燃煤火電機組和常規水電機組主要故障對電網的影響及電力調度員的應對措施

竇建中，鄢發齊，江保鋒，吳海寧

（1.國家電網華中電力調控分中心，湖北 武漢 430077；2.湖北華中電力科技開發有限責任公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

截至2016年底，全國各類型發電裝機容量占比如圖1所示，火電裝機容量105 388×104kW，占比64%（其中燃煤火電裝機94 259×104kW，占比57.24%），水電裝機容量33 211×104kW，占比20%（其中常規水電裝機30 542×104kW，占比18.39%）[1]。由圖1可知，雖然近年來新能源機組裝機容量保持高速增長，但是燃煤火電機組（以下簡稱火電機組）和常規水力發電機組（以下簡稱水電機組）仍然占主要地位。隨著技術進步，燃煤火電機組和常規水力發電機組單機容量在不斷增大，單機容量600 MW和1 000 MW火電機組已成為主流，白鶴灘水電站將安裝16臺世界單機容量最大的1 000 MW的水電機組，三峽、白鶴灘、烏東德、溪洛渡、向家壩單機容量均超過700 MW。大容量發電機組故障對電網的影響很大，容易造成頻率越限，備用容量不足，輸電斷面越限，電網波動甚至震蕩等問題。火電機組和水電機組由數量眾多、構造復雜、運行條件苛刻的設備共同組成，由于設備原因造成的發電機組故障時有發生[2-6]。電力調度員在值班期間應加強對發電機組運行狀態的監視，必須清楚發電機組主要設備故障及其后果以及應對的措施，便于及時有效地采取合理方法，應對突發情況。

圖1 全國各類型發電裝機容量（截至2016年底，單位：104kW）Fig.1 National installed capacity of various types of power generation(at the end of 2016,unit:104kW)

1 燃煤火電機組主要故障及后果

1.1 主要設備

圖2是燃煤火電機組主要設備組成框圖[7]，燃煤火電機組有3大主機，分別是鍋爐、汽輪機和發電機，圍繞3大主機有多種輔機，共同構成3大系統，即燃燒系統、汽水系統和電氣系統。燃燒系統主要設備有鍋爐本體（“爐”部分）、磨煤機、一次風機、送風機、引風機、撈渣機、電除塵、脫硫系統、脫硝系統等，汽水系統主要有鍋爐本體（“鍋”部分）、汽輪機本體、凝汽器、凝結水泵、給水泵、高/低壓加熱器、除氧器等，電氣系統主要有發電機本體、變壓器等。

圖2 燃煤火電機組主要設備Fig.2 Main equipments of coal-fired thermal power units

1.2 主要故障及后果

表1列出了燃煤火電機組3大主機及附屬設備或系統的主要故障及后果。省煤器、水冷壁、過熱器和再熱器并稱鍋爐“四管”，“四管”的主要故障是泄漏，一般都會導致機組直接跳閘或者被迫停機處理；一次風機、送風機、引風機、給水泵主要故障是因主軸震動大而跳閘，一般會影響50%出力，但不會導致直接跳閘；凝汽器主要故障是因泄漏導致真空低，一般會導致機組跳閘；磨煤機、撈渣機主要故障是因煤質差而堵塞，脫硫脫硝系統是環保排放指標不達標，一般會影響部分出力；勵磁系統故障會導致機組直接跳閘，或者有功、無功功率波動；PSS異常還會直接影響電力系統穩定性，一次調頻異常會對電網調頻造成不良影響。

2 常規水電機組主要故障及后果

2.1 主要設備

圖3是安裝軸流立式水力發電機組的壩后式水電站示意圖，其中水電機組由水輪機和發電機兩部分組成。水輪機設備包括導葉、受油器、接力器、控制環、頂蓋、支持蓋、座環、蝸殼、底環、轉輪體、轉輪室、輪葉、泄水錐、尾水管等；發電機設備包括定子、轉子、勵磁機、上機架、上擋風板、下擋風板、下風罩、推力軸承、推力支架、冷卻器等。

圖3 水電站示意圖Fig.3 Schematic of hydroelectric station

2.2 主要故障及后果

表2列出了常規水電機組主要故障和后果，水輪機主要故障類型是本體擺度、振動超限，油系統、氣系統壓力和溫度異常；發電機除上導軸承和推力軸承故障外，其它故障和火力發電機組相同。水電機組故障基本需要停機處理或者直接跳閘，不能堅持運行。由于水電機組沒有類似鍋爐等運行在高溫高壓極端條件下的設備，故障率明顯低于火電機組。

表1 燃煤火電機組主要故障及后果Tab.1 Main faults and consequences of coal-fired thermal units

3 發電機組故障對電網影響及電力調度員的應對措施

3.1 發電機組故障對電網影響

發電機組故障對電網的影響主要是減出力、跳閘造成的有功缺額和有功、無功功率波動對電網造成的擾動。以下是3臺火電機組和某水電廠故障時的功率曲線：圖4是某1 000 MW容量火電機組1臺一次風機故障，RB動作不成功，導致機組跳閘的有功功率曲線；圖5是某1 000 MW容量火電機組6臺磨煤機中5臺因堵塞而中斷供煤，最終導致跳閘的有功功率曲線；圖6是某1 000 MW容量火電機組勵磁系統測量信號錯誤，無功功率和有功功率同時出現波動的曲線；圖7是某水電廠水庫水位出現周期性波動，全廠有功功率隨之波動的曲線。

圖4 某1 000 MW容量火電機組故障跳閘（一次風機故障）Fig.4 1 000 MW capacity thermal power unit fault trip(a fan failure)

表2 常規水電機組主要故障及后果Tab.2 Main faults and consequences of conventional hydroelectric units

圖5 某1 000 MW容量火電機組故障跳閘（磨煤機故障）Fig.5 1 000 MW capacity thermal power unit fault trip(pulverizer failure)

在迎峰度夏、迎峰度冬等負荷高峰，或有大面積停電風險的檢修工作進行期間，大型發電機組減出力、跳閘可能會造成電網頻率越限，低頻切負荷裝置動作，備用容量不足，輸電斷面越限，拉閘限電或有序用電，大型發電機組有功、無功波動可能引發電網震蕩。

（1）電網頻率越限，低頻切負荷裝置動作。在電網負荷高峰期，發電出力低于用電負荷，電網頻率較低的情況下，突然有大型發電機組出力大幅突降或者跳閘，可能會導致電網頻率越下限，嚴重的導致低頻切負荷裝置動作，發生大面積停電事件。

（2）備用容量不足。為滿足正常供電和事故處理需要，電網備用容量比例應滿足要求；為滿足特高壓直流受端電網的功率受入能力，必須保證直流短路比不低于要求值，也要求電網的備用容量應滿足要求。大容量發電機組跳閘，會導致備用容量不足，增大停電風險，影響事故處理，降低直流輸送功率。

（3）輸電斷面越限，拉閘限電或有序用電。有大面積停電風險的檢修工作進行期間，與主網弱聯系的局部電網內部大型機組減出力或跳閘，可能會造成局部電網與主網聯系斷面越限，為控制斷面，要采取拉閘限電或有序用電措施。

圖6 某1 000 MW容量火電機組功率波動（勵磁系統故障）Fig.6 1 000 MW capacity thermal power unit fault trip(excitation system failure)

圖7 某水電廠有功功率波動（水位周期性波動）Fig.7 A hydroelectric station active power fluctuations(water level fluctuations)

3.2 電力調度員的應對措施

電力調度員應對大型發電機組故障導致的減出力、跳閘或功率波動措施主要有：

（1）掌握發電機組常見故障及后果，提高對故障的警惕性和敏銳度，保證第一時間采取正確的處理措施；

（2）加強對發電機組監視，借助技術支持系統，對發電機組出力變化及時發現；要求電廠值班人員有故障異常要第一時間匯報調度員，明確故障異常的影響；

（3）做好發用電平衡工作，留足備用容量，尤其是快速備用容量，避免出現長時間負荷高于發電出力的低頻狀態，備用容量可能不足時，及時開出備用機組，備用容量不足導致直流短路比不滿足要求的，應及時調減直流輸送功率；

（4）有大面積停電風險的檢修工作進行期間，應提前做好有序用電準備，發生機組減出力或跳閘造成輸電斷面越限的，應迅速采取有序用電措施，控制斷面不越限，盡量避免拉閘限電。

（5）對于發電機功率波動，調度員應借助技術支持系統迅速監視到波動的發生，準確定位波動源，確定波動對電網影響的程度，排除周邊電網故障對機組產生影響的可能，立即下令降低機組有功無功出力，退出機組PSS、一次調頻功能，排除PSS、一次調頻故障造成機組功率波動的可能，如果波動仍不能平息的，下令解列機組。

4 結論

燃煤火電機組和常規水電機組多種設備故障均會造成發電機減出力、跳閘或功率波動，在迎峰度夏、迎峰度冬等的負荷高峰，或有大面積停電風險的檢修工作進行等情況下，可能會造成電網頻率越限，低頻切負荷裝置動作，備用容量不足，輸電斷面越限，拉閘限電或有序用電。大型發電機組有功、無功波動可能引發電網震蕩。

電力調度員的應對措施包括熟悉常見故障，明確故障影響；借助技術支持系統加強監視，及時發現故障；保持發用電平衡，避免出現長時間發電低于負荷；及時開機，保證足夠的備用容量；有停電風險的檢修工作期間，做好有序用電措施，避免緊急情況下的拉閘限電；迅速定位波動源，降低出力或解列機組。

（References）

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