汽轮机阀门控制方式切换引发低频振荡的实例及其机理分析

刘钧

摘 要：汽轮机阀门控制方式的变化将会引起低频振荡现象，大型火力发电厂现有的阀门控制方式有单阀控制方式和顺序阀控制方式两种，低频振荡机理分为负阻尼机理和强迫振荡理论两种，当阀门控制方式由单阀控制方式转变为顺序阀控制方式时，汽轮机将会产生低频震动，产生这一低频震动的原因是基于强迫振荡理论之上的。本文将通过实例对汽轮机阀门控制方式切换引发的低频振荡的机理进行分析。

关键词：汽轮机；单阀控制系统；顺序阀控制系统；低频振荡

中图分类号：U664.12 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）05-0061-02

随着经济社会的不断发展，电力系统的也处于不断发展之中，为人类社会发展作出重要贡献，电力系统的根本问题即稳定问题，在快速励磁系统的不断引入和电网规模不断扩大二等过程中，电力系统不断出现不稳定振荡的问题，这一不稳定振荡成为了电网安全运行的重大隐患，可能会引发重大的停电事故，带来巨大的经济损失。电力系统在发展过程中存在着许多问题，例如汽轮机阀门控制方式切换引发低频振荡现象。汽轮机阀门控制方式切换引发低频振荡现象是由于快速励磁系统而引发的。为了解决这一低频振荡问题，就要对低频振荡的相关实例进行研究，掌握汽轮机阀门控制方式切换引发低频振荡的相关机理，防止低频振荡现象对于电网安全的影响。

1 建立阀门流量特性的汽轮机模型

一般的大型火力发电厂采用单阀控制方式和顺序阀控制方式两种控制系统，单阀控制系统指的是全部阀门保持相同的开度，在这种情况下，汽轮机能够均匀受热，但是会损耗大量的能量，成本较高；顺序阀控制方式指的是汽轮机在运作过程中机组高压调节阀门顺序开启，这会导致机组受热不均，但是机组损耗较小。因此应当将两种阀门控制方式结合起来，在汽轮机升负荷阶段采用单阀控制系统，在机组升温完成之后采用顺序阀控制方式。

在汽轮机工作过程之中，其阀门流量开度与通过阀门的蒸汽流量之间呈现正相关关系，蒸汽流量越高，阀门开度越大，当蒸汽流量接近一百时，阀门开度随蒸汽流量的变化幅度加快[1]。但是阀门开度与蒸汽流量的变化呈非线性关系，因此需要引入阀门流量特性修正网函数，具体计算二者之间的数值关系。

2 汽轮机阀门控制方式切换引发低频振荡的实例及其分析

2.1 汽轮机阀门控制方式切换引发低频振荡的实例

以我国南方某电厂的两台汽轮发电机组为例，两台发电机均为330MW的额定功率，两台汽轮机经检修无误之后投入使用，其中一台带220MW的负荷运行，另一台带230MW的负荷运行。当两台汽轮机经过一段时间的工作之后，将其中一台的阀门控制方式在单阀控制方式和顺序阀控制方式之间来回切换。这时，阀门切换状态下汽轮机的有功功率在186-279MW范围内波动，发生了低频率振荡。

2.2 汽轮机阀门控制方式切换引发低频振荡的实例分析

为了对汽轮机阀门控制方式切换引发的低频振荡进行分析，需要借助时域仿真这一工具。首先要建立起有效的电力系统模型，配合以自并励励磁方式，从而将汽轮机的频率变化以仿真形式表现出来。在进行仿真的过程中，汽轮发电机的初始有功功率为220MW，初始时使用单阀控制方式，在一段时间之后改用顺序阀控制方式后，其频率震动产生了等幅值的来回振荡，待退出工频控制系统之后振荡消失，这表明了控制方式的切换对汽轮机低频振荡所产生的影响。

3 汽轮机阀门控制方式切换引发低频振荡机理分析

3.1 负阻尼机理分析

负阻尼机理指的是，汽轮机自治系统在阀门控制方式发生变化从而产生扰动之后，其稳定性会发生相应变化，在阻尼为正的情况下，振荡的幅度将会衰减，在阻尼为负的情况下，振荡幅度将会逐渐增加。在这一过程中低频振荡的频率大小与系统在自然状态下的频率振动大小十分接近。

还有一种比较特殊的欠阻尼情况，就是当扰动的频率与系统固有频率相同时，系统可能产生共振型的欠阻尼低频振荡。若系统阻尼为零或者较小，则由于扰动的影响而出现不平衡转矩，使得系统的解为一等幅振荡形式，当扰动的频率和系统固有频率相等或接近时，这一响应就会因共振而被放大，从而引起共振型的低频振荡[2]。共振型低频振荡归根结底还是由于系统阻尼不足而引起，因此，是欠阻尼低频振荡的一种特殊情况。

3.2 强迫振荡理论分析

负阻尼机理是在汽轮机自治系统的前提下进行探究，而强迫震荡理论是在汽轮机的非自治系统下使用外力施加周期性扰动从而产生振荡。在这一情况下，阻尼的正负对汽轮机的振荡与否不产生影响，及时阻尼为负汽轮机依然会产生振荡，但是阻尼的大小依然影响着振动幅度的大小。强迫振荡理论的发生必须要有一个前提，那就是存在振动源，只有振动源存在，汽轮机才会发生振荡，且电力系统强迫功率振荡的频率与扰动源的振动频率相同。

3.3 汽轮机低频振荡机理分析

汽轮机产生低频振荡的原因是阀门控制方式由单阀控制方式转变为了顺序阀控制方式。因此顺序阀控制方式对汽轮机的振荡产生着至关重要的影响，需要对顺序阀控制方式下的閥门流量特性进行深入研究[3]。通过分析我们知道，汽轮机在顺序阀控制方式之下的阀门流量特性曲线不同于汽轮机制造商所提供的阀门流量特性曲线，CV和TCV曲线差距较大。由于原本的汽轮机控制系统的阀门流量修正函数就是按照制造商所提供的阀门流量特性曲线所制定的，因此当汽轮机的单阀控制方式转换为顺序阀控制方式之后，调节阀门与原有的流量修正函数之间的偏差会促使调节阀门产生较大幅度的波动，从而产生汽轮机的低频振荡。

在汽轮机有单阀控制方式转化为顺序阀控制方式之后，数据表明调节阀门开度在25%-100%这一个较大的范围内波动，阀门的大幅度波动进而导致了汽轮机流量的波动，汽轮机流量的波动又进而造成了汽轮机机械功率的周期性波动。

回到上文中国提到的案例，带220MW负荷运行的机组所发生的低频振荡是单机相对于电网的振荡，且其低频振荡频率在0.171Hz，此时机组本地模式低频振荡频率为1Hz左右，机组低频振荡频率与机组本地模式低频振荡频率不同。对这一数据进行分析，我们知道这一机组所产生的低频振荡不是由于负阻尼引起的本地模式振荡，而是由于阀门控制方式由单阀控制方式转变为顺序阀控制方式造成的汽轮机机械功率产生周期性变动，从而与生产商所提供的阀门流量曲线特性相去甚远，二者之间的偏差又最终导致了汽轮机产生低频震动，电力系统的强迫功率振荡。

4 结语

随着电力系统在社会生活中的广泛运用，电力系统中存在的诸多问题亟待解决，其中汽轮机阀门控制方式切换引发低频振荡问题就是一个值得分析的问题。汽轮机阀门控制方式的切换会导致电力系统的低频振荡，进而对电力系统的正常运行产生不利影响。汽轮机的低频振荡理论分为负阻尼机理和强迫振荡理论。一般的大型火力发电厂采用单阀控制方式和顺序阀控制方式两种控制系统，当阀门控制方式由单阀控制方式转变为顺序阀控制方式时，汽轮机会产生低频振荡，本文以南方某电厂汽轮机产生的低频振动为例进行研究，研究表明由于顺序阀控制方式控制之下的汽轮机所产生的阀门流量特性西征函数与生产商所提供的汽轮机阀门流量特性之间有较大的偏差，这就导致了在强迫振荡理论之下，汽轮机的调节汽门产生大幅振荡，进而导致了汽轮机机械功率的持续震荡，产生了汽轮机的低频振荡现象，对电力系统的正常运行产生不利影响。为了防止这一现象发生，需要加强对于汽轮机的维修保养，对汽轮机阀门控制系统的阀门流量特性进行定期修正和更新，保证电力系统的正常运行。

参考文献

[1]徐衍会，马骢，邓小文，蔡笋.汽轮机阀门控制方式切换引发低频振荡的实例及其机理分析[J].电力自动化设备，2015，35（03）：170-174.

[2]徐衍会，王珍珍，翁洪杰.一次调频试验引发低频振荡实例及机理分析[J].电力系统自动化，2013，37（23）：119-124.

[3]董清，张玲，颜湘武，刘学.电网中强迫共振型低频振荡源的自动确定方法[J].中国电机工程学报，2012，32（28）：68-75+17.