汽輪機單閥-順序閥切換造成電力系統(tǒng)振蕩分析

蘇順亮

（延吉熱電廠，吉林 延吉 133000）

電力作為一種清潔能源， 是當前我國大力提倡使用的能源。 電力能源的廣泛使用，為我國當前的經(jīng)濟社會的進一步發(fā)展做出了較大的貢獻，但是，在電力能源使用過程中，需要保證電能質(zhì)量達到用戶的要求。電力能源的來源有許多種，但是當前我國還是以火力發(fā)電和水力發(fā)電為主，其中，火力發(fā)電時，依靠的是煤炭等能源燃燒，供熱給水，產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣驅(qū)動汽輪機，進而帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。 在這個產(chǎn)生電能的過程中，會出現(xiàn)電壓波動等影響電能質(zhì)量的問題，也即是電力系統(tǒng)的振蕩。

1 電力系統(tǒng)振蕩概述

電力系統(tǒng)振蕩是指電力系統(tǒng)中的某一或者多種電磁參量隨著時間發(fā)生變化。電力系統(tǒng)振蕩產(chǎn)生的原因主要有：輸電線路的輸送功率比允許的極大功率還要大， 進而對電路系統(tǒng)造成靜態(tài)穩(wěn)定破壞；電網(wǎng)發(fā)生短路故障，切除大容量的發(fā)電、輸電或變電設(shè)備，負荷瞬間發(fā)生較大突變等造成電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞；電源間非同步合閘未能拖入同步。 電力系統(tǒng)振蕩最嚴重的后果是引起系統(tǒng)崩潰，輕則導(dǎo)致各設(shè)備無法在額定工況下工作、系統(tǒng)保護誤動作。

筆者所在電力公司曾經(jīng)發(fā)生過一起由于汽輪機單向閥和順序閥切換過程中產(chǎn)生功率波動進而造成電網(wǎng)系統(tǒng)振蕩的事故。 事故的具體發(fā)生時間及情況如下：某電力公司的發(fā)電廠進行消缺工作，在消缺工作結(jié)束后，進行負荷的恢復(fù)作業(yè)。 當負荷升至148 兆瓦時，汽輪機閥門的運行方式為單閥形式，運用高壓對汽門進行調(diào)節(jié)， 此時汽門開度為41%， 主蒸汽壓力為15.34 兆帕，蒸汽溫度為806K，再熱蒸汽壓力為1.73 兆帕，溫度為800K，然后進行單閥-順序閥的切換操作。 在切換的過程中，機組出現(xiàn)了負荷的波動情況，負荷波動在140～168 兆瓦之間。相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)負荷波動后，立即將目標負荷重新設(shè)置為160 兆瓦，過了5 分鐘又將目標負荷設(shè)置為168 兆瓦。 在4 分鐘之后，完成由單閥向順序閥的切換操作。 此時，負荷為170 兆瓦，高壓調(diào)節(jié)汽門閥位于45.37%，主蒸汽壓力為15.3 兆帕，溫度為817K，再熱蒸汽壓力為1.8 兆帕，溫度為794K。在機組人員進行單閥向順序閥切換的過程中，機組功率出現(xiàn)了持續(xù)的波動，此時電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)了強迫振蕩。

2 單閥-順序閥切換介紹

汽輪機主要依靠蒸汽進行驅(qū)動，汽輪機的轉(zhuǎn)速與蒸汽量的多少息息相關(guān)，因此，要想控制汽輪機的轉(zhuǎn)速，就需要控制蒸汽的量。 汽輪機進行蒸汽量管理時依靠的是閥門，而閥門的操作有單閥操作和順序閥操作。 單閥操作的優(yōu)點是在進行蒸汽量的調(diào)節(jié)時， 所有的調(diào)節(jié)閥都是全開狀態(tài)， 采取的進汽方式是全周進汽。 這樣能夠使蒸汽輪機獲得勻速的蒸汽量，因而汽輪機能夠平穩(wěn)地升溫并運轉(zhuǎn)，這樣的過程熱應(yīng)力小。 但是單閥操作還是存在一種缺點，就是節(jié)流損失大，不經(jīng)濟。 順序閥操作主要是為了滿足機組并未滿負荷運行時， 減少采用單閥操作時帶來的節(jié)流損失，但是用這種方式控制機組進行啟動時，升溫加熱過程并不均勻，容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。

單閥操作與順序閥操作剛好能夠克服彼此的缺點， 因此，結(jié)合汽輪機啟動和運行過程的不同特點， 采取單閥和順序閥相結(jié)合的操作，能夠有效提高汽輪機發(fā)電的經(jīng)濟效益和電力質(zhì)量。這個組合方式就是汽輪機啟動時，采用單閥操作，待機組完成升溫過程后，再采用順序閥對負荷進行控制，從而完成汽輪機節(jié)流調(diào)節(jié)和噴嘴調(diào)節(jié)的快速切換， 能較好地解決汽輪機啟動和運行過程中的均熱要求與部分負荷經(jīng)濟性的沖突。

對于新的汽輪機組，為了使其能夠膨脹均勻，保證運行的安全性， 汽輪機的生產(chǎn)廠家一般是規(guī)定新機組在投產(chǎn)半年內(nèi)必須使用單閥方式運行， 在機組運行半年之后才切換為順序閥運行方式。

3 單閥-順序閥切換造成功率波動的原因

3.1 閥門流量曲線

閥在切換過程中，如果同時進行部分閥開大和部分閥關(guān)小的操作，而且開大閥增加的流量等于關(guān)小閥門所減少的流量，這時，在閥的切換過程中不會有蒸汽流量的變化，汽輪機就會在穩(wěn)定的負荷處運行，不造成電網(wǎng)的擾動。 但是，由于閥門在切換過程中， 各個閥的開大關(guān)小操作是依據(jù)各閥門的流量特性曲線決定的，流量特性曲線基本上采用汽輪機的生產(chǎn)廠家提供的曲線。而廠家提供的曲線是一定理想狀態(tài)下的，由于汽輪機安裝過程、地點等不一致，各組閥的流量特性曲線容易發(fā)生變化。 如果閥門流量特性曲線與實際的閥的流量特性不一致， 則會造成閥切換過程中相同負荷指令下蒸汽流量不一樣， 這樣就容易引起汽輪機組的負荷出現(xiàn)大幅度波動。

3.2 切換時蒸汽參數(shù)變化

在進行閥的切換操作時，如果蒸汽的參數(shù)，尤其是主蒸汽的壓力偏高，會造成進行閥門的調(diào)節(jié)操作時，開啟閥位小，此時容易出現(xiàn)閥位波動較小而負荷波動較大的現(xiàn)象。另外，主蒸汽壓力高容易使流量特性曲線與實際的流量產(chǎn)生嚴重的偏離， 會進一步加重負荷的波動。

3.3 閥的切換時間

當前，國內(nèi)的單閥-順序閥切換過程一般耗時2～3 分鐘，或者5～10 分鐘。如果切換時間過短，則在閥的切換過程中，相當于在同樣的時間內(nèi)，流量需要改變更大，則需要閥門動作迅速，這樣容易產(chǎn)生負荷波動。

4 抑制單閥-順序閥切換過程負荷波動的方法

4.1 測定機組實際流量特性曲線

流量特性曲線與實際流量的不一致是導(dǎo)致閥門切換過程中機組產(chǎn)生負荷波動的根本原因， 也是目前閥切換過程中最難避免的。 要想抑制汽輪機組在閥切換過程中的波動，可以采取的辦法是，首先在安裝好的汽輪機組中通過閥門試驗，獲取調(diào)節(jié)氣閥的升程-流量特性曲線，獲得順序閥控制狀態(tài)下閥門的最佳重疊度，然后依據(jù)試驗數(shù)據(jù)對閥門管理程序中閥門流量特性曲線、重疊度等進行優(yōu)化。

4.2 控制方式和參數(shù)選取要適宜

在汽輪機組的實際運行中，可以在現(xiàn)場結(jié)合以下方式對負荷波動進行控制：（1）投入功率回路或調(diào)節(jié)級壓力回路。 采取這樣的操作方式， 整個現(xiàn)場使用的機組均受到有功率反饋的閉環(huán)系統(tǒng)的控制，能夠保證功率穩(wěn)定。（2）蒸汽參數(shù)要保證合適。在閥的切換過程中，蒸汽參數(shù)宜小不宜大，參數(shù)小時則閥開，大不容易造成大的負荷波動。

4.3 切換時間合適

在汽輪機組單閥-順序閥切換過程中， 如果閥的切換時間適當?shù)匮娱L，則系統(tǒng)中每一控制周期內(nèi)閥門變化量較小，負荷的波動也較小。 同時，切換時間的延長，功率回路和調(diào)節(jié)級壓力同路的調(diào)節(jié)作用使負荷擾動變得更小， 能有效消除閥切換時機組負荷的大幅波動。

4.4 操作方式

在進行單閥-順序閥切換時， 汽輪機采用的控制系統(tǒng)有投入?yún)f(xié)調(diào)控制、投入功率回路和調(diào)節(jié)級壓力回路幾種方式。 其中投入?yún)f(xié)調(diào)控制是對閥位進行控制， 控制閥門的開度對機組功率和機前壓力進行調(diào)節(jié)， 這樣的調(diào)節(jié)方式容易使閥門的流量特性曲線與實際流量特性產(chǎn)生較大的差異，進而容易引起擾動。 而用投入功率回路和調(diào)節(jié)級壓力回路方式進行閥的切換時， 則能保持功率的給定值穩(wěn)定不變。 即使閥門的流量特性曲線與實際不一致， 由于功率回路和調(diào)節(jié)級壓力回路的自動校正功能使流量值變得穩(wěn)定，功率也能恢復(fù)到穩(wěn)定過程，用這樣的控制方式進行閥的切換不會造成較大的功率振蕩。

5 結(jié)語

電能是當前使用量最大、對我國社會的穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義的能源，電力公司需要做好電能的供給工作，這其中就包括供給的電能的質(zhì)量必須要高。 對于汽輪機組發(fā)電過程中出現(xiàn)的負荷波動，必須采取正確的方法予以解決，這樣才能為我國經(jīng)濟社會建設(shè)做出更大的貢獻。

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