浅析电网内部负荷冲击下燃气—蒸汽联合循环机组的应对策略

周灵宏

摘要：随着大容量冲击负荷的不断增加及分布越发广泛，冲击负荷对邻近电厂正常运行所造成的不利影响成为一个需要重点关注的问题。本文以燃气-蒸汽联合循环机组作为研究对象，对一起电网投入变压器后的负荷冲击实例进行了分析，探讨了冲击负荷对燃气蒸汽联合循环机组安全运行的影响，为机组更加可靠地应对电网负荷冲击提出了优化建议。

关键词：冲击负荷；燃气-蒸汽联合循环；安全

随着电力网结构的越来越庞大，大容量变压器的数量也在不断增加。系统中的负荷日趋复杂和多样，联系也日趋紧密。实际工作中，大容量变压器的投退不仅给电网带来了影响，也会对相邻电厂的负荷调整产生不安全因素。如何在变压器投退的冲击下既满足响应电网的调节要求，也保证自身的安全运行，是需要重视的一个问题。我公司位于滨海变和沥绍变之间，是该区域内重要的电源支点，即唐滨2Q01线、唐海2Q02线连接滨海变，沥绍2U37线、沥唐2U38线连接沥汇变。电网设备投退对于我公司机组的运行造成的波动也相对较频繁，分析电网设备尤其是变压器的投退对机组带来的不安全因素，能够为后续的运行和优化提供借鉴。

1、一起变压器投运造成的负荷波动实例

2017年06月09日19：30，根据省调操作预令票“滨海变220KV母线及#3主变扩建启动”上的状态颜色显示，该段时间滨海变#3主变进行冲击、核相、带负荷试验，20：08滨海变#3主变第三次冲击，20：08：03#1机组一次调频动作，经查TCS曲线上的数据显示，机组转速由3000rpm最大波动至3006.75rpm，CSO由60.96%最大波动至55.2%，值班燃料阀开度由38.64%最大波动至97.37%，负荷由301.2MW最大波动至183.77MW，机组振动1X由46.8微米最大波动至130.8微米，瞬间各参数恢复正常，现场检查燃机本体无异常。

2、冲击负荷对发电机组影响

一般来说，冲击负荷对机组的影响，主要包括两个方面：其一，冲击负荷引起的无功和有功冲击，会造成发电机组机端电压和频率（转子转速）的波动，发电机组的励磁系统和调速系统会对此作出反应，调整电压和频率以平抑变化；其二，冲击负荷引起的暂态扭矩冲击，对机组轴系扭振的强度安全性会产生不利的影响[1]。

本次电网负荷冲击事件，经分析是由滨海变#3主变冲击时合闸相位角等因素造成的。在机组负荷变化的瞬间，因变压器投运造成了无功冲击，无功负荷的波动相对更加剧烈，励磁系统与无功负荷的变化一致，且在调整前后的参数并无太大差别，很好的平抑了无功的波动。在发电机组机端电压和频率（转子转速）的波动产生时，燃机的燃料调整系统也很快速的做出了反应，输出指令迅速改变。但因机组TCS系统操作端设定的负荷指令并未发生变化，机组输出负荷与设定负荷指令瞬间产生了较大的差值，所以CSO信号尤其是MFPLFCSO的输出明显超调，达到了100%。IGV（压气机进口可转导叶）和BYOPASS（燃烧室旁通空气阀）的指令和开度也相应受到了影响，但因为这两个阀门的开度指令更多地是取决于燃机排气温度和与之对应的系统内设基准曲线，所以变化幅度并不剧烈。

冲击负荷还引起了明显的暂态扭矩冲击，对轴系的振动造成了影响，尤其是燃机的两个支撑轴承#1轴承和#2轴承。#1轴承X相振动已超过了报警值（报警值为125μm），#2轴承的X相和Y相振动也都超过了100μm。

3、机组控制系统的调节

在燃气—蒸汽联合循环机组的负荷控制系统中，发电机组通过出口功率变送器采集功率数据，得到机组输出负荷，又以汽轮机中压进汽压力计算出汽轮机负荷，两者相减得到的负荷即为控制系统追踪的当前燃机负荷。在机组TCS系统收到启动完成的信号后，汽轮机进汽调节阀全开进行滑压调节，只有在阀前压力低于其最小的压力设定值时才会关闭并调节压力。在类似的电网负荷冲击带来的暂态变化中，因锅炉的滞后和蓄热能力，调节阀前的压力并不会有明显变化，其本身也不会动作，所有对负荷波动的调节反馈均在燃机控制系统中完成。

燃机根据发电机输出、IGV开度指令、进气温度、进气流量与燃气轮机旁通比（燃气轮机旁通空气流量/进气空气流量）、大气压比（大气压/标准气压）来计算出主燃烧负荷指令（MFCLCSO）[2]，如图3-1所示。

图3-1M701F4燃气轮机的MFCLCSO控制逻辑框图

计算出的MFCLCSO通过影响PLCSO和THCSO的输出，最终调节值班燃料流量控制阀、顶环燃料流量控制阀、主燃料流量控制阀A和主燃料流量控制阀B的实际开度，如图3-2所示。

图3-2M701F4型燃气轮机燃料分配控制示意图

4、结论

本次的电网波动时间很短，电网整体的稳定性也未受影响。而在机组控制系统的调节下，该机组机组的运行状态在2s后即基本恢复了稳定。对于燃气机组，在大的负荷冲击下，应该发挥机组控制系统的自动调节能力，切忌盲目进行手动干预。但是通过分析，发现仍存在一些隐患。

一是有功功率输出畸变会造成机组快速降负荷甚至跳闸的可能[3]。该机组TCS控制系统是采用3个有功功率变送器来测量机组的实发功率，三取中作为最终测量值，参与机组有功调节；当3个信号中任意2个故障，机组应立即跳闸，在同类机组中也已经发生过功率变送器输出异常造成跳机事件。为了保证机组实发有功功率信号的稳定性和可靠性，对功率变送器除定期校验外，还应以历年电网内部冲击数据为参照，进行逻辑的优化，屏蔽极短时间内功率输出大幅度波动可能触发的跳机信号。还可以考虑更换技术更为先进的智能功率变送器，过滤电网的暂态波动。

二是在电网暂态波动下，燃机轴承振动变化幅度大且超报警值。原因是燃机的燃料输出信号变化造成了燃料控制阀的实际动作，间接影响了IGV和BYPASS的跟随动作，最终造成燃机振动骤增，若冲击负荷更大或者影响时间更长，极易造成燃机燃烧波动大或者机组振动大跳闸。故对于燃机燃料输出信号，应根据数据优化限定条件，如指令与开度偏差大跳机延时。

参考文献：

[1]刘力霞，芩海凤等，天津电网大容量冲击负荷对邻近发电机组影响的仿真研究，电力系统保护与控制，2009.10（20）

[2]毛丹，诸粤珊.三菱M701F燃气轮机控制系统简析[J].湖南工业大报，2008（6）：76-79

[3]徐振阳，于涛等，电网冲击造成燃气轮机快速降负荷的分析与对策，化学工程与装备，2017（5）