汽轮机中压调节阀参与电力系统低频振荡的原因分析及预防措施

张宝，李必正，王异成，顾正皓，鲍文龙，樊印龙

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江省电力建设有限公司，浙江 宁波 315012）

0 引言

自诞生140余年来，电力系统一直受“振荡”的困扰，抑制非工频振荡的努力贯穿了整个电力系统发展的历程［1］。从相关报道看，振荡频率为0.1～2.5 Hz的LFO（低频振荡）与常规火电机组联系最为密切，也最为常见［2］。电力系统低频振荡是多台旋转机组间的机电振荡，突出的表现就是发电机组的有功功率有时伴随汽轮机转速振荡，如果振荡幅值不断增加，极可能会导致电力系统崩溃［3］。为此，电网调度机构对电力系统低频振荡现象十分警惕，其通过网源协调在线监测系统，可以实时监测发电机组与低频振荡相关的功率、转速、阀位等信息，有时会先于发电厂发现一些轻微的振荡问题［4］。发电厂运行压力较大，对此类问题普遍十分重视。

足够的案例［5］与分析［6］表明，汽轮机高压调节阀故障或配汽曲线线性不佳常会诱发或加剧电力系统低频振荡，通过对汽轮机组进行流量特性试验、重新整定其配汽曲线，可以有效减少低频振荡发生的机率［7］。然而，这些措施主要是对汽轮机高压调节阀引起或参与的低频振荡有效，在某些特殊工况下，部分型式的汽轮机中压调节阀也会参与机组的有功调节，而目前很少有机组会进行中压调节阀相关的流量特性试验，使用的配汽曲线一般以设备厂提供的曲线为主，调节线性度得不到保证，因此极易造成低频振荡事件的发生。

1 典型案例

1.1 案例1

2022年6月，某东汽600 MW亚临界机组，在负荷325 MW、AGC（自动发电控制）退出、一次调频投入、功率回路控制方式投入的情况下，进行配汽方式切换。切换前后，主蒸汽压力从8.64 MPa升高到9.65 MPa，汽轮机总流量指令从94.3%降到18.1%，汽轮机中调门开度由100%降至39%；随后，机组负荷在314～344 MW振荡，中压调节阀开度在45%～31%之间振荡，将机组控制方式由功率回路方式切换为手动阀位方式后，汽轮机中压调节阀开度与机组功率振荡现象消失。事后判断，该机组发生了低频振荡，振荡幅值最大约30 MW，持续时间2 min 27 s。

1.2 案例2

2016年9月，某上汽1 000 MW超超临界机组在560 MW功率协调运行时，燃烧问题导致主蒸汽压力突变，高压旁路保护全开，再热器压力从3.0 MPa上升至3.85 MPa，中压缸进汽量增大，低压旁路打开，机组功率波动，汽轮机总流量指令从63%下降至50%左右，高压调节阀流量指令下降至62%，中压调节阀流量指令下降至79%，高压调节阀关至18.3%，中压调节阀关至30%，机组负荷从612 MW下降至500 MW，汽轮机高排温度保护动作；高、中压调节阀同时参与机组功率调节，功率在605～434 MW波动。事后分析认为，该机组出现了中压调节阀参与的低频振荡现象，持续时间约1 min 15 s。

1.3 案例3

2021年4月，某上汽1 000 MW超超临界机组在400 MW功率协调运行时，PMU（相量测量装置）先后发生3次低频振荡报警，每次报警持续时间约为15～21 s不等。事后检查发现，该机组发生了由一次调频动作诱发、频率为1.0 Hz、振幅为25 MW的低频振荡。振荡发生时，汽轮机综合阀位控制指令在50.55%～51.46%来回波动，高压调节阀指令在18.50%～18.80%小幅波动，中压调节阀指令在44%～58%来回波动，负荷在370～394 MW反复波动。

事后分析表明，中压调节阀开度波动趋势与机组功率波动趋势相同，中压调节阀参与功率调节，导致0.2 s内机组功率变化超过了10 MW，触发PMU中低频振荡报警。机组当时处于深度调峰运行，运行主蒸汽压力比设计值偏高1.8 MPa，而凝汽器真空比之前偏好2 kPa，两者的共同作用使得同样负荷下，综合阀位指令比正常值小。该汽轮机综合阀位指令低于56%时，中压调节阀参与调节，但在主蒸汽压力与背压正常、400 MW负荷时，该值为58%，中调门不会参与调节。

上述3个案例的共同点是汽轮机中压调节阀参与了机组功率调节，成为机组低频振荡的扰动源，火电机组运行时，应对此问题给予更多的关注。

2 中压调节阀参与低频振荡的途径

大型汽轮机的启动方式一般有3种，分别是高压缸启动，中压缸启动以及高、中压缸联合启动。启动方式不同，中压调节阀的作用也不相同，其参与低频振荡的途径也有差异。另外，中压调节阀参与机组供热调节时，也会影响到机组的功率调节。

2.1 高压缸启动汽轮机

高压缸启动汽轮机的中压调节阀在机组挂闸后、开始冲转前就已全开，整个启动过程中不参与转速与功率的调节，除非汽轮机防超速功能动作［8］。对中压调节阀进行阀门活动性试验，尤其是全行程活动性试验，会对机组功率有一定干扰，该试验应在规定负荷下、按规定速率进行。在正常工作的情况下，中压调节阀如果没有出现机械故障、测量故障或热工卡件故障，不会影响机组的功率调节，也就不会诱发或参与机组的低频振荡。

2.2 中压缸启动汽轮机

中压缸启动汽轮机的中压调节阀参与汽轮机冲转时的转速控制与“倒缸”操作完成前的机组功率控制，“倒缸”操作完成以后，中压调节阀接受汽轮机流量指令控制。典型的配汽曲线如图1所示，案例1中机组的配汽曲线属于该类型。

图1 中压缸启动机组典型配汽曲线Fig.1 Steam distribution curves of medium-pressure cylinder startup unit

图1中，CV表示汽轮机高压调节阀，IV表示汽轮机中压调节阀。从图1可以看出，汽轮机总流量指令在25%以下时，IV开度减少，参与机组调节，开度随流量指令的变化而快速变化。一般情况下，该类型中压调节阀有效调节行程较短，开度在40%以上变化时，通过的蒸汽流量变化也较小，调节能力较差，但如果安装有偏差或者变化剧烈时，机组功率也会有明显反应。此时如果有一次调频、功率闭环控制等回路反复作用，就会造成机组功率的来回晃动，从而诱发或加剧机组的低频振荡现象。

2.3 高、中压缸联合启动汽轮机

高、中压缸联合启动汽轮机的中压调节阀参与汽轮机冲转及带初负荷控制，部分机型的中压调节阀还参与高排温度控制。机组正常运行时，中压调节阀接受的指令为汽轮机流量指令与其他指令比较，小选后的输出，典型的配汽曲线如图2所示，案例2、案例3中机组的配汽曲线属于该类型。该类型汽轮机的中压调节阀对低频振荡的影响途径与中压缸启动机组类似，但从实际情况看，由于其高、中压调节阀开度重叠更大，中压调节阀也更容易参与到机组的功率调节中，调节线性度不好时就很容易导致低频振荡发生。

图2 高、中压缸联合启动机组典型配汽曲线Fig.2 Typical steam distribution curves of high-pressure and medium-pressure cylinder united startup unit

2.4 中压调节阀参与供热

在确保运行安全的情况下［9］，通过关小汽轮机中压调节阀，提高再热压力，确保机组深度调峰时对外供热的品质，是不少机组的合理选择［10］。部分机组甚至通过对汽轮机中压调节阀进行机械改造、通过顺序阀方式控制来满足供热的要求［11］。中压调节阀参与供热，一般采取以下两种控制方式。

1）手动按设定步长与速率逐步关小中压调节阀到规定开度并保持不变，确保供热压力，除增加节流损失外，机组功率调节基本不受影响。

2）中压调节阀接受机组流量指令与抽汽量指令，综合比较后形成调节阀开度指令，中压调节阀开度实时变化。这种控制方式，对中压调节阀流量特性的线性度要求较高，当外界条件发生快速波动，如控制不当时，也会影响机组功率，诱发低频振荡。

3 机组深调诱发低频振荡原因分析

近年来，随着运行灵活性要求的提高，多数大型汽轮发电机组都具备了40%～100%额定负荷范围内AGC运行的能力，部分机组AGC下限甚至达到30%额定负荷。在上述负荷范围内，机组一次调频功能也需要按规定投入，这种情况下，汽轮机中压调节阀参与机组功率调节的概率大大提升，诱发或参与低频振荡的可能性增大。

3.1 影响汽轮机组功率的主要因素

一般地，汽轮机组功率可描述为：

式中：P为机组功率；p0为主蒸汽压力；ψ为调节阀开度；pc为凝汽器压力；γ代表汽轮机组热力系统结构。

概括地说，机组的功率主要与上述4个因素有关。ψ一般被看作是综合阀位，图1与图2所示的汽轮机配汽曲线的横坐标所代表的意义基本与之相同。在凝汽器压力、汽轮机热力系统结构不变的情况下，汽轮机组功率下降时，ψ的值与当时的主蒸汽压力密切相关，即与滑压曲线相关。同一功率下，主蒸汽压力高，ψ值小。以图2为例，当综合阀位指令低于56%时，中压调节阀就开始关小，参与机组功率调节。

3.2 原因分析

为了提高机组运行经济性，大型汽轮机组一般都以“定-滑-定”的方式滑压运行，如图3所示。图3中的原滑压曲线即为案例3中机组发生低频振荡时的滑压曲线。为了保证机组具有规定的调频能力，机组深调运行时，汽轮机高压调节阀开度也会逐渐减小［12］，该动作通过降低汽轮机综合阀位指令来进行。机组深调到40%额定负荷附近时，综合阀位指令就有可能减小到中压调节阀开始关的程度；如果此时凝汽器压力因环境温度、循环水过量等因素的影响偏低，综合阀位指令就会更小，中压调节阀也会关得更小；这种情况在冬季低负荷时更容易发生。

图3 某1 000 MW机组优化前后的滑压曲线Fig.3 Sliding pressure curves before and after optimization of a 1，000 MW unit

从图2可以看出，中压调节阀的开度随综合阀位指令的变化很快，目前很少有机组会对中压调节阀的流量特性进行整定。当中压调节阀与高压调节阀一起控制机组负荷时，控制的精度往往很差，也就是说，一旦中压调节阀参与机组功率控制，机组调节品质基本都会变差。为此，可适当降低机组深调运行时的主蒸汽压力，如图3中的新滑压曲线所示。

然而，即使是深调运行，机组也要在合适的出力范围内响应电网频率的变化［13］，即其一次调频功能必须投入。一般来说，汽轮机组的一次调频能力随主蒸汽压力的降低而降低，多数机组为提高深调运行时的一次调频能力，通常会提高低负荷段的主蒸汽压力［14］，这使得同一负荷下的综合阀位指令变小，本来不用关小的中压调节阀也就参与了负荷调节。

需要指出的是，有的机组为了提高一次调频响应能力，会缩小一次调频死区，降低小频差下的汽轮机转速不等率，这无疑也会增加机组一次调频功能动作的频率，加大汽轮机调节阀动作的幅度，相当于给机组一个强迫扰动源，极大地增加了机组低频振荡的概率。实际上，中压调节阀控制线性度普遍较差，它的参调会造成汽轮机转速不等率更不可控，如果偏小过多，也会导致低频振荡的发生［15］。更有甚者，个别机组借用一次调频回路设计理念来提高AGC响应水平，从减少低频振荡的角度看，这种做法不可取。

另外，现场经验表明，多数机组在深度调峰负荷范围（50%额定功率以下）内，PSS（电力系统稳定器）并不投用，相关参数也没有整定。理论与实践均表明，PSS能够增加系统阻尼，对抑制电力系统低频振荡有极其重要的作用［16］，很多低频振荡事件之所以会发生，最重要的原因就是没有投用PSS。另外，机组深调运行时，送出线路潮流常会发生改变，这也使得低频振荡现象更易出现。

综上所述，深度调峰机组常因主蒸汽压力偏高造成汽轮机综合阀位指令比正常偏小，使得中压调节阀参与机组功率调节，中压调节阀调节线性度普遍较差，再加上一次调频的频繁动作，就会诱发低频振荡现象；机组PSS未投运，更会加剧这一问题；这就是机组深度调峰运行时低频振荡现象多发的主要原因。

4 建议措施

为了减少由汽轮机中压调节阀引起的低频振荡现象，提出以下建议：

1）适当降低机组深调运行时的主蒸汽压力，避免中压调节阀过早地参与功率调节。

2）对中压调节阀进行优化改型，使其具有良好的线性控制能力。

3）谨慎采取一次调频优化措施，避免过度降低汽轮机实际转速不等率。

4）定期对汽轮机进行流量特性试验，确保其配汽方式切换时功率变化平缓，防止中压调节阀介入。

5）中压调节阀参与供热控制的机组，应尽可能保持供热负荷稳定，必要时可增设供热蒸汽联箱。

6）在机组深度调峰时，确保PSS全程投入，力求其投用范围与一次调频相同。

另外，建议将远传给调度机构的低频振荡报警信号接入集控室大屏报警，以便运行人员及时发现低频振荡问题，并采取相应措施［17］；也可以在DCS（分散控制系统）侧增加机组低频振荡判据［18-19］，低频振荡发生时，自动撤出一次调频功能，将汽轮机调节阀控制撤至手动方式［20］，从而快速平息机组低频振荡现象。发电厂应自觉加强对网源协调工作的重视与管理，相关参数与控制逻辑变更前后应做好充分评估与详细备案。

5 结语

随着火电机组深度调峰运行方式的普遍推广，汽轮机中压调节阀参与机组功率调节的可能性大增。技术的发展也使得汽轮机组的调节方式更具多样性，中压调节阀会以更多的方式参与调节，从而影响机组的功率控制。若中压调节阀使用不当，会造成电力系统低频振荡，这一问题值得各方重视。

既然中压调节阀不可避免地会参与机组的功率控制，在设备制造时就需要提高其可靠性与控制线性度，运行维护时需要将其与高压调节阀同样看待，一旦发现异常，应及时处理，避免事件扩大。在机组控制优化时，需要充分考虑优化措施对中压调节阀的影响，尽可能地避免其参与机组功率调节。

电力系统低频振荡问题是对常规火电机组的一个外在制约条件，是网源协调问题的集中体现。中压调节阀的介入，使得考虑这一问题时多了一个观察对象，在多数机组参与深调运行的电网，有必要将其纳入网源协调在线监测系统重点监测。