劉鈞

摘 要：汽輪機閥門控制方式的變化將會引起低頻振蕩現(xiàn)象，大型火力發(fā)電廠現(xiàn)有的閥門控制方式有單閥控制方式和順序閥控制方式兩種，低頻振蕩機理分為負阻尼機理和強迫振蕩理論兩種，當閥門控制方式由單閥控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)轫樞蜷y控制方式時，汽輪機將會產(chǎn)生低頻震動，產(chǎn)生這一低頻震動的原因是基于強迫振蕩理論之上的。本文將通過實例對汽輪機閥門控制方式切換引發(fā)的低頻振蕩的機理進行分析。

關(guān)鍵詞：汽輪機；單閥控制系統(tǒng)；順序閥控制系統(tǒng)；低頻振蕩

中圖分類號：U664.12 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）05-0061-02

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的也處于不斷發(fā)展之中，為人類社會發(fā)展作出重要貢獻，電力系統(tǒng)的根本問題即穩(wěn)定問題，在快速勵磁系統(tǒng)的不斷引入和電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大二等過程中，電力系統(tǒng)不斷出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩的問題，這一不穩(wěn)定振蕩成為了電網(wǎng)安全運行的重大隱患，可能會引發(fā)重大的停電事故，帶來巨大的經(jīng)濟損失。電力系統(tǒng)在發(fā)展過程中存在著許多問題，例如汽輪機閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩現(xiàn)象。汽輪機閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩現(xiàn)象是由于快速勵磁系統(tǒng)而引發(fā)的。為了解決這一低頻振蕩問題，就要對低頻振蕩的相關(guān)實例進行研究，掌握汽輪機閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩的相關(guān)機理，防止低頻振蕩現(xiàn)象對于電網(wǎng)安全的影響。

1 建立閥門流量特性的汽輪機模型

一般的大型火力發(fā)電廠采用單閥控制方式和順序閥控制方式兩種控制系統(tǒng)，單閥控制系統(tǒng)指的是全部閥門保持相同的開度，在這種情況下，汽輪機能夠均勻受熱，但是會損耗大量的能量，成本較高；順序閥控制方式指的是汽輪機在運作過程中機組高壓調(diào)節(jié)閥門順序開啟，這會導致機組受熱不均，但是機組損耗較小。因此應當將兩種閥門控制方式結(jié)合起來，在汽輪機升負荷階段采用單閥控制系統(tǒng)，在機組升溫完成之后采用順序閥控制方式。

在汽輪機工作過程之中，其閥門流量開度與通過閥門的蒸汽流量之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，蒸汽流量越高，閥門開度越大，當蒸汽流量接近一百時，閥門開度隨蒸汽流量的變化幅度加快[1]。但是閥門開度與蒸汽流量的變化呈非線性關(guān)系，因此需要引入閥門流量特性修正網(wǎng)函數(shù)，具體計算二者之間的數(shù)值關(guān)系。

2 汽輪機閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩的實例及其分析

2.1 汽輪機閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩的實例

以我國南方某電廠的兩臺汽輪發(fā)電機組為例，兩臺發(fā)電機均為330MW的額定功率，兩臺汽輪機經(jīng)檢修無誤之后投入使用，其中一臺帶220MW的負荷運行，另一臺帶230MW的負荷運行。當兩臺汽輪機經(jīng)過一段時間的工作之后，將其中一臺的閥門控制方式在單閥控制方式和順序閥控制方式之間來回切換。這時，閥門切換狀態(tài)下汽輪機的有功功率在186-279MW范圍內(nèi)波動，發(fā)生了低頻率振蕩。

2.2 汽輪機閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩的實例分析

為了對汽輪機閥門控制方式切換引發(fā)的低頻振蕩進行分析，需要借助時域仿真這一工具。首先要建立起有效的電力系統(tǒng)模型，配合以自并勵勵磁方式，從而將汽輪機的頻率變化以仿真形式表現(xiàn)出來。在進行仿真的過程中，汽輪發(fā)電機的初始有功功率為220MW，初始時使用單閥控制方式，在一段時間之后改用順序閥控制方式后，其頻率震動產(chǎn)生了等幅值的來回振蕩，待退出工頻控制系統(tǒng)之后振蕩消失，這表明了控制方式的切換對汽輪機低頻振蕩所產(chǎn)生的影響。

3 汽輪機閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩機理分析

3.1 負阻尼機理分析

負阻尼機理指的是，汽輪機自治系統(tǒng)在閥門控制方式發(fā)生變化從而產(chǎn)生擾動之后，其穩(wěn)定性會發(fā)生相應變化，在阻尼為正的情況下，振蕩的幅度將會衰減，在阻尼為負的情況下，振蕩幅度將會逐漸增加。在這一過程中低頻振蕩的頻率大小與系統(tǒng)在自然狀態(tài)下的頻率振動大小十分接近。

還有一種比較特殊的欠阻尼情況，就是當擾動的頻率與系統(tǒng)固有頻率相同時，系統(tǒng)可能產(chǎn)生共振型的欠阻尼低頻振蕩。若系統(tǒng)阻尼為零或者較小，則由于擾動的影響而出現(xiàn)不平衡轉(zhuǎn)矩，使得系統(tǒng)的解為一等幅振蕩形式，當擾動的頻率和系統(tǒng)固有頻率相等或接近時，這一響應就會因共振而被放大，從而引起共振型的低頻振蕩[2]。共振型低頻振蕩歸根結(jié)底還是由于系統(tǒng)阻尼不足而引起，因此，是欠阻尼低頻振蕩的一種特殊情況。

3.2 強迫振蕩理論分析

負阻尼機理是在汽輪機自治系統(tǒng)的前提下進行探究，而強迫震蕩理論是在汽輪機的非自治系統(tǒng)下使用外力施加周期性擾動從而產(chǎn)生振蕩。在這一情況下，阻尼的正負對汽輪機的振蕩與否不產(chǎn)生影響，及時阻尼為負汽輪機依然會產(chǎn)生振蕩，但是阻尼的大小依然影響著振動幅度的大小。強迫振蕩理論的發(fā)生必須要有一個前提，那就是存在振動源，只有振動源存在，汽輪機才會發(fā)生振蕩，且電力系統(tǒng)強迫功率振蕩的頻率與擾動源的振動頻率相同。

3.3 汽輪機低頻振蕩機理分析

汽輪機產(chǎn)生低頻振蕩的原因是閥門控制方式由單閥控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱隧樞蜷y控制方式。因此順序閥控制方式對汽輪機的振蕩產(chǎn)生著至關(guān)重要的影響，需要對順序閥控制方式下的閥門流量特性進行深入研究[3]。通過分析我們知道，汽輪機在順序閥控制方式之下的閥門流量特性曲線不同于汽輪機制造商所提供的閥門流量特性曲線，CV和TCV曲線差距較大。由于原本的汽輪機控制系統(tǒng)的閥門流量修正函數(shù)就是按照制造商所提供的閥門流量特性曲線所制定的，因此當汽輪機的單閥控制方式轉(zhuǎn)換為順序閥控制方式之后，調(diào)節(jié)閥門與原有的流量修正函數(shù)之間的偏差會促使調(diào)節(jié)閥門產(chǎn)生較大幅度的波動，從而產(chǎn)生汽輪機的低頻振蕩。

在汽輪機有單閥控制方式轉(zhuǎn)化為順序閥控制方式之后，數(shù)據(jù)表明調(diào)節(jié)閥門開度在25%-100%這一個較大的范圍內(nèi)波動，閥門的大幅度波動進而導致了汽輪機流量的波動，汽輪機流量的波動又進而造成了汽輪機機械功率的周期性波動。

回到上文中國提到的案例，帶220MW負荷運行的機組所發(fā)生的低頻振蕩是單機相對于電網(wǎng)的振蕩，且其低頻振蕩頻率在0.171Hz，此時機組本地模式低頻振蕩頻率為1Hz左右，機組低頻振蕩頻率與機組本地模式低頻振蕩頻率不同。對這一數(shù)據(jù)進行分析，我們知道這一機組所產(chǎn)生的低頻振蕩不是由于負阻尼引起的本地模式振蕩，而是由于閥門控制方式由單閥控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)轫樞蜷y控制方式造成的汽輪機機械功率產(chǎn)生周期性變動，從而與生產(chǎn)商所提供的閥門流量曲線特性相去甚遠，二者之間的偏差又最終導致了汽輪機產(chǎn)生低頻震動，電力系統(tǒng)的強迫功率振蕩。

4 結(jié)語

隨著電力系統(tǒng)在社會生活中的廣泛運用，電力系統(tǒng)中存在的諸多問題亟待解決，其中汽輪機閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩問題就是一個值得分析的問題。汽輪機閥門控制方式的切換會導致電力系統(tǒng)的低頻振蕩，進而對電力系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生不利影響。汽輪機的低頻振蕩理論分為負阻尼機理和強迫振蕩理論。一般的大型火力發(fā)電廠采用單閥控制方式和順序閥控制方式兩種控制系統(tǒng)，當閥門控制方式由單閥控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)轫樞蜷y控制方式時，汽輪機會產(chǎn)生低頻振蕩，本文以南方某電廠汽輪機產(chǎn)生的低頻振動為例進行研究，研究表明由于順序閥控制方式控制之下的汽輪機所產(chǎn)生的閥門流量特性西征函數(shù)與生產(chǎn)商所提供的汽輪機閥門流量特性之間有較大的偏差，這就導致了在強迫振蕩理論之下，汽輪機的調(diào)節(jié)汽門產(chǎn)生大幅振蕩，進而導致了汽輪機機械功率的持續(xù)震蕩，產(chǎn)生了汽輪機的低頻振蕩現(xiàn)象，對電力系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生不利影響。為了防止這一現(xiàn)象發(fā)生，需要加強對于汽輪機的維修保養(yǎng)，對汽輪機閥門控制系統(tǒng)的閥門流量特性進行定期修正和更新，保證電力系統(tǒng)的正常運行。

參考文獻

[1]徐衍會，馬驄，鄧小文，蔡筍.汽輪機閥門控制方式切換引發(fā)低頻振蕩的實例及其機理分析[J].電力自動化設備，2015，35（03）：170-174.

[2]徐衍會，王珍珍，翁洪杰.一次調(diào)頻試驗引發(fā)低頻振蕩實例及機理分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37（23）：119-124.

[3]董清，張玲，顏湘武，劉學.電網(wǎng)中強迫共振型低頻振蕩源的自動確定方法[J].中國電機工程學報，2012，32（28）：68-75+17.