汽輪機(jī)閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩的實(shí)例及其機(jī)理分析

劉鈞

摘 要：汽輪機(jī)閥門控制方式的變化將會(huì)引起低頻振蕩現(xiàn)象，大型火力發(fā)電廠現(xiàn)有的閥門控制方式有單閥控制方式和順序閥控制方式兩種，低頻振蕩機(jī)理分為負(fù)阻尼機(jī)理和強(qiáng)迫振蕩理論兩種，當(dāng)閥門控制方式由單閥控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)轫樞蜷y控制方式時(shí)，汽輪機(jī)將會(huì)產(chǎn)生低頻震動(dòng)，產(chǎn)生這一低頻震動(dòng)的原因是基于強(qiáng)迫振蕩理論之上的。本文將通過實(shí)例對(duì)汽輪機(jī)閥門控制方式切換引發(fā)的低頻振蕩的機(jī)理進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；單閥控制系統(tǒng)；順序閥控制系統(tǒng)；低頻振蕩

中圖分類號(hào)：U664.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）05-0061-02

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的也處于不斷發(fā)展之中，為人類社會(huì)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)，電力系統(tǒng)的根本問題即穩(wěn)定問題，在快速勵(lì)磁系統(tǒng)的不斷引入和電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大二等過程中，電力系統(tǒng)不斷出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩的問題，這一不穩(wěn)定振蕩成為了電網(wǎng)安全運(yùn)行的重大隱患，可能會(huì)引發(fā)重大的停電事故，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。電力系統(tǒng)在發(fā)展過程中存在著許多問題，例如汽輪機(jī)閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩現(xiàn)象。汽輪機(jī)閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩現(xiàn)象是由于快速勵(lì)磁系統(tǒng)而引發(fā)的。為了解決這一低頻振蕩問題，就要對(duì)低頻振蕩的相關(guān)實(shí)例進(jìn)行研究，掌握汽輪機(jī)閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩的相關(guān)機(jī)理，防止低頻振蕩現(xiàn)象對(duì)于電網(wǎng)安全的影響。

1 建立閥門流量特性的汽輪機(jī)模型

一般的大型火力發(fā)電廠采用單閥控制方式和順序閥控制方式兩種控制系統(tǒng)，單閥控制系統(tǒng)指的是全部閥門保持相同的開度，在這種情況下，汽輪機(jī)能夠均勻受熱，但是會(huì)損耗大量的能量，成本較高；順序閥控制方式指的是汽輪機(jī)在運(yùn)作過程中機(jī)組高壓調(diào)節(jié)閥門順序開啟，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)組受熱不均，但是機(jī)組損耗較小。因此應(yīng)當(dāng)將兩種閥門控制方式結(jié)合起來，在汽輪機(jī)升負(fù)荷階段采用單閥控制系統(tǒng)，在機(jī)組升溫完成之后采用順序閥控制方式。

在汽輪機(jī)工作過程之中，其閥門流量開度與通過閥門的蒸汽流量之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，蒸汽流量越高，閥門開度越大，當(dāng)蒸汽流量接近一百時(shí)，閥門開度隨蒸汽流量的變化幅度加快[1]。但是閥門開度與蒸汽流量的變化呈非線性關(guān)系，因此需要引入閥門流量特性修正網(wǎng)函數(shù)，具體計(jì)算二者之間的數(shù)值關(guān)系。

2 汽輪機(jī)閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩的實(shí)例及其分析

2.1 汽輪機(jī)閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩的實(shí)例

以我國(guó)南方某電廠的兩臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組為例，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)均為330MW的額定功率，兩臺(tái)汽輪機(jī)經(jīng)檢修無誤之后投入使用，其中一臺(tái)帶220MW的負(fù)荷運(yùn)行，另一臺(tái)帶230MW的負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)兩臺(tái)汽輪機(jī)經(jīng)過一段時(shí)間的工作之后，將其中一臺(tái)的閥門控制方式在單閥控制方式和順序閥控制方式之間來回切換。這時(shí)，閥門切換狀態(tài)下汽輪機(jī)的有功功率在186-279MW范圍內(nèi)波動(dòng)，發(fā)生了低頻率振蕩。

2.2 汽輪機(jī)閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩的實(shí)例分析

為了對(duì)汽輪機(jī)閥門控制方式切換引發(fā)的低頻振蕩進(jìn)行分析，需要借助時(shí)域仿真這一工具。首先要建立起有效的電力系統(tǒng)模型，配合以自并勵(lì)勵(lì)磁方式，從而將汽輪機(jī)的頻率變化以仿真形式表現(xiàn)出來。在進(jìn)行仿真的過程中，汽輪發(fā)電機(jī)的初始有功功率為220MW，初始時(shí)使用單閥控制方式，在一段時(shí)間之后改用順序閥控制方式后，其頻率震動(dòng)產(chǎn)生了等幅值的來回振蕩，待退出工頻控制系統(tǒng)之后振蕩消失，這表明了控制方式的切換對(duì)汽輪機(jī)低頻振蕩所產(chǎn)生的影響。

3 汽輪機(jī)閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩機(jī)理分析

3.1 負(fù)阻尼機(jī)理分析

負(fù)阻尼機(jī)理指的是，汽輪機(jī)自治系統(tǒng)在閥門控制方式發(fā)生變化從而產(chǎn)生擾動(dòng)之后，其穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，在阻尼為正的情況下，振蕩的幅度將會(huì)衰減，在阻尼為負(fù)的情況下，振蕩幅度將會(huì)逐漸增加。在這一過程中低頻振蕩的頻率大小與系統(tǒng)在自然狀態(tài)下的頻率振動(dòng)大小十分接近。

還有一種比較特殊的欠阻尼情況，就是當(dāng)擾動(dòng)的頻率與系統(tǒng)固有頻率相同時(shí)，系統(tǒng)可能產(chǎn)生共振型的欠阻尼低頻振蕩。若系統(tǒng)阻尼為零或者較小，則由于擾動(dòng)的影響而出現(xiàn)不平衡轉(zhuǎn)矩，使得系統(tǒng)的解為一等幅振蕩形式，當(dāng)擾動(dòng)的頻率和系統(tǒng)固有頻率相等或接近時(shí)，這一響應(yīng)就會(huì)因共振而被放大，從而引起共振型的低頻振蕩[2]。共振型低頻振蕩歸根結(jié)底還是由于系統(tǒng)阻尼不足而引起，因此，是欠阻尼低頻振蕩的一種特殊情況。

3.2 強(qiáng)迫振蕩理論分析

負(fù)阻尼機(jī)理是在汽輪機(jī)自治系統(tǒng)的前提下進(jìn)行探究，而強(qiáng)迫震蕩理論是在汽輪機(jī)的非自治系統(tǒng)下使用外力施加周期性擾動(dòng)從而產(chǎn)生振蕩。在這一情況下，阻尼的正負(fù)對(duì)汽輪機(jī)的振蕩與否不產(chǎn)生影響，及時(shí)阻尼為負(fù)汽輪機(jī)依然會(huì)產(chǎn)生振蕩，但是阻尼的大小依然影響著振動(dòng)幅度的大小。強(qiáng)迫振蕩理論的發(fā)生必須要有一個(gè)前提，那就是存在振動(dòng)源，只有振動(dòng)源存在，汽輪機(jī)才會(huì)發(fā)生振蕩，且電力系統(tǒng)強(qiáng)迫功率振蕩的頻率與擾動(dòng)源的振動(dòng)頻率相同。

3.3 汽輪機(jī)低頻振蕩機(jī)理分析

汽輪機(jī)產(chǎn)生低頻振蕩的原因是閥門控制方式由單閥控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱隧樞蜷y控制方式。因此順序閥控制方式對(duì)汽輪機(jī)的振蕩產(chǎn)生著至關(guān)重要的影響，需要對(duì)順序閥控制方式下的閥門流量特性進(jìn)行深入研究[3]。通過分析我們知道，汽輪機(jī)在順序閥控制方式之下的閥門流量特性曲線不同于汽輪機(jī)制造商所提供的閥門流量特性曲線，CV和TCV曲線差距較大。由于原本的汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的閥門流量修正函數(shù)就是按照制造商所提供的閥門流量特性曲線所制定的，因此當(dāng)汽輪機(jī)的單閥控制方式轉(zhuǎn)換為順序閥控制方式之后，調(diào)節(jié)閥門與原有的流量修正函數(shù)之間的偏差會(huì)促使調(diào)節(jié)閥門產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)，從而產(chǎn)生汽輪機(jī)的低頻振蕩。

在汽輪機(jī)有單閥控制方式轉(zhuǎn)化為順序閥控制方式之后，數(shù)據(jù)表明調(diào)節(jié)閥門開度在25%-100%這一個(gè)較大的范圍內(nèi)波動(dòng)，閥門的大幅度波動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致了汽輪機(jī)流量的波動(dòng)，汽輪機(jī)流量的波動(dòng)又進(jìn)而造成了汽輪機(jī)機(jī)械功率的周期性波動(dòng)。

回到上文中國(guó)提到的案例，帶220MW負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組所發(fā)生的低頻振蕩是單機(jī)相對(duì)于電網(wǎng)的振蕩，且其低頻振蕩頻率在0.171Hz，此時(shí)機(jī)組本地模式低頻振蕩頻率為1Hz左右，機(jī)組低頻振蕩頻率與機(jī)組本地模式低頻振蕩頻率不同。對(duì)這一數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，我們知道這一機(jī)組所產(chǎn)生的低頻振蕩不是由于負(fù)阻尼引起的本地模式振蕩，而是由于閥門控制方式由單閥控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)轫樞蜷y控制方式造成的汽輪機(jī)機(jī)械功率產(chǎn)生周期性變動(dòng)，從而與生產(chǎn)商所提供的閥門流量曲線特性相去甚遠(yuǎn)，二者之間的偏差又最終導(dǎo)致了汽輪機(jī)產(chǎn)生低頻震動(dòng)，電力系統(tǒng)的強(qiáng)迫功率振蕩。

4 結(jié)語

隨著電力系統(tǒng)在社會(huì)生活中的廣泛運(yùn)用，電力系統(tǒng)中存在的諸多問題亟待解決，其中汽輪機(jī)閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩問題就是一個(gè)值得分析的問題。汽輪機(jī)閥門控制方式的切換會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的低頻振蕩，進(jìn)而對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。汽輪機(jī)的低頻振蕩理論分為負(fù)阻尼機(jī)理和強(qiáng)迫振蕩理論。一般的大型火力發(fā)電廠采用單閥控制方式和順序閥控制方式兩種控制系統(tǒng)，當(dāng)閥門控制方式由單閥控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)轫樞蜷y控制方式時(shí)，汽輪機(jī)會(huì)產(chǎn)生低頻振蕩，本文以南方某電廠汽輪機(jī)產(chǎn)生的低頻振動(dòng)為例進(jìn)行研究，研究表明由于順序閥控制方式控制之下的汽輪機(jī)所產(chǎn)生的閥門流量特性西征函數(shù)與生產(chǎn)商所提供的汽輪機(jī)閥門流量特性之間有較大的偏差，這就導(dǎo)致了在強(qiáng)迫振蕩理論之下，汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)汽門產(chǎn)生大幅振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致了汽輪機(jī)機(jī)械功率的持續(xù)震蕩，產(chǎn)生了汽輪機(jī)的低頻振蕩現(xiàn)象，對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。為了防止這一現(xiàn)象發(fā)生，需要加強(qiáng)對(duì)于汽輪機(jī)的維修保養(yǎng)，對(duì)汽輪機(jī)閥門控制系統(tǒng)的閥門流量特性進(jìn)行定期修正和更新，保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]徐衍會(huì)，馬驄，鄧小文，蔡筍.汽輪機(jī)閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩的實(shí)例及其機(jī)理分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2015，35（03）：170-174.

[2]徐衍會(huì)，王珍珍，翁洪杰.一次調(diào)頻試驗(yàn)引發(fā)低頻振蕩實(shí)例及機(jī)理分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（23）：119-124.

[3]董清，張玲，顏湘武，劉學(xué).電網(wǎng)中強(qiáng)迫共振型低頻振蕩源的自動(dòng)確定方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（28）：68-75+17.