2008年1月，我國南方遭遇了五十年一遇的持續(xù)性雪災，導致較大范圍電網(wǎng)嚴重損毀，許多地區(qū)出現(xiàn)了較長時間的大面積停電，給社會和人民生活造成了很大影響。2008年2月26日，美國佛羅里達州因一個變電站發(fā)生火情而造成電網(wǎng)內核電廠和火電廠相繼跳閘，導致大面積停電達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)安全重要性的認識。
近年來，世界各國都加強了對電力系統(tǒng)可靠性的關注，加緊制定應對大停電的各種措施。除加強電網(wǎng)建設外，發(fā)電廠的機組快速甩負荷(FCB)功能建設已引起了越來越高的關注。事實上，電網(wǎng)內若有部分機組在電網(wǎng)故障時能快速減負荷并自動轉為只帶廠用電作"孤島運行"(FCB)，就能使其成為電網(wǎng)的"星星之火"而迅速"激活"網(wǎng)內其他機組并恢復對重要用戶的供電，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超超臨界機組)在設計時就按能實現(xiàn)FCB考慮。根據(jù)二期工程900MW機組成功實現(xiàn)FCB功能的經(jīng)驗及系統(tǒng)配置存在的不足，對三期工程的相關系統(tǒng)和配置進行了全面優(yōu)化，2臺機組在完成全部調試項目將轉入168h試運前，先后進行了75%和100%全真運行工況的FCB試驗，均獲得了圓滿成功。
一、機組主要設備和系統(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，正常運行為1臺備用。
汽輪機采用四缸四排汽、單軸反動凝汽式雙背壓汽輪機。額定功率1000MW，最大功率1060MW(2955t/h)。所配發(fā)電機為水氫氫冷、同軸勵磁型，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汽動給水泵，帶獨立凝汽器，不配電動給水泵。
二、FCB相關系統(tǒng)的配置和設計優(yōu)化
外高橋電廠三期工程FCB功能的成功實現(xiàn)，首先得益于外高橋電廠二期工程的經(jīng)驗。當時的第2臺900MW超臨界機組，在對控制系統(tǒng)(包括DCS、 DEH及旁路控制系統(tǒng))進行了相應改進后，已于2004年9月成功進行了全真運行工況的FCB試驗。通過試驗，也對系統(tǒng)的配置和設計中尚存在的不足有了更深入的了解和體會。在三期工程設計階段，針對這些不足進行了一系列的改進和優(yōu)化。
2.1 機組大連鎖原則
為提高機組運行的靈活性，與二期無GCB不同，三期的2臺發(fā)電機均配置了GCB，但不設高壓備用變壓器。在發(fā)電機未投入時(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，三期的運行和連鎖方式與二期有所不同，當機組運行中斷開Bl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500kV線路側通過Bl、Tl向T2供廠用電，因此，主變壓器出口開關Bl不參與機、電、爐連鎖跳閘。
總的機、電、爐連鎖原則如下:(1)主變壓器出口開關B1跳閘，汽輪發(fā)電機快速減負荷至帶廠用電作孤島運行(FCB)，鍋爐通過旁路系統(tǒng)維持運行;(2)發(fā)電機出口開關B2跳閘，汽輪發(fā)電機甩負荷并維持3000r/min運行，鍋爐通過旁路系統(tǒng)維持運行;(3)汽輪機跳閘，連跳B2，鍋爐通過旁路系統(tǒng)維持運行;(4)鍋爐跳閘，連跳汽輪發(fā)電機及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，從而能增加甩負荷及FCB工況下的工質回收率。同時，低壓旁路容量的提高，還能降低機組啟動過程中的再熱蒸汽壓力，有利于汽輪機的啟動。在FCB工況下，進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%。但此時汽動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，三期的旁路不設單獨的旁路控制系統(tǒng)，除就地配置的安全門控制回路外，其他所有控制和調節(jié)全部交由機組的DCS負責，旁路供貨廠商則提供旁路的控制策略、算法和相關參數(shù)等，并配合調試。
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，由于其動作后只能全開，導致大部分蒸汽被排至大氣，加劇了工質的不平衡。三期則選用了調節(jié)式安全閥，在高負荷情況下發(fā)生FCB時，按不超壓的原則控制，當其開啟時只排放多余的蒸汽，這對減少FCB工況下的工質損失極為有利，實際應用效果也確實很好。
2.4 汽動給水泵
與二期2×50%汽動給水泵+40%電動給水泵的配置不同，三期采用l×l00%汽動給水泵，自帶凝汽器，可單獨啟動，不設電動泵，極大地簡化了系統(tǒng)，運行靈活性、經(jīng)濟性和可靠性大大提高。2臺機組投產(chǎn)至今，從未發(fā)生過一起因汽動給水泵故障造成的機組停運。
外高橋二期給水泵汽輪機的汽源采用外切換，在汽源切換過程中必須先切斷主汽輪機抽汽，再打開再熱蒸汽閥以確保主機安全，切換時間較長，必然導致小汽輪機短時間缺汽，使給水泵轉速下降并造成鍋爐短暫缺水，而此時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。當汽源切換成功，給水流量恢復后，水冷壁出口溫度則會轉而驟降。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過熱及回冷的沖擊，這對超臨界及超超臨界機組，容易導致爐管的表面氧化皮脫落，增加了過熱器堵管及汽輪機固體顆粒沖蝕等的風險。
外高橋三期工程采用了具有特殊內切換功能的專用小汽輪機。再熱蒸汽和主汽輪機第5級抽汽分別經(jīng)不同的調門引至與之參數(shù)相適配的調節(jié)級噴嘴組，兩者可分別單獨運行至滿負荷，也可同時運行，汽源切換迅速。當FCB或停機等工況出現(xiàn)，抽汽迅速減少或消失時，再熱蒸汽調門會自動開大并維持給水泵運行，切換擾動量很小，極大地改善了機組在這種工況下的安全性。在機組調試期間，歷次停機不停爐，甩負荷試驗及FCB試驗中，汽動給水泵的轉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，運行中常發(fā)生淋水盤被沖壞的情況。三期則選用了引進技術生產(chǎn)的內置式一體化無頭除氧器，至今運行良好。
除氧器水箱是整個汽水循環(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，從調試階段的停機不停爐和FCB試驗情況看，其容量明顯不足。三期工程經(jīng)技術經(jīng)濟比較，將其容量調高至6min的鍋爐蒸發(fā)量。
三、控制系統(tǒng)及調試
3.1 FCB時的特殊控制方式
旁路控制系統(tǒng)通常以跟蹤溢流方式運行，但在FCB或甩負荷時接受了鍋爐的絕大部分蒸汽，需立即轉入按燃燒率計算的對應壓力進行控制。
鑒于低壓旁路通流量有限，在高負荷時發(fā)生FCB后，若不及時將鍋爐蒸發(fā)量降至低壓旁路通流量以下，必然導致大量蒸汽經(jīng)再熱安全門排向大氣，從而使機組的運行無法持續(xù)。因此，當發(fā)生FCB時，機組協(xié)調控制系統(tǒng)須按Runback程序進行控制，目標負荷應為低壓旁路容量以下。由此可知，在進行甩負荷及FCB試驗前，應先完成Runback試驗。
FCB發(fā)生后，所有主汽輪機抽汽都基本消失，為減少鍋爐進水溫度的大幅波動，從而有利于FCB后鍋爐汽溫及負荷的控制，改善Runback后鍋爐的水動力工況，同時也盡可能增加冷再熱蒸汽的用戶，回收熱量及工質，故汽源為冷再熱蒸汽的7號高壓加熱器仍應維持運行。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行，使進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。此時除氧器壓力控制轉為"壓力下降速率限制"模式，防止7號高壓加熱器進水溫度劇變，危及其運行安全，同時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)調試
FCB發(fā)生后，鍋爐、汽輪機、發(fā)電機及熱力系統(tǒng)和各種輔機等的運行工況都將發(fā)生很大變化，整個機組的過渡過程只能依托控制系統(tǒng)，自動地按既定程序和規(guī)則進行控制和調節(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，是對機組自動控制系統(tǒng)性能最嚴峻的綜合檢驗。因此，在新機組調試過程中，必須對每個子系統(tǒng)都進行認真仔細的調試和試驗，使系統(tǒng)的調節(jié)性能完全滿足技術要求，最終能讓整臺機組進入真正意義上的全自動方式運行，并能適應各種特殊工況的擾動。另外，為確保機組在試驗中萬無一失，所有保護必須經(jīng)過校驗并投入運行。
另外，F(xiàn)CB與甩負荷試驗不同，后者僅僅用于考核汽輪機在發(fā)電機甩負荷情況下是否能夠控制轉速。FCB試驗的目的是為考核在遇到電網(wǎng)突發(fā)事故的情況下，機組能否快速減負荷并安全轉入孤島運行，而這種突發(fā)事故通常不會有任何先兆。因此，F(xiàn)CB試驗時機組應處于完全真實的運行工況，而試驗前如對機組運行工況或控制系統(tǒng)采取了任何臨時性干預措施，則試驗都應被視作無效。
四、FCB試驗
按三期的設計，汽輪發(fā)電機甩負荷時，鍋爐通過旁路系統(tǒng)維持運行，從熱力系統(tǒng)角度，其工況變化與FCB時最相似，甚至更極端。兩者不同之處在于廠用電的供電方式，甩負荷時廠用電由電網(wǎng)倒送，相對較安全，因此在進行FCR試驗前，應先完成全真運行工況的甩負荷試驗，在按常規(guī)測取汽輪發(fā)電機轉子飛升轉速的同時，考核整個熱力系統(tǒng)及相關控制系統(tǒng)在此工況下的應變能力。
2008年3月15、16日，外高橋三期工程第1臺機組先后進行了75%和100%的甩負荷試驗。試驗采用全真運行工況，試驗前不做任何預防性措施和操作，唯一做的就是拉開發(fā)電機出口開關，這2次試驗都獲得了成功。通過試驗，也發(fā)現(xiàn)了控制系統(tǒng)內尚存的個別不足，經(jīng)修改邏輯后于17日晚21:40進行了全真運行工況75%負荷的FCR試驗。這次試驗非常成功，所有運行參數(shù)都很平穩(wěn)，汽輪發(fā)電機轉子在主變壓器出口開關拉閘的2s后轉速達到3118.4r/min，l7s后降至2952.6r/min,約40s后轉速趨于穩(wěn)定(見圖2)。由于再熱安全門沒有開啟，工質平衡不存在問題。在這次試驗中，按計劃還要做500kV線路開關和聯(lián)絡開關的假并列試驗，故孤島狀態(tài)運行了約lh，于22:39:07再次并網(wǎng)。這次試驗還說明，機組完全可在孤島狀態(tài)下安全運行較長時間。
在成功進行了75%負荷FCB試驗的次日，3月18日晚23：59：41進行了全真運行工況的100%負荷FCB試驗，這次試驗再次取得了圓滿成功。汽輪發(fā)電機轉子最高轉速3162.4r/min，最低轉速2950.8r/min，F(xiàn)CB發(fā)生后約45s轉速趨于穩(wěn)定（見圖3），僅過了不到7min，于00：06：20機組再次并網(wǎng)。這次試驗，一方面顯示了機組滿負荷FCB的能力；另一方面反映了機組在FCB后恢復向外送電的快速性。
得益于三期工程在一開始就對系統(tǒng)設計和設備配置進行了一系列針對性的改進和優(yōu)化，這次100%負荷FCB的過渡過程遠比二期900MW機組的FCB平穩(wěn)。汽動給水泵汽源的迅速切換，使鍋爐的水動力極其穩(wěn)定，完全沒有出現(xiàn)二期900MW機組在FCB后給水泵汽源切換過程中出現(xiàn)的相關溫度大幅波動——水冷壁出口溫度快速竄升至接近保護動作值，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)，徹底消除了汽動給水泵汽源切換對鍋爐受熱面的熱沖擊，機組的其他各種熱力參數(shù)均控制在安全范圍內。尤其是過渡過程中工質平衡良好，完全沒有出現(xiàn)二期900MW機組FCB后因再熱蒸汽從安全門大量排空導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后開始逐漸調節(jié)關小，再經(jīng)48s后完全關閉。從圖5中可看出，因包括逐步關閉過程在內的總開啟時間短，工質損失少，所以對凝汽器水位造成的影響很小，從而驗證了三期工程就改善FCB過程工質平衡的一系列措施非常有效。
五、結語
繼2008年3月17、18日外高橋三期第1臺1000MW超超臨界機組全真運行工況的75%和100%"負荷FCB試驗圓滿成功后，5月21日21:53:56,第2臺1000MW超超臨界機組調試工作再次以圓滿實現(xiàn)滿負荷的FCB而結束，從而充分證明，大型超超臨界發(fā)電機組，包括國產(chǎn)和國內設計的機組，完全能夠實現(xiàn)真正意義上的FCB功能，相關的技術已經(jīng)成熟，并具有可復制性。
大型超超臨界發(fā)電機組具備FCB功能，除能為電網(wǎng)提供發(fā)生大面積停電時快速恢復的支撐點外，對電廠自身的安全也極為有利。在國內外，絕大部分超臨界和超超臨界機組都深受金屬氧化皮脫落導致的鍋爐爆管及汽輪機等遭受固體顆粒侵蝕(SPE問題)的困擾，且參數(shù)越高問題越嚴重。而這類問題主要發(fā)生在鍋爐啟動階段，因此，盡可能避免機組故障時的停爐是應對這一問題的有效方法。當機組具備FCB功能后，即同時也能具備停電不停機(甩負荷)及停機不停爐的功能，這就能最大限度地降低鍋爐停運率，從而有效緩解SPE等問題。對于大型超(超)臨界機組，只要鍋爐不停，一般故障后的恢復時間很短。2008年5月18日14:23:11，外高橋三期第1臺機組在進行發(fā)電機進相試驗中，因低勵保護誤動而導致發(fā)電機滿負荷跳閘，但汽輪發(fā)電機仍能維持3000r/min運行，僅隔11min 36s后發(fā)電機再次并網(wǎng)，且在并網(wǎng)12min后機組負荷就已升至500MW以上，如此迅速的恢復，對于國內絕大部分大機組是不可想象的。因此，大機組具備FCB功能，實際上有實現(xiàn)電網(wǎng)和電廠的雙贏。
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