汽轮机单阀-顺序阀切换造成电力系统振荡分析

苏顺亮

（延吉热电厂，吉林 延吉 133000）

电力作为一种清洁能源， 是当前我国大力提倡使用的能源。 电力能源的广泛使用，为我国当前的经济社会的进一步发展做出了较大的贡献，但是，在电力能源使用过程中，需要保证电能质量达到用户的要求。电力能源的来源有许多种，但是当前我国还是以火力发电和水力发电为主，其中，火力发电时，依靠的是煤炭等能源燃烧，供热给水，产生水蒸气，水蒸气驱动汽轮机，进而带动发电机运转产生电能。 在这个产生电能的过程中，会出现电压波动等影响电能质量的问题，也即是电力系统的振荡。

1 电力系统振荡概述

电力系统振荡是指电力系统中的某一或者多种电磁参量随着时间发生变化。电力系统振荡产生的原因主要有：输电线路的输送功率比允许的极大功率还要大， 进而对电路系统造成静态稳定破坏；电网发生短路故障，切除大容量的发电、输电或变电设备，负荷瞬间发生较大突变等造成电力系统暂态稳定破坏；电源间非同步合闸未能拖入同步。 电力系统振荡最严重的后果是引起系统崩溃，轻则导致各设备无法在额定工况下工作、系统保护误动作。

笔者所在电力公司曾经发生过一起由于汽轮机单向阀和顺序阀切换过程中产生功率波动进而造成电网系统振荡的事故。 事故的具体发生时间及情况如下：某电力公司的发电厂进行消缺工作，在消缺工作结束后，进行负荷的恢复作业。 当负荷升至148 兆瓦时，汽轮机阀门的运行方式为单阀形式，运用高压对汽门进行调节， 此时汽门开度为41%， 主蒸汽压力为15.34 兆帕，蒸汽温度为806K，再热蒸汽压力为1.73 兆帕，温度为800K，然后进行单阀-顺序阀的切换操作。 在切换的过程中，机组出现了负荷的波动情况，负荷波动在140～168 兆瓦之间。相关人员发现负荷波动后，立即将目标负荷重新设置为160 兆瓦，过了5 分钟又将目标负荷设置为168 兆瓦。 在4 分钟之后，完成由单阀向顺序阀的切换操作。 此时，负荷为170 兆瓦，高压调节汽门阀位于45.37%，主蒸汽压力为15.3 兆帕，温度为817K，再热蒸汽压力为1.8 兆帕，温度为794K。在机组人员进行单阀向顺序阀切换的过程中，机组功率出现了持续的波动，此时电网系统出现了强迫振荡。

2 单阀-顺序阀切换介绍

汽轮机主要依靠蒸汽进行驱动，汽轮机的转速与蒸汽量的多少息息相关，因此，要想控制汽轮机的转速，就需要控制蒸汽的量。 汽轮机进行蒸汽量管理时依靠的是阀门，而阀门的操作有单阀操作和顺序阀操作。 单阀操作的优点是在进行蒸汽量的调节时， 所有的调节阀都是全开状态， 采取的进汽方式是全周进汽。 这样能够使蒸汽轮机获得匀速的蒸汽量，因而汽轮机能够平稳地升温并运转，这样的过程热应力小。 但是单阀操作还是存在一种缺点，就是节流损失大，不经济。 顺序阀操作主要是为了满足机组并未满负荷运行时， 减少采用单阀操作时带来的节流损失，但是用这种方式控制机组进行启动时，升温加热过程并不均匀，容易产生较大的热应力。

单阀操作与顺序阀操作刚好能够克服彼此的缺点， 因此，结合汽轮机启动和运行过程的不同特点， 采取单阀和顺序阀相结合的操作，能够有效提高汽轮机发电的经济效益和电力质量。这个组合方式就是汽轮机启动时，采用单阀操作，待机组完成升温过程后，再采用顺序阀对负荷进行控制，从而完成汽轮机节流调节和喷嘴调节的快速切换， 能较好地解决汽轮机启动和运行过程中的均热要求与部分负荷经济性的冲突。

对于新的汽轮机组，为了使其能够膨胀均匀，保证运行的安全性， 汽轮机的生产厂家一般是规定新机组在投产半年内必须使用单阀方式运行， 在机组运行半年之后才切换为顺序阀运行方式。

3 单阀-顺序阀切换造成功率波动的原因

3.1 阀门流量曲线

阀在切换过程中，如果同时进行部分阀开大和部分阀关小的操作，而且开大阀增加的流量等于关小阀门所减少的流量，这时，在阀的切换过程中不会有蒸汽流量的变化，汽轮机就会在稳定的负荷处运行，不造成电网的扰动。 但是，由于阀门在切换过程中， 各个阀的开大关小操作是依据各阀门的流量特性曲线决定的，流量特性曲线基本上采用汽轮机的生产厂家提供的曲线。而厂家提供的曲线是一定理想状态下的，由于汽轮机安装过程、地点等不一致，各组阀的流量特性曲线容易发生变化。 如果阀门流量特性曲线与实际的阀的流量特性不一致， 则会造成阀切换过程中相同负荷指令下蒸汽流量不一样， 这样就容易引起汽轮机组的负荷出现大幅度波动。

3.2 切换时蒸汽参数变化

在进行阀的切换操作时，如果蒸汽的参数，尤其是主蒸汽的压力偏高，会造成进行阀门的调节操作时，开启阀位小，此时容易出现阀位波动较小而负荷波动较大的现象。另外，主蒸汽压力高容易使流量特性曲线与实际的流量产生严重的偏离， 会进一步加重负荷的波动。

3.3 阀的切换时间

当前，国内的单阀-顺序阀切换过程一般耗时2～3 分钟，或者5～10 分钟。如果切换时间过短，则在阀的切换过程中，相当于在同样的时间内，流量需要改变更大，则需要阀门动作迅速，这样容易产生负荷波动。

4 抑制单阀-顺序阀切换过程负荷波动的方法

4.1 测定机组实际流量特性曲线

流量特性曲线与实际流量的不一致是导致阀门切换过程中机组产生负荷波动的根本原因， 也是目前阀切换过程中最难避免的。 要想抑制汽轮机组在阀切换过程中的波动，可以采取的办法是，首先在安装好的汽轮机组中通过阀门试验，获取调节气阀的升程-流量特性曲线，获得顺序阀控制状态下阀门的最佳重叠度，然后依据试验数据对阀门管理程序中阀门流量特性曲线、重叠度等进行优化。

4.2 控制方式和参数选取要适宜

在汽轮机组的实际运行中，可以在现场结合以下方式对负荷波动进行控制：（1）投入功率回路或调节级压力回路。 采取这样的操作方式， 整个现场使用的机组均受到有功率反馈的闭环系统的控制，能够保证功率稳定。（2）蒸汽参数要保证合适。在阀的切换过程中，蒸汽参数宜小不宜大，参数小时则阀开，大不容易造成大的负荷波动。

4.3 切换时间合适

在汽轮机组单阀-顺序阀切换过程中， 如果阀的切换时间适当地延长，则系统中每一控制周期内阀门变化量较小，负荷的波动也较小。 同时，切换时间的延长，功率回路和调节级压力同路的调节作用使负荷扰动变得更小， 能有效消除阀切换时机组负荷的大幅波动。

4.4 操作方式

在进行单阀-顺序阀切换时， 汽轮机采用的控制系统有投入协调控制、投入功率回路和调节级压力回路几种方式。 其中投入协调控制是对阀位进行控制， 控制阀门的开度对机组功率和机前压力进行调节， 这样的调节方式容易使阀门的流量特性曲线与实际流量特性产生较大的差异，进而容易引起扰动。 而用投入功率回路和调节级压力回路方式进行阀的切换时， 则能保持功率的给定值稳定不变。 即使阀门的流量特性曲线与实际不一致， 由于功率回路和调节级压力回路的自动校正功能使流量值变得稳定，功率也能恢复到稳定过程，用这样的控制方式进行阀的切换不会造成较大的功率振荡。

5 结语

电能是当前使用量最大、对我国社会的稳定发展具有重要意义的能源，电力公司需要做好电能的供给工作，这其中就包括供给的电能的质量必须要高。 对于汽轮机组发电过程中出现的负荷波动，必须采取正确的方法予以解决，这样才能为我国经济社会建设做出更大的贡献。

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