张勇
重庆大唐国际石柱发电有限责任公司，重庆市，409106
摘要：长期以来,汽轮机调节系统的设计只考虑单机运行的稳定性和甩负荷后的超 调量,诚然这是两项最重要的指标, 但另一项同样重要的指标被忽略了,这就是 并网发电后发电机的小扰动稳定性问题。电力系统稳定性忽略了调速系统的影 响, 认为慢速的调速系统不足以影响发电机的振荡过程。在调速系统响应速度和灵敏度日益提高的今天, 这种影响不应被忽略。
关键词：汽轮机速；调速系统；电力系统稳定性
汽轮机调节系统的设计只考虑单机运行的稳定性和甩负荷后的超调量，诚然这是两项最重要的指标，但另一项同样重要的指标被忽略了，这就是并网发电后发电机的小扰动稳定性问题。许多讨论电力系统稳定性的文献都忽略了调速系统的影响，认为慢速的调速系统不足以影响发电机的振荡过程。在调速系统响应速度和灵敏度日益提高的今天，这种影响不应被忽略。本文的研究发现，在汽轮机调速系统中，隐含着导致发电机不稳定的危险，对实际运行的机组，为克服干扰造成的油动机晃动而加入的不灵敏区却偶然地掩盖了系统设计的缺陷。对于再热机组，这种危险是不存在的，除非采用设计得不好的功频调节口或动态过开校正。研究表明，如果调速系统的设计把发电机的稳定性也考虑在内，可以有效地提高电力系统的稳定性。
一、汽轮机调节系统
原动机调节系统作为电力系统中的一个重要部分，在维护系统稳定和提高电能质量等方面有重要的作用。为了更好地开展区域互联电网稳定性分析，研究原动机调节系统对电力系统动态稳定的影响十分必要。汽轮机是发电厂的原动机，驱动同步发电机旋转产生电能，向电网输送符合数量和供电品质（电压与频率）要求的电力。由同步发电机的运行特性可知，发电机的端电压决定于无功功率，而无功功率决定于发电机的励磁；电网的频率决定于有功功率，即决定于原动机的驱动功率。因此，电网的电压调节归发电机的励磁系统，频率调节归汽轮机的功率控制系统。这样，机组并网运行时，根据转速偏差改变调节气门的开度，调节汽轮机的进汽量及焓降，改变发电机的有功功率，满足外界电负荷的变化要求。由于汽轮机调节系统是以机组转速为调节对象，故习惯上将汽轮机调节系统称为调速系统。
二、汽轮发电机组模型
为了突出本文的主题，我们略去了励磁控制，认为Ef0常数。计及发电机励磁绕组的惯性，对与无穷大电网相联的隐极同步电机。根据对发电机稳定性分析，选取如下模型：
1、调速系统的负阻尼作用及产生条件，对某100Mw机组参数，H=8s，T d =4.2s，θ0=45°，?Pe/?θ=1.3，T0 =0.2s，D =5 P.U.，TH =0.2s，δ=4%，计算系统的开环频率特性（电功率、汽功率 反馈 全断开），系统的相角裕度不够1°，处于临界稳定状态，当计入系统中其他小时间常数的影响后，系统实质上是不稳定的。由这个例子可见，原来稳定的同步电机回路（D=5，有约7°的相角余量），在接入调速回路后t成为不稳定的，说明调速系统的控制作用降低了同步电机的阻尼，或者说提供了负驵尼。为了考查TH对稳定性的影响，针对不同的TH进行了计算，发现存在对系统稳定性最不利的TH大约在0.2～0.3s之间。同步电机的固有频率总在1Hz左右，TH很大时对此频率的信号衰减很大，相当于调速系统不起作用；TH很小时ΔPT对Δω的滞后仅50°左右，能对同步电机的振荡提供正阻尼，所以存在最不利的TH是可以理解的。
2、用调速系统给同步电机提供正阻尼的可行性。作为讨论问题的出发点，对系统假设T0 =0，TH =0，显然有ΔPT=-Δω/δ，这样ΔPT恰好起到阻尼转矩的作用。对汽轮机来说，容积时间常数T0不可能为零，且随着机组容量的增加有增 加的趋势；随着电液调节机构的发展，TH已能做到0.01s 数量级；计算表明，对于使用高速电液伺服机构的调速系统，即使对转速信号Δω不加校正，也已能提供正阻尼；机组受扰动后的衰减曲线（TH=0.04s），作为对比，油动机不动作时同步电机的自由衰减过程，如果对转速信号做进一步的校正，将能提供更优良的阻尼效果。例如，对Δω做简单的超前校正，（0.2S+ 1）/（0.05S+ 1）为校正环节传递函数，计算表明，校正后系统具有23°相角余量，稳定性大大提高。
所以，适当校正的高速电液调速系统可以为系统提供相当可观的附加阻尼。作为稳定性分析的结束，给出TH=0.2s的过渡过程，与油动机不动作时同步电机的自由衰减过程对比可看出调速系统的负阻尼作用，另外也证明基于线性化模型的频域分析是正确的。实际生产的汽轮发电机组是稳定的，这是由于油动机滑阀中存在有重叠度。重叠度的设计是从实践中摸索出来的经验，实践表明，无重叠度的系统运行中会有大的负荷波动。在油动机滑阀上加入重叠度后，相当于在油动机输入信号前加入死区环节，减小了油动机本身的晃动幅度，仿真表明，也可在一定程度上抑制调速系统的负阻尼作用。顺便提及，对于再热机组，由于再热器巨大的惯性，中低压缸的功率对机组振荡几乎不起作用，这时机组模型在ω> 1的频段相当于不等率δ增大3倍的冷凝系统，分折表明：（1）再热机组稳定性比冷凝机组高；（2）TH=0.2s左右时调节系统对同步电机振荡有负阻尼作用，但比冷凝机组情况好得多；（3）高速调速系统采用超前校正后能提供强有力的正向阻尼。
3、调速系统提高电力系统稳定性。目前汽轮机词速系统的设计，主要以保证甩负荷后的转速飞升为目标，对电网的稳定性很少顾及；分析表明，设计不周的调速系统对电网稳定有害，认识到这一点对汽轮机控制工程师是有益的。汽阀操作可以比导水叶操作快得多后者受水锤效应影响，操作不能很快，以提高电网稳定性为目的的调速系统附加控制为PSGD。PSGD可专门针对某一频段的系统振荡设计，将PSS与PSGD协调起来，可以发挥各自的特点，对多种频率的电网振提供阻尼。如参数范围如下：Td 约3～5s，Te约0.5～2s；对可控硅励磁系统Tr约10-3秒量级，TH约0.15～0.3s，对高速电液伺服机构可达10-2秒量级，T0约0.1～0.3s。从以上参数可见Td比To大一个数量级，这决定了PSS反应速度要比PSGD慢；因此，PSGD对频率较高的振荡比PSS有更好的阻尼作用。需要说明，快速阀门控制与PSGD是有区别的，在有系统故障时起作用 以维持暂态稳定，后者用以提高系统的微动态稳定性，在正常运行中也可参与控制。
三、加强汽轮机调节系统养护
1、强化自动主汽门保护。自动主汽门有两部分组成：主汽门操纵部分和主汽门阀体，液调机组可以用自动主汽门冲转暖机，主要作用就是紧急停机时可以 瞬间关闭，切断汽源。电动主汽门只是主汽管道上的一个隔断门，和汽轮机的保护系统没有联系，也不属于快关门。停机后关闭该门，切断进汽，机组可进行与自动主汽门相关的保护试验而不必担心有蒸汽进入。电动主汽门的主要作用是一旦自动主汽门关闭不严，需要电动主汽门切断汽源。另外，汽轮机在打闸的时候，机组的主汽门常常出现无法归零的现象。主汽门无法归零的现象一般是因为油质不佳导致液压部套发生的快速卸荷以及卡涩故障。发生故障的时候通常只能关闭到11毫米的地方。发生这种情况的时候，检修人员通常是用铜棒朝着门杆的地方进行敲打，但是这样并不能完全有用。有时候虽然敲打很多次，再进行打闸和挂闸，仍然无法使主汽门归零。因此，定期对主汽门进行检测和试验及时发现问题，避免主汽门的缺陷，保证主汽门的灵活性才能保证汽轮机的运行安全。
2、强化密封件质量。在汽轮机运行过程中，汽轮机渗漏和汽缸变形是最为常见的设备问题。因此，采用适当的汽缸密封材料是强化质量的重点。密封件的主要特点是在构成密封结构的两静子部件中的任意一个部件的密封面上设置密封槽，槽内有由热膨胀材料制成的密封圈。这不但能够改善静子部件的密封性能，而且还能提高了汽轮机的效率和安全性。因现在汽轮机汽缸密封剂还没有统一的国家标准和行业标准，制作原料和配方也各不相同，产品质量参差不齐。在选择汽轮机汽缸密封剂时，就要选在行业内有口碑，产品质量有保证的正规生产厂家。密封剂的使用要根据实测间隙大小选用不同的修复步骤，对于汽缸缸面变形严重，平整度间隙超标的机组，缸面要先做研修整平后，再涂密封剂扣缸。充分搅拌密封脂，然后用油灰刀沿汽缸结合面均匀涂抹，涂抹厚度 0.5mm-0.7mm 左右。另外，螺孔周围及汽 缸内侧应留有一定尺寸的空白，以防止密封剂挤压后进入通流系统。
目前快速灵敏的汽轮机调速系统对电力系统稳定性的影响已经很显著，但汽轮机行业长期忽视这一问题。研究表明，常规的调速系统对电力系统微动态稳定性没有好的影响，甚至稍微有不利影响，但专门设计的调速系统对电力系统却能大幅度提高电力系统稳定性，且比附加励磁控制还有效。
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