汽輪機單閥-順序閥切換造成電力系統振蕩分析

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，為我國當前的經濟社會的進一步發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電和水力發電為主，其中，火力發電時，依靠的是煤炭等能源燃燒，供熱給水，產生水蒸氣，水蒸氣驅動汽輪機，進而帶動發電機運轉產生電能。 在這個產生電能的過程中，會出現電壓波動等影響電能質量的問題，也即是電力系統的振蕩。

1 電力系統振蕩概述

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

筆者所在電力公司曾經發生過一起由于汽輪機單向閥和順序閥切換過程中產生功率波動進而造成電網系統振蕩的事故。 事故的具體發生時間及情況如下：某電力公司的發電廠進行消缺工作，在消缺工作結束后，進行負荷的恢復作業。 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節， 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，機組出現了負荷的波動情況，負荷波動在140～168 兆瓦之間。相關人員發現負荷波動后，立即將目標負荷重新設置為160 兆瓦，過了5 分鐘又將目標負荷設置為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，高壓調節汽門閥位于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，機組功率出現了持續的波動，此時電網系統出現了強迫振蕩。

2 單閥-順序閥切換介紹

汽輪機主要依靠蒸汽進行驅動，汽輪機的轉速與蒸汽量的多少息息相關，因此，要想控制汽輪機的轉速，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。 單閥操作的優點是在進行蒸汽量的調節時， 所有的調節閥都是全開狀態， 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地升溫并運轉，這樣的過程熱應力小。 但是單閥操作還是存在一種缺點，就是節流損失大，不經濟。 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，容易產生較大的熱應力。

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合的操作，能夠有效提高汽輪機發電的經濟效益和電力質量。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，從而完成汽輪機節流調節和噴嘴調節的快速切換， 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， 汽輪機的生產廠家一般是規定新機組在投產半年內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小的操作，而且開大閥增加的流量等于關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，汽輪機就會在穩定的負荷處運行，不造成電網的擾動。 但是，由于閥門在切換過程中， 各個閥的開大關小操作是依據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廠家提供的曲線。而廠家提供的曲線是一定理想狀態下的，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大幅度波動。

3.2 切換時蒸汽參數變化

在進行閥的切換操作時，如果蒸汽的參數，尤其是主蒸汽的壓力偏高，會造成進行閥門的調節操作時，開啟閥位小，此時容易出現閥位波動較小而負荷波動較大的現象。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，流量需要改變更大，則需要閥門動作迅速，這樣容易產生負荷波動。

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致閥門切換過程中機組產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，獲取調節氣閥的升程-流量特性曲線，獲得順序閥控制狀態下閥門的最佳重疊度，然后依據試驗數據對閥門管理程序中閥門流量特性曲線、重疊度等進行優化。

4.2 控制方式和參數選取要適宜

在汽輪機組的實際運行中，可以在現場結合以下方式對負荷波動進行控制：（1）投入功率回路或調節級壓力回路。 采取這樣的操作方式， 整個現場使用的機組均受到有功率反饋的閉環系統的控制，能夠保證功率穩定。（2）蒸汽參數要保證合適。在閥的切換過程中，蒸汽參數宜小不宜大，參數小時則閥開，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地延長，則系統中每一控制周期內閥門變化量較小，負荷的波動也較小。 同時，切換時間的延長，功率回路和調節級壓力同路的調節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有投入協調控制、投入功率回路和調節級壓力回路幾種方式。 其中投入協調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節， 這樣的調節方式容易使閥門的流量特性曲線與實際流量特性產生較大的差異，進而容易引起擾動。 而用投入功率回路和調節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， 由于功率回路和調節級壓力回路的自動校正功能使流量值變得穩定，功率也能恢復到穩定過程，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 結語

電能是當前使用量最大、對我國社會的穩定發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量必須要高。 對于汽輪機組發電過程中出現的負荷波動，必須采取正確的方法予以解決，這樣才能為我國經濟社會建設做出更大的貢獻。

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