上海電網燃氣機組的調相運行實驗研究

顧軍　曹亮　張建新　趙文彬

摘 要：目前我國小型機組面臨著退出運行，重新利用好小型燃氣機組是必須要解決的問題。同時，上海地區經濟的發展和電網系統容量的不斷增加，無功功率的需求日益增長，出現無功功率不足的情況。為了滿足系統穩定性的要求，可以采用燃氣機組的快速反應能力來實現無功功率不足的情況。文章針對上海地區燃氣機組進行燃機調相運行試驗。試驗結果表明，燃氣機低有功功率運行時，穩定性較好；驗證了小型燃氣機組低有功功率運行可提供動態無功的范圍大；燃機低功率調相運行和正常運行狀態的切換時，穩定性好。本次燃氣機調相試驗數據對上海電網安全運行提供重要的試驗數據，為上海電網安全運行有著重要工程意義。

關鍵詞：燃氣機；低有功功率；調相運行

中圖分類號：TM73 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）03-0028-04

Abstract： At present， China's small units are facing withdrawal from operation， reuse of small gas units is a problem that must be solved. At the same time， with the development of economy and the increasing capacity of power grid system in Shanghai area， the demand for reactive power is increasing day by day， and the reactive power is insufficient. In order to meet the requirement of system stability， the reactive power shortage can be realized by the rapid reaction ability of gas turbine. In this paper， the phase modulation operation test of gas turbine in Shanghai area is carried out. The test results show that the stability of gas turbine is better when operating at low active power， the range of dynamic reactive power provided by low active power operation of small gas turbine is large， and the switching between low power phase modulation operation and normal operation state of gas turbine is also verified and is proved to have good stability. The phase modulation test data of gas engine provide important test data for the safe operation of Shanghai power grid， and have important engineering significance for the safe operation of Shanghai power grid.

Keywords： gas engine； low active power； phasing operation

引言

近年來，我國新能源發展迅速，水電、風電和太陽能發電的裝機規模分別達到3.2億千瓦、1.3億千瓦和4300萬千瓦，均居世界第一位[1-3]。

我國的能源資源與生產力發展呈逆向分布，能源基地與負荷中心距離在500km～2000km左右。這導致我國電網中存在大量功率遠距離傳輸，使得負荷中心受電比重不斷增大，而由于外來電的弱可控性，近區機組必須停機以消納外來電，容易導致負荷中心由于缺乏動態無功源而出現電壓問題。為確保電網極端運行狀態時的安全穩定運行，需要采取非常規的應對措施，燃機低功率調相運行即是行之有效的一種解決方式。燃機低功率調相運行，不同于機組的正常運行方式，其有功出力控制在極低的水平，同時根據電網需要，發出或吸收一定量的無功，在不影響上海電網總體調峰能力的前提下，大幅提升系統的動態無功支撐和調頻能力，對于緩解特高壓交直流近區受端電網存在的電壓穩定和頻率穩定問題示范作用顯著[4，5]。

在此背景下，研究燃氣機組低功率調相運行技術，挖掘燃氣機組低有功出力條件下的調相能力，提升燃氣機組靈活性，全面提高系統調壓和新能源消納能力。因此，本論文中主要研究了上海電網的燃氣機低有功功率下的運行能力、調相能力及調相運行和正常運行狀態的切換能力。這為上海電網的燃氣機組低功率調相運行技術研究及應用提供了重要參考依據和試驗數據。

1 燃氣機組與各種類型機組的優劣對比

目前投入運行且能夠調相的機組主要有火電機組、水電機組、抽水蓄能機組及燃氣機組[6]。

火電機組為受原動機輸出功率，定、轉子繞組溫升，發電機功角、機端電壓，鍋爐最小穩燃負荷等多方面的限制，超低負荷下鍋爐燃燒的安全穩定性是主要瓶頸，相關改造和運行經驗較少；水電機組改為調相運行，一般選擇年利用小時數低且距離負荷中心距離較近的水電廠[7，8]。對于上海地區而言水電機組數量較少，遠距離輸送電能的水電廠調相效果不明顯。因此上海地區暫不考慮水電廠的調相運行；抽水蓄能機組抽蓄機組可以調相運行，但上海電網調峰矛盾較突出，需要抽蓄機組正常運行發揮其作用。

上海地區燃氣機組相對水電機組和抽水蓄能機組，有一定規模，利用小時數低、較長時間閑置；且典型的聯合循環燃機無回熱系統，污染物排放少，相比燃煤火電機組，改為調相運行限制條件更少，值得重點開展研究。

我國煤電裝機占比目前已降至60%以下，但發電量仍超過三分之二，是第一大主力。燃氣機組與火電機組相比，具有以下優點[9]：

（1）發電質量好。由于發電機工作時只有旋轉運動，電調反應速度快，工作特別平穩，發電機輸出電壓和頻率的精度高，波動小，在突加空減50%和75%負載時，機組集腋成裘駝行非常穩定。優于柴油發電機組的電氣性能指標。

（2）啟動性能好，啟動成功率高。從冷態啟動成功后到滿負載的時間僅為30秒鐘，而國際規定柴油發電機啟動成功后3分鐘帶負載。燃氣輪發電機組可以在任何環境溫度和氣候下保證啟動的成功率。

（3）噪聲低振動小。由于燃汽輪機處于高速旋轉狀態，它的振動非常小，而且低頻噪聲優于柴油發電機組。

（4）采用的可燃性氣體是清潔、廉價的能源。諸如：瓦斯氣，秸稈氣，沼氣等，以它們為燃料的發電機組不僅運行可靠，成本低，而且能變廢為寶，不會產生污染。

由于上海地區經濟的發展和電網系統容量的不斷增加，無功功率的需求日益增長，出現無功功率不足的情況。為了滿足系統穩定性的要求，可以采用燃氣機組的快速反應能力來實現。因此，燃氣機作空載和調相運行的必要性日益突出。

目前根據調研情況，上海地區現有燃機總臺數已超過50臺（套），有些電廠已采用燃氣發電機組開展了低功率調相運行試驗，并取得成功。為了進一步深入研究分析燃氣機低功率調相運行對大受端城市電網安全穩定運行的影響，需要重點分析燃氣機低有功功率下的運行能力、調相能力及調相運行和正常運行狀態的切換能力。

2 燃機低有功功率運行能力

燃氣輪機的輸出功率范圍廣，輸出功率最低可降至0[10]。為了分析上海地區燃機低有功功率下的運行能力，針對上海某燃機發電有限公司某機組的試驗數據進行燃機低功率工況下的運行能力分析。有功50MW負荷的試驗從13：27開始至14：20結束，試驗數據，如表1所示。

穩定性方面，在發電機有功約為50MW，無功約為9.7Mvar，功率因數為0.96（滯后）。發電機定子電壓降至20.13kV，其額定電壓的100.65%，發電機測量功角14.85°。

溫度方面，上海申能臨港燃機發電有限公司4號發電機所有溫度測點溫度均不超標，最高溫度點出現在汽端定子鐵心，在50MW時其最高溫度為43℃，低于150℃的限額；因此，可以認為發電機在低功率運行時，不超過本次試驗的運行范圍，不對該機的安全運行構成威脅。

廠用電方面，有功50MW負荷時，無功約為9.7Mvar，功率因數為0.96（滯后）。6kV廠用母線電壓為6.29kV，400V母線電壓為391.5V。試驗期間，廠用重要設備未出現超溫等異常現象。

3 燃氣機低有功功率下的調相能力

燃機低功率調相運行包括兩種運行方式，即低功率滯相運行和低功率進相運行[11，12]。與正常運行工況不同，燃機低功率調相運行主要的出發點是在盡量不增加系統總有功出力的前提下，最大限度地提供動態無功或吸收系統過剩無功。根據試驗情況及調研獲取的數據，針對上海A電廠1號機的試驗數據進行燃機低功率工況下的調相運行能力分析。

本次調研試驗數據中，包含了機組的滯相、進相試驗，可以驗證機組在有功功率盡可能低的工況下滯相、進相發出無功功率的極限值。本次滯相、進相試驗中，機組運行最低有功功率為5MW，由3號機組參與配合，同時1號機組廠用變壓器分接頭參與調整。上海某電廠1號機帶廠用電滯相和進相試驗數據，如表2所示。

3.1 滯相運行

無功調節前1號機組有功功率5MW，220kV母線電壓為229.8kV，1號廠變分接檔檔位為第10檔。

調節無功后，1號發電機無功增大至152MVar，其機端電壓Uab上升至22.08KV，220kV母線電壓上升至233kV。1號機組所接6kV廠用電母線電壓隨著無功功率的增加逐漸提高，將1號廠變分接檔檔位由第10檔下調至7檔，使得6kV母線電壓維持在6.35kV。

3.2 進相運行

無功調節前1號機組有功功率5MW，無功功率7MVar，發電機機端電壓20.77kV，220kV母線電壓為232kV，1號廠變分接檔檔位為第10檔。為了讓1號發電機盡可能多的從系統中吸收無功，無功調節過程中手動將1號發電機低勵限制器整定至從-0.2改為-0.4。

調節無功后，1號發電機所發無功減少至-151MVar，其機端電壓Uab下降至18.93kV，220kV母線電壓下降至229.3kV。1號機組所接6kV廠用電母線電壓隨著無功功率的減少逐漸降低，將1號廠變分接檔檔位由第10檔上調至15檔，使得6kV母線電壓維持在6.08kV。

上海某電廠1號機帶廠用電低功率調相能力，如圖1所示。

當1號發電機運行帶廠用電運行在5MW工況時分別做滯相、進相試驗發現，限制1號機組滯相、進相能力的因素都是發電機機端電壓，滯相、進相試驗中發電機機端電壓勻逼近了其上、下限值。發電機定子線圈溫度、定子鐵芯溫度均在安全范圍內，不構成限制因素。

燃機滯相、進相時，機端電壓和廠用電電壓會隨之變化，需要密切監視其變化，其中，機端電壓極限限制了滯相、進相能力，調節廠用變分接檔可控制廠用電電壓維持正常水平。通過機組的滯相和調相試驗，驗證了機組可以提供動態無功的范圍，燃機調相對解決上海電網有功負荷較低且無功短缺或過剩有很好的效果，是一種改善電壓質量的有效而且經濟的技術措施。

4 燃機低功率調相運行和正常運行狀態的切換

為了分析燃機低功率調相運行和正常運行狀態的切換，針對上海某燃機廠1號機帶廠用電各有功功率下機組調相能力及限制因素，如表3和表4所示，將表3和表4機組調相能力畫在P-Q平面，如圖2和圖3所示。

表3 上海某燃機廠1號機帶廠用電滯相運行試驗

從圖2和圖3可見，機組滯相運行時，隨著有功出力的增加，機組滯相能力增大，而有功大于85%PN時，隨著有功增加，滯相能力增加不明顯；機組進相運行時，有功在30%PN以上時，隨著有功下降，機組進相能力加深，從30% PN繼續下降，機組進相能力并未進一步有效提升。同樣，功角、溫度在本次試驗中不構成限制條件，最終限制機組進相的主要為機端電壓。

5 結束語

本文通過上海電網的燃氣機低有功功率下的運行能力、調相能力及調相運行和正常運行狀態的切換試驗，得到如下結論：

（1）燃氣機低有功功率運行時，穩定性較好；所有溫度測點溫度均不超標；廠用重要設備未出現超溫等異常現象。通過試驗證明燃氣機低功率運行是解決缺乏動態無功源的有效方法。

（2）通過機組的滯相和調相試驗，驗證了機組可以提供動態無功的范圍，燃機調相對解決上海電網有功負荷較低且無功短缺或過剩有很好的效果，是一種改善電壓質量的有效而且經濟的技術措施。

（3）燃機低功率調相運行和正常運行狀態的切換時，

穩定性好。不受于功角和溫度的限制，機端電壓為限制機組進相的主要因素。

本文試驗分析的燃氣機低有功功率調相，為上海地區缺乏動態無功源而出現電壓問題的治理和優化設計提供了重要的試驗數據。

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