三期則選用了調(diào)節(jié)式安全閥，在高負(fù)荷情況下發(fā)生FCB時(shí)，按不超壓的原則控制，當(dāng)其開啟時(shí)只排放多余的蒸汽，這對減少FCB工況下的工質(zhì)損失極為有利，實(shí)際應(yīng)用效果也確實(shí)很好。
2.4 汽動(dòng)給水泵
與二期2×50%汽動(dòng)給水泵+40%電動(dòng)給水泵的配置不同，三期采用l×l00%汽動(dòng)給水泵，自帶凝汽器，可單獨(dú)啟動(dòng)，不設(shè)電動(dòng)泵，極大地簡化了系統(tǒng)，運(yùn)行靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性大大提高。2臺機(jī)組投產(chǎn)至今，從未發(fā)生過一起因汽動(dòng)給水泵故障造成的機(jī)組停運(yùn)。
外高橋二期給水泵汽輪機(jī)的汽源采用外切換，在汽源切換過程中必須先切斷主汽輪機(jī)抽汽，再打開再熱蒸汽閥以確保主機(jī)安全，切換時(shí)間較長，必然導(dǎo)致小汽輪機(jī)短時(shí)間缺汽，使給水泵轉(zhuǎn)速下降并造成鍋爐短暫缺水，而此時(shí)又恰逢高壓旁路打開，給水泵出口又增加了旁路噴水，更加劇了鍋爐缺水，造成水冷壁出口溫度迅速竄升。當(dāng)汽源切換成功，給水流量恢復(fù)后，水冷壁出口溫度則會轉(zhuǎn)而驟降。在此過程中，水冷壁出口段及一級過熱器等將承受一次劇烈的短時(shí)過熱及回冷的沖擊，這對超臨界及超超臨界機(jī)組，容易導(dǎo)致爐管的表面氧化皮脫落，增加了過熱器堵管及汽輪機(jī)固體顆粒沖蝕等的風(fēng)險(xiǎn)。
外高橋三期工程采用了具有特殊內(nèi)切換功能的專用小汽輪機(jī)。再熱蒸汽和主汽輪機(jī)第5級抽汽分別經(jīng)不同的調(diào)門引至與之參數(shù)相適配的調(diào)節(jié)級噴嘴組，兩者可分別單獨(dú)運(yùn)行至滿負(fù)荷，也可同時(shí)運(yùn)行，汽源切換迅速。當(dāng)FCB或停機(jī)等工況出現(xiàn)，抽汽迅速減少或消失時(shí)，再熱蒸汽調(diào)門會自動(dòng)開大并維持給水泵運(yùn)行，切換擾動(dòng)量很小，極大地改善了機(jī)組在這種工況下的安全性。在機(jī)組調(diào)試期間，歷次停機(jī)不停爐，甩負(fù)荷試驗(yàn)及FCB試驗(yàn)中，汽動(dòng)給水泵的轉(zhuǎn)速和壓力控制都很平穩(wěn)，完全覺察不到汽源的切換過程。
2.5 除氧器
二期的除氧器為常規(guī)的淋水盤有頭式，運(yùn)行中常發(fā)生淋水盤被沖壞的情況。三期則選用了引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的內(nèi)置式一體化無頭除氧器，至今運(yùn)行良好。
除氧器水箱是整個(gè)汽水循環(huán)中主要的蓄水和緩沖環(huán)節(jié)，它對超(超)臨界鍋爐尤為重要。二期的除氧水箱容量為5min的鍋爐蒸發(fā)量，從調(diào)試階段的停機(jī)不停爐和FCB試驗(yàn)情況看，其容量明顯不足。三期工程經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，將其容量調(diào)高至6min的鍋爐蒸發(fā)量。
三、控制系統(tǒng)及調(diào)試
3.1 FCB時(shí)的特殊控制方式
旁路控制系統(tǒng)通常以跟蹤溢流方式運(yùn)行，但在FCB或甩負(fù)荷時(shí)接受了鍋爐的絕大部分蒸汽，需立即轉(zhuǎn)入按燃燒率計(jì)算的對應(yīng)壓力進(jìn)行控制。
鑒于低壓旁路通流量有限，在高負(fù)荷時(shí)發(fā)生FCB后，若不及時(shí)將鍋爐蒸發(fā)量降至低壓旁路通流量以下，必然導(dǎo)致大量蒸汽經(jīng)再熱安全門排向大氣，從而使機(jī)組的運(yùn)行無法持續(xù)。因此，當(dāng)發(fā)生FCB時(shí)，機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)須按Runback程序進(jìn)行控制，目標(biāo)負(fù)荷應(yīng)為低壓旁路容量以下。由此可知，在進(jìn)行甩負(fù)荷及FCB試驗(yàn)前，應(yīng)先完成Runback試驗(yàn)。
FCB發(fā)生后，所有主汽輪機(jī)抽汽都基本消失，為減少鍋爐進(jìn)水溫度的大幅波動(dòng)，從而有利于FCB后鍋爐汽溫及負(fù)荷的控制，改善Runback后鍋爐的水動(dòng)力工況，同時(shí)也盡可能增加冷再熱蒸汽的用戶，回收熱量及工質(zhì)，故汽源為冷再熱蒸汽的7號高壓加熱器仍應(yīng)維持運(yùn)行。由于6號高壓加熱器已退出，逐級疏水不再可用，須迅速切換7號高壓加熱器疏水為越級疏水至除氧器。
FCB后，1-4號低壓加熱器退出運(yùn)行，使進(jìn)入除氧器的水溫大幅下降，除氧器加熱用汽量急劇增加，而其工作汽源(第5級抽汽)已消失，故需立即將汽源切換至直接取用冷再熱蒸汽。此時(shí)除氧器壓力控制轉(zhuǎn)為"壓力下降速率限制"模式，防止7號高壓加熱器進(jìn)水溫度劇變，危及其運(yùn)行安全，同時(shí)也確保給水泵前置泵入口的汽蝕余量，防止發(fā)生汽蝕。
3.2 控制系統(tǒng)調(diào)試
FCB發(fā)生后，鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及熱力系統(tǒng)和各種輔機(jī)等的運(yùn)行工況都將發(fā)生很大變化，整個(gè)機(jī)組的過渡過程只能依托控制系統(tǒng)，自動(dòng)地按既定程序和規(guī)則進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，人工操作是不可想象的。從某種意義上，全真工況的FCB試驗(yàn)，是對機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)性能最嚴(yán)峻的綜合檢驗(yàn)。因此，在新機(jī)組調(diào)試過程中，必須對每個(gè)子系統(tǒng)都進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)的調(diào)試和試驗(yàn)，使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能完全滿足技術(shù)要求，最終能讓整臺機(jī)組進(jìn)入真正意義上的全自動(dòng)方式運(yùn)行，并能適應(yīng)各種特殊工況的擾動(dòng)。另外，為確保機(jī)組在試驗(yàn)中萬無一失，所有保護(hù)必須經(jīng)過校驗(yàn)并投入運(yùn)行。
另外，F(xiàn)CB與甩負(fù)荷試驗(yàn)不同，后者僅僅用于考核汽輪機(jī)在發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷情況下是否能夠控制轉(zhuǎn)速。FCB試驗(yàn)的目的是為考核在遇到電網(wǎng)突發(fā)事故的情況下，機(jī)組能否快速減負(fù)荷并安全轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行，而這種突發(fā)事故通常不會有任何先兆。因此，F(xiàn)CB試驗(yàn)時(shí)機(jī)組應(yīng)處于完全真實(shí)的運(yùn)行工況，而試驗(yàn)前如對機(jī)組運(yùn)行工況或控制系統(tǒng)采取了任何臨時(shí)性干預(yù)措施，則試驗(yàn)都應(yīng)被視作無效。
四、FCB試驗(yàn)
按三期的設(shè)計(jì)，汽輪發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，鍋爐通過旁路系統(tǒng)維持運(yùn)行，從熱力系統(tǒng)角度，其工況變化與FCB時(shí)最相似，甚至更極端。兩者不同之處在于廠用電的供電方式，甩負(fù)荷時(shí)廠用電由電網(wǎng)倒送，相對較安全，因此在進(jìn)行FCR試驗(yàn)前，應(yīng)先完成全真運(yùn)行工況的甩負(fù)荷試驗(yàn)，在按常規(guī)測取汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子飛升轉(zhuǎn)速的同時(shí)，考核整個(gè)熱力系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)在此工況下的應(yīng)變能力。
2008年3月15、16日，外高橋三期工程第1臺機(jī)組先后進(jìn)行了75%和100%的甩負(fù)荷試驗(yàn)。試驗(yàn)采用全真運(yùn)行工況，試驗(yàn)前不做任何預(yù)防性措施和操作，唯一做的就是拉開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，這2次試驗(yàn)都獲得了成功。通過試驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了控制系統(tǒng)內(nèi)尚存的個(gè)別不足，經(jīng)修改邏輯后于17日晚21:40進(jìn)行了全真運(yùn)行工況75%負(fù)荷的FCR試驗(yàn)。這次試驗(yàn)非常成功，所有運(yùn)行參數(shù)都很平穩(wěn)，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在主變壓器出口開關(guān)拉閘的2s后轉(zhuǎn)速達(dá)到3118.4r/min，l7s后降至2952.6r/min,約40s后轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定(見圖2)。由于再熱安全門沒有開啟，工質(zhì)平衡不存在問題。在這次試驗(yàn)中，按計(jì)劃還要做500kV線路開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的假并列試驗(yàn)，故孤島狀態(tài)運(yùn)行了約lh，于22:39:07再次并網(wǎng)。這次試驗(yàn)還說明，機(jī)組完全可在孤島狀態(tài)下安全運(yùn)行較長時(shí)間。
在成功進(jìn)行了75%負(fù)荷FCB試驗(yàn)的次日，3月18日晚23：59：41進(jìn)行了全真運(yùn)行工況的100%負(fù)荷FCB試驗(yàn)，這次試驗(yàn)再次取得了圓滿成功。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速3162.4r/min，最低轉(zhuǎn)速2950.8r/min，F(xiàn)CB發(fā)生后約45s轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定（見圖3），僅過了不到7min，于00：06：20機(jī)組再次并網(wǎng)。這次試驗(yàn)，一方面顯示了機(jī)組滿負(fù)荷FCB的能力；另一方面反映了機(jī)組在FCB后恢復(fù)向外送電的快速性。
得益于三期工程在一開始就對系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備配置進(jìn)行了一系列針對性的改進(jìn)和優(yōu)化，這次100%負(fù)荷FCB的過渡過程遠(yuǎn)比二期900MW機(jī)組的FCB平穩(wěn)。汽動(dòng)給水泵汽源的迅速切換，使鍋爐的水動(dòng)力極其穩(wěn)定，完全沒有出現(xiàn)二期900MW機(jī)組在FCB后給水泵汽源切換過程中出現(xiàn)的相關(guān)溫度大幅波動(dòng)——水冷壁出口溫度快速竄升至接近保護(hù)動(dòng)作值，而后再快速回落。省煤器和水冷壁出口溫度絲毫沒有竄升的情況(見圖4)，徹底消除了汽動(dòng)給水泵汽源切換對鍋爐受熱面的熱沖擊，機(jī)組的其他各種熱力參數(shù)均控制在安全范圍內(nèi)。尤其是過渡過程中工質(zhì)平衡良好，完全沒有出現(xiàn)二期900MW機(jī)組FCB后因再熱蒸汽從安全門大量排空導(dǎo)致除氧器和凝汽器水位大幅下降的情況(見圖5)。
根據(jù)記錄，再熱安全門在FCB發(fā)生后的13s快速開啟，經(jīng)28s后開始逐漸調(diào)節(jié)關(guān)小，再經(jīng)48s后完全關(guān)閉。從圖5中可看出，因包括逐步關(guān)閉過程在內(nèi)的總開啟時(shí)間短，工質(zhì)損失少，所以對凝汽器水位造成的影響很小，從而驗(yàn)證了三期工程就改善FCB過程工質(zhì)平衡的一系列措施非常有效。
五、結(jié)語
繼2008年3月17、18日外高橋三期第1臺1000MW超超臨界機(jī)組全真運(yùn)行工況的75%和100%"負(fù)荷FCB試驗(yàn)圓滿成功后，5月21日21:53:56,第2臺1000MW超超臨界機(jī)組調(diào)試工作再次以圓滿實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷的FCB而結(jié)束，從而充分證明，大型超超臨界發(fā)電機(jī)組，包括國產(chǎn)和國內(nèi)設(shè)計(jì)的機(jī)組，完全能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的FCB功能，相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)成熟，并具有可復(fù)制性。
大型超超臨界發(fā)電機(jī)組具備FCB功能，除能為電網(wǎng)提供發(fā)生大面積停電時(shí)快速恢復(fù)的支撐點(diǎn)外，對電廠自身的安全也極為有利。在國內(nèi)外，絕大部分超臨界和超超臨界機(jī)組都深受金屬氧化皮脫落導(dǎo)致的鍋爐爆管及汽輪機(jī)等遭受固體顆粒侵蝕(SPE問題)的困擾，且參數(shù)越高問題越嚴(yán)重。而這類問題主要發(fā)生在鍋爐啟動(dòng)階段，因此，盡可能避免機(jī)組故障時(shí)的停爐是應(yīng)對這一問題的有效方法。當(dāng)機(jī)組具備FCB功能后，即同時(shí)也能具備停電不停機(jī)(甩負(fù)荷)及停機(jī)不停爐的功能，這就能最大限度地降低鍋爐停運(yùn)率，從而有效緩解SPE等問題。對于大型超(超)臨界機(jī)組，只要鍋爐不停，一般故障后的恢復(fù)時(shí)間很短。2008年5月18日14:23:11，外高橋三期第1臺機(jī)組在進(jìn)行發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)中，因低勵(lì)保護(hù)誤動(dòng)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷跳閘，但汽輪發(fā)電機(jī)仍能維持3000r/min運(yùn)行，僅隔11min 36s后發(fā)電機(jī)再次并網(wǎng)，且在并網(wǎng)12min后機(jī)組負(fù)荷就已升至500MW以上，如此迅速的恢復(fù)，對于國內(nèi)絕大部分大機(jī)組是不可想象的。因此，大機(jī)組具備FCB功能，實(shí)際上有實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和電廠的雙贏。
（轉(zhuǎn)載）
