上海電網(wǎng)燃?xì)鈾C組的調(diào)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?xì)鈾C組是必須要解決的問題。同時，上海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電網(wǎng)系統(tǒng)容量的不斷增加，無功功率的需求日益增長，出現(xiàn)無功功率不足的情況。為了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，可以采用燃?xì)鈾C組的快速反應(yīng)能力來實現(xiàn)無功功率不足的情況。文章針對上海地區(qū)燃?xì)鈾C組進(jìn)行燃機調(diào)相運行試驗。試驗結(jié)果表明，燃?xì)鈾C低有功功率運行時，穩(wěn)定性較好；驗證了小型燃?xì)鈾C組低有功功率運行可提供動態(tài)無功的范圍大；燃機低功率調(diào)相運行和正常運行狀態(tài)的切換時，穩(wěn)定性好。本次燃?xì)鈾C調(diào)相試驗數(shù)據(jù)對上海電網(wǎng)安全運行提供重要的試驗數(shù)據(jù)，為上海電網(wǎng)安全運行有著重要工程意義。

關(guān)鍵詞：燃?xì)鈾C；低有功功率；調(diào)相運行

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)展迅速，水電、風(fēng)電和太陽能發(fā)電的裝機規(guī)模分別達(dá)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(chǎn)力發(fā)展呈逆向分布，能源基地與負(fù)荷中心距離在500km～2000km左右。這導(dǎo)致我國電網(wǎng)中存在大量功率遠(yuǎn)距離傳輸，使得負(fù)荷中心受電比重不斷增大，而由于外來電的弱可控性，近區(qū)機組必須停機以消納外來電，容易導(dǎo)致負(fù)荷中心由于缺乏動態(tài)無功源而出現(xiàn)電壓問題。為確保電網(wǎng)極端運行狀態(tài)時的安全穩(wěn)定運行，需要采取非常規(guī)的應(yīng)對措施，燃機低功率調(diào)相運行即是行之有效的一種解決方式。燃機低功率調(diào)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(jù)電網(wǎng)需要，發(fā)出或吸收一定量的無功，在不影響上海電網(wǎng)總體調(diào)峰能力的前提下，大幅提升系統(tǒng)的動態(tài)無功支撐和調(diào)頻能力，對于緩解特高壓交直流近區(qū)受端電網(wǎng)存在的電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定問題示范作用顯著[4，5]。

在此背景下，研究燃?xì)鈾C組低功率調(diào)相運行技術(shù)，挖掘燃?xì)鈾C組低有功出力條件下的調(diào)相能力，提升燃?xì)鈾C組靈活性，全面提高系統(tǒng)調(diào)壓和新能源消納能力。因此，本論文中主要研究了上海電網(wǎng)的燃?xì)鈾C低有功功率下的運行能力、調(diào)相能力及調(diào)相運行和正常運行狀態(tài)的切換能力。這為上海電網(wǎng)的燃?xì)鈾C組低功率調(diào)相運行技術(shù)研究及應(yīng)用提供了重要參考依據(jù)和試驗數(shù)據(jù)。

1 燃?xì)鈾C組與各種類型機組的優(yōu)劣對比

目前投入運行且能夠調(diào)相的機組主要有火電機組、水電機組、抽水蓄能機組及燃?xì)鈾C組[6]。

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

上海地區(qū)燃?xì)鈾C組相對水電機組和抽水蓄能機組，有一定規(guī)模，利用小時數(shù)低、較長時間閑置；且典型的聯(lián)合循環(huán)燃機無回?zé)嵯到y(tǒng)，污染物排放少，相比燃煤火電機組，改為調(diào)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(fā)電量仍超過三分之二，是第一大主力。燃?xì)鈾C組與火電機組相比，具有以下優(yōu)點[9]：

（1）發(fā)電質(zhì)量好。由于發(fā)電機工作時只有旋轉(zhuǎn)運動，電調(diào)反應(yīng)速度快，工作特別平穩(wěn)，發(fā)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(fù)載時，機組集腋成裘駝行非常穩(wěn)定。優(yōu)于柴油發(fā)電機組的電氣性能指標(biāo)。

（2）啟動性能好，啟動成功率高。從冷態(tài)啟動成功后到滿負(fù)載的時間僅為30秒鐘，而國際規(guī)定柴油發(fā)電機啟動成功后3分鐘帶負(fù)載。燃?xì)廨啺l(fā)電機組可以在任何環(huán)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(zhuǎn)狀態(tài)，它的振動非常小，而且低頻噪聲優(yōu)于柴油發(fā)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?yōu)槿剂系陌l(fā)電機組不僅運行可靠，成本低，而且能變廢為寶，不會產(chǎn)生污染。

由于上海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電網(wǎng)系統(tǒng)容量的不斷增加，無功功率的需求日益增長，出現(xiàn)無功功率不足的情況。為了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，可以采用燃?xì)鈾C組的快速反應(yīng)能力來實現(xiàn)。因此，燃?xì)鈾C作空載和調(diào)相運行的必要性日益突出。

目前根據(jù)調(diào)研情況，上海地區(qū)現(xiàn)有燃機總臺數(shù)已超過50臺（套），有些電廠已采用燃?xì)獍l(fā)電機組開展了低功率調(diào)相運行試驗，并取得成功。為了進(jìn)一步深入研究分析燃?xì)鈾C低功率調(diào)相運行對大受端城市電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響，需要重點分析燃?xì)鈾C低有功功率下的運行能力、調(diào)相能力及調(diào)相運行和正常運行狀態(tài)的切換能力。

2 燃機低有功功率運行能力

燃?xì)廨啓C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(qū)燃機低有功功率下的運行能力，針對上海某燃機發(fā)電有限公司某機組的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行燃機低功率工況下的運行能力分析。有功50MW負(fù)荷的試驗從13：27開始至14：20結(jié)束，試驗數(shù)據(jù)，如表1所示。

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

溫度方面，上海申能臨港燃機發(fā)電有限公司4號發(fā)電機所有溫度測點溫度均不超標(biāo)，最高溫度點出現(xiàn)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(rèn)為發(fā)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(gòu)成威脅。

廠用電方面，有功50MW負(fù)荷時，無功約為9.7Mvar，功率因數(shù)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(shè)備未出現(xiàn)超溫等異常現(xiàn)象。

3 燃?xì)鈾C低有功功率下的調(diào)相能力

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

本次調(diào)研試驗數(shù)據(jù)中，包含了機組的滯相、進(jìn)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(jìn)相發(fā)出無功功率的極限值。本次滯相、進(jìn)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(diào)整。上海某電廠1號機帶廠用電滯相和進(jìn)相試驗數(shù)據(jù)，如表2所示。

3.1 滯相運行

無功調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)無功后，1號發(fā)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(diào)至7檔，使得6kV母線電壓維持在6.35kV。

3.2 進(jìn)相運行

無功調(diào)節(jié)前1號機組有功功率5MW，無功功率7MVar，發(fā)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(fā)電機盡可能多的從系統(tǒng)中吸收無功，無功調(diào)節(jié)過程中手動將1號發(fā)電機低勵限制器整定至從-0.2改為-0.4。

調(diào)節(jié)無功后，1號發(fā)電機所發(fā)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(diào)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(diào)相能力，如圖1所示。

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

燃機滯相、進(jìn)相時，機端電壓和廠用電電壓會隨之變化，需要密切監(jiān)視其變化，其中，機端電壓極限限制了滯相、進(jìn)相能力，調(diào)節(jié)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(diào)相試驗，驗證了機組可以提供動態(tài)無功的范圍，燃機調(diào)相對解決上海電網(wǎng)有功負(fù)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(zhì)量的有效而且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施。

4 燃機低功率調(diào)相運行和正常運行狀態(tài)的切換

為了分析燃機低功率調(diào)相運行和正常運行狀態(tài)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(diào)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(diào)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(jìn)相運行時，有功在30%PN以上時，隨著有功下降，機組進(jìn)相能力加深，從30% PN繼續(xù)下降，機組進(jìn)相能力并未進(jìn)一步有效提升。同樣，功角、溫度在本次試驗中不構(gòu)成限制條件，最終限制機組進(jìn)相的主要為機端電壓。

5 結(jié)束語

本文通過上海電網(wǎng)的燃?xì)鈾C低有功功率下的運行能力、調(diào)相能力及調(diào)相運行和正常運行狀態(tài)的切換試驗，得到如下結(jié)論：

（1）燃?xì)鈾C低有功功率運行時，穩(wěn)定性較好；所有溫度測點溫度均不超標(biāo)；廠用重要設(shè)備未出現(xiàn)超溫等異常現(xiàn)象。通過試驗證明燃?xì)鈾C低功率運行是解決缺乏動態(tài)無功源的有效方法。

（2）通過機組的滯相和調(diào)相試驗，驗證了機組可以提供動態(tài)無功的范圍，燃機調(diào)相對解決上海電網(wǎng)有功負(fù)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(zhì)量的有效而且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施。

（3）燃機低功率調(diào)相運行和正常運行狀態(tài)的切換時，

穩(wěn)定性好。不受于功角和溫度的限制，機端電壓為限制機組進(jìn)相的主要因素。

本文試驗分析的燃?xì)鈾C低有功功率調(diào)相，為上海地區(qū)缺乏動態(tài)無功源而出現(xiàn)電壓問題的治理和優(yōu)化設(shè)計提供了重要的試驗數(shù)據(jù)。

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