汽輪機中壓調節閥參與電力系統低頻振蕩的原因分析及預防措施

張寶，李必正，王異成，顧正皓，鮑文龍，樊印龍

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江省電力建設有限公司，浙江 寧波 315012）

0 引言

自誕生140余年來，電力系統一直受“振蕩”的困擾，抑制非工頻振蕩的努力貫穿了整個電力系統發展的歷程［1］。從相關報道看，振蕩頻率為0.1～2.5 Hz的LFO（低頻振蕩）與常規火電機組聯系最為密切，也最為常見［2］。電力系統低頻振蕩是多臺旋轉機組間的機電振蕩，突出的表現就是發電機組的有功功率有時伴隨汽輪機轉速振蕩，如果振蕩幅值不斷增加，極可能會導致電力系統崩潰［3］。為此，電網調度機構對電力系統低頻振蕩現象十分警惕，其通過網源協調在線監測系統，可以實時監測發電機組與低頻振蕩相關的功率、轉速、閥位等信息，有時會先于發電廠發現一些輕微的振蕩問題［4］。發電廠運行壓力較大，對此類問題普遍十分重視。

足夠的案例［5］與分析［6］表明，汽輪機高壓調節閥故障或配汽曲線線性不佳常會誘發或加劇電力系統低頻振蕩，通過對汽輪機組進行流量特性試驗、重新整定其配汽曲線，可以有效減少低頻振蕩發生的機率［7］。然而，這些措施主要是對汽輪機高壓調節閥引起或參與的低頻振蕩有效，在某些特殊工況下，部分型式的汽輪機中壓調節閥也會參與機組的有功調節，而目前很少有機組會進行中壓調節閥相關的流量特性試驗，使用的配汽曲線一般以設備廠提供的曲線為主，調節線性度得不到保證，因此極易造成低頻振蕩事件的發生。

1 典型案例

1.1 案例1

2022年6月，某東汽600 MW亞臨界機組，在負荷325 MW、AGC（自動發電控制）退出、一次調頻投入、功率回路控制方式投入的情況下，進行配汽方式切換。切換前后，主蒸汽壓力從8.64 MPa升高到9.65 MPa，汽輪機總流量指令從94.3%降到18.1%，汽輪機中調門開度由100%降至39%；隨后，機組負荷在314～344 MW振蕩，中壓調節閥開度在45%～31%之間振蕩，將機組控制方式由功率回路方式切換為手動閥位方式后，汽輪機中壓調節閥開度與機組功率振蕩現象消失。事后判斷，該機組發生了低頻振蕩，振蕩幅值最大約30 MW，持續時間2 min 27 s。

1.2 案例2

2016年9月，某上汽1 000 MW超超臨界機組在560 MW功率協調運行時，燃燒問題導致主蒸汽壓力突變，高壓旁路保護全開，再熱器壓力從3.0 MPa上升至3.85 MPa，中壓缸進汽量增大，低壓旁路打開，機組功率波動，汽輪機總流量指令從63%下降至50%左右，高壓調節閥流量指令下降至62%，中壓調節閥流量指令下降至79%，高壓調節閥關至18.3%，中壓調節閥關至30%，機組負荷從612 MW下降至500 MW，汽輪機高排溫度保護動作；高、中壓調節閥同時參與機組功率調節，功率在605～434 MW波動。事后分析認為，該機組出現了中壓調節閥參與的低頻振蕩現象，持續時間約1 min 15 s。

1.3 案例3

2021年4月，某上汽1 000 MW超超臨界機組在400 MW功率協調運行時，PMU（相量測量裝置）先后發生3次低頻振蕩報警，每次報警持續時間約為15～21 s不等。事后檢查發現，該機組發生了由一次調頻動作誘發、頻率為1.0 Hz、振幅為25 MW的低頻振蕩。振蕩發生時，汽輪機綜合閥位控制指令在50.55%～51.46%來回波動，高壓調節閥指令在18.50%～18.80%小幅波動，中壓調節閥指令在44%～58%來回波動，負荷在370～394 MW反復波動。

事后分析表明，中壓調節閥開度波動趨勢與機組功率波動趨勢相同，中壓調節閥參與功率調節，導致0.2 s內機組功率變化超過了10 MW，觸發PMU中低頻振蕩報警。機組當時處于深度調峰運行，運行主蒸汽壓力比設計值偏高1.8 MPa，而凝汽器真空比之前偏好2 kPa，兩者的共同作用使得同樣負荷下，綜合閥位指令比正常值小。該汽輪機綜合閥位指令低于56%時，中壓調節閥參與調節，但在主蒸汽壓力與背壓正常、400 MW負荷時，該值為58%，中調門不會參與調節。

上述3個案例的共同點是汽輪機中壓調節閥參與了機組功率調節，成為機組低頻振蕩的擾動源，火電機組運行時，應對此問題給予更多的關注。

2 中壓調節閥參與低頻振蕩的途徑

大型汽輪機的啟動方式一般有3種，分別是高壓缸啟動，中壓缸啟動以及高、中壓缸聯合啟動。啟動方式不同，中壓調節閥的作用也不相同，其參與低頻振蕩的途徑也有差異。另外，中壓調節閥參與機組供熱調節時，也會影響到機組的功率調節。

2.1 高壓缸啟動汽輪機

高壓缸啟動汽輪機的中壓調節閥在機組掛閘后、開始沖轉前就已全開，整個啟動過程中不參與轉速與功率的調節，除非汽輪機防超速功能動作［8］。對中壓調節閥進行閥門活動性試驗，尤其是全行程活動性試驗，會對機組功率有一定干擾，該試驗應在規定負荷下、按規定速率進行。在正常工作的情況下，中壓調節閥如果沒有出現機械故障、測量故障或熱工卡件故障，不會影響機組的功率調節，也就不會誘發或參與機組的低頻振蕩。

2.2 中壓缸啟動汽輪機

中壓缸啟動汽輪機的中壓調節閥參與汽輪機沖轉時的轉速控制與“倒缸”操作完成前的機組功率控制，“倒缸”操作完成以后，中壓調節閥接受汽輪機流量指令控制。典型的配汽曲線如圖1所示，案例1中機組的配汽曲線屬于該類型。

圖1 中壓缸啟動機組典型配汽曲線Fig.1 Steam distribution curves of medium-pressure cylinder startup unit

圖1中，CV表示汽輪機高壓調節閥，IV表示汽輪機中壓調節閥。從圖1可以看出，汽輪機總流量指令在25%以下時，IV開度減少，參與機組調節，開度隨流量指令的變化而快速變化。一般情況下，該類型中壓調節閥有效調節行程較短，開度在40%以上變化時，通過的蒸汽流量變化也較小，調節能力較差，但如果安裝有偏差或者變化劇烈時，機組功率也會有明顯反應。此時如果有一次調頻、功率閉環控制等回路反復作用，就會造成機組功率的來回晃動，從而誘發或加劇機組的低頻振蕩現象。

2.3 高、中壓缸聯合啟動汽輪機

高、中壓缸聯合啟動汽輪機的中壓調節閥參與汽輪機沖轉及帶初負荷控制，部分機型的中壓調節閥還參與高排溫度控制。機組正常運行時，中壓調節閥接受的指令為汽輪機流量指令與其他指令比較，小選后的輸出，典型的配汽曲線如圖2所示，案例2、案例3中機組的配汽曲線屬于該類型。該類型汽輪機的中壓調節閥對低頻振蕩的影響途徑與中壓缸啟動機組類似，但從實際情況看，由于其高、中壓調節閥開度重疊更大，中壓調節閥也更容易參與到機組的功率調節中，調節線性度不好時就很容易導致低頻振蕩發生。

圖2 高、中壓缸聯合啟動機組典型配汽曲線Fig.2 Typical steam distribution curves of high-pressure and medium-pressure cylinder united startup unit

2.4 中壓調節閥參與供熱

在確保運行安全的情況下［9］，通過關小汽輪機中壓調節閥，提高再熱壓力，確保機組深度調峰時對外供熱的品質，是不少機組的合理選擇［10］。部分機組甚至通過對汽輪機中壓調節閥進行機械改造、通過順序閥方式控制來滿足供熱的要求［11］。中壓調節閥參與供熱，一般采取以下兩種控制方式。

1）手動按設定步長與速率逐步關小中壓調節閥到規定開度并保持不變，確保供熱壓力，除增加節流損失外，機組功率調節基本不受影響。

2）中壓調節閥接受機組流量指令與抽汽量指令，綜合比較后形成調節閥開度指令，中壓調節閥開度實時變化。這種控制方式，對中壓調節閥流量特性的線性度要求較高，當外界條件發生快速波動，如控制不當時，也會影響機組功率，誘發低頻振蕩。

3 機組深調誘發低頻振蕩原因分析

近年來，隨著運行靈活性要求的提高，多數大型汽輪發電機組都具備了40%～100%額定負荷范圍內AGC運行的能力，部分機組AGC下限甚至達到30%額定負荷。在上述負荷范圍內，機組一次調頻功能也需要按規定投入，這種情況下，汽輪機中壓調節閥參與機組功率調節的概率大大提升，誘發或參與低頻振蕩的可能性增大。

3.1 影響汽輪機組功率的主要因素

一般地，汽輪機組功率可描述為：

式中：P為機組功率；p0為主蒸汽壓力；ψ為調節閥開度；pc為凝汽器壓力；γ代表汽輪機組熱力系統結構。

概括地說，機組的功率主要與上述4個因素有關。ψ一般被看作是綜合閥位，圖1與圖2所示的汽輪機配汽曲線的橫坐標所代表的意義基本與之相同。在凝汽器壓力、汽輪機熱力系統結構不變的情況下，汽輪機組功率下降時，ψ的值與當時的主蒸汽壓力密切相關，即與滑壓曲線相關。同一功率下，主蒸汽壓力高，ψ值小。以圖2為例，當綜合閥位指令低于56%時，中壓調節閥就開始關小，參與機組功率調節。

3.2 原因分析

為了提高機組運行經濟性，大型汽輪機組一般都以“定-滑-定”的方式滑壓運行，如圖3所示。圖3中的原滑壓曲線即為案例3中機組發生低頻振蕩時的滑壓曲線。為了保證機組具有規定的調頻能力，機組深調運行時，汽輪機高壓調節閥開度也會逐漸減小［12］，該動作通過降低汽輪機綜合閥位指令來進行。機組深調到40%額定負荷附近時，綜合閥位指令就有可能減小到中壓調節閥開始關的程度；如果此時凝汽器壓力因環境溫度、循環水過量等因素的影響偏低，綜合閥位指令就會更小，中壓調節閥也會關得更小；這種情況在冬季低負荷時更容易發生。

圖3 某1 000 MW機組優化前后的滑壓曲線Fig.3 Sliding pressure curves before and after optimization of a 1，000 MW unit

從圖2可以看出，中壓調節閥的開度隨綜合閥位指令的變化很快，目前很少有機組會對中壓調節閥的流量特性進行整定。當中壓調節閥與高壓調節閥一起控制機組負荷時，控制的精度往往很差，也就是說，一旦中壓調節閥參與機組功率控制，機組調節品質基本都會變差。為此，可適當降低機組深調運行時的主蒸汽壓力，如圖3中的新滑壓曲線所示。

然而，即使是深調運行，機組也要在合適的出力范圍內響應電網頻率的變化［13］，即其一次調頻功能必須投入。一般來說，汽輪機組的一次調頻能力隨主蒸汽壓力的降低而降低，多數機組為提高深調運行時的一次調頻能力，通常會提高低負荷段的主蒸汽壓力［14］，這使得同一負荷下的綜合閥位指令變小，本來不用關小的中壓調節閥也就參與了負荷調節。

需要指出的是，有的機組為了提高一次調頻響應能力，會縮小一次調頻死區，降低小頻差下的汽輪機轉速不等率，這無疑也會增加機組一次調頻功能動作的頻率，加大汽輪機調節閥動作的幅度，相當于給機組一個強迫擾動源，極大地增加了機組低頻振蕩的概率。實際上，中壓調節閥控制線性度普遍較差，它的參調會造成汽輪機轉速不等率更不可控，如果偏小過多，也會導致低頻振蕩的發生［15］。更有甚者，個別機組借用一次調頻回路設計理念來提高AGC響應水平，從減少低頻振蕩的角度看，這種做法不可取。

另外，現場經驗表明，多數機組在深度調峰負荷范圍（50%額定功率以下）內，PSS（電力系統穩定器）并不投用，相關參數也沒有整定。理論與實踐均表明，PSS能夠增加系統阻尼，對抑制電力系統低頻振蕩有極其重要的作用［16］，很多低頻振蕩事件之所以會發生，最重要的原因就是沒有投用PSS。另外，機組深調運行時，送出線路潮流常會發生改變，這也使得低頻振蕩現象更易出現。

綜上所述，深度調峰機組常因主蒸汽壓力偏高造成汽輪機綜合閥位指令比正常偏小，使得中壓調節閥參與機組功率調節，中壓調節閥調節線性度普遍較差，再加上一次調頻的頻繁動作，就會誘發低頻振蕩現象；機組PSS未投運，更會加劇這一問題；這就是機組深度調峰運行時低頻振蕩現象多發的主要原因。

4 建議措施

為了減少由汽輪機中壓調節閥引起的低頻振蕩現象，提出以下建議：

1）適當降低機組深調運行時的主蒸汽壓力，避免中壓調節閥過早地參與功率調節。

2）對中壓調節閥進行優化改型，使其具有良好的線性控制能力。

3）謹慎采取一次調頻優化措施，避免過度降低汽輪機實際轉速不等率。

4）定期對汽輪機進行流量特性試驗，確保其配汽方式切換時功率變化平緩，防止中壓調節閥介入。

5）中壓調節閥參與供熱控制的機組，應盡可能保持供熱負荷穩定，必要時可增設供熱蒸汽聯箱。

6）在機組深度調峰時，確保PSS全程投入，力求其投用范圍與一次調頻相同。

另外，建議將遠傳給調度機構的低頻振蕩報警信號接入集控室大屏報警，以便運行人員及時發現低頻振蕩問題，并采取相應措施［17］；也可以在DCS（分散控制系統）側增加機組低頻振蕩判據［18-19］，低頻振蕩發生時，自動撤出一次調頻功能，將汽輪機調節閥控制撤至手動方式［20］，從而快速平息機組低頻振蕩現象。發電廠應自覺加強對網源協調工作的重視與管理，相關參數與控制邏輯變更前后應做好充分評估與詳細備案。

5 結語

隨著火電機組深度調峰運行方式的普遍推廣，汽輪機中壓調節閥參與機組功率調節的可能性大增。技術的發展也使得汽輪機組的調節方式更具多樣性，中壓調節閥會以更多的方式參與調節，從而影響機組的功率控制。若中壓調節閥使用不當，會造成電力系統低頻振蕩，這一問題值得各方重視。

既然中壓調節閥不可避免地會參與機組的功率控制，在設備制造時就需要提高其可靠性與控制線性度，運行維護時需要將其與高壓調節閥同樣看待，一旦發現異常，應及時處理，避免事件擴大。在機組控制優化時，需要充分考慮優化措施對中壓調節閥的影響，盡可能地避免其參與機組功率調節。

電力系統低頻振蕩問題是對常規火電機組的一個外在制約條件，是網源協調問題的集中體現。中壓調節閥的介入，使得考慮這一問題時多了一個觀察對象，在多數機組參與深調運行的電網，有必要將其納入網源協調在線監測系統重點監測。