电网故障与火电厂机组控制应对措施

电网故障与火电厂机组控制应对措电网故障与火电厂机组控制应对措 施施 引言引言 美国东部时间 2003 年 8 月 14 日 15 06 美国俄亥俄州北 部 5 条超高压输电线路陆续发生故障 目前认为 由潮流大范 围转移导致的快速电压崩溃 线路跳闸及系统解列后的频率崩 溃原因 输电系统发生连锁反应 到 16 11 事故扩大到美国东 北部 8 个州 以及接壤的加拿大南部地区 发生了自 1965 年以 来的北美洲最严重的停电事件 也是世界电力史上前所未有的 致使该地区近 5000 万人失去了赖以生存的电力供应 经 42 时 49 分后电力供应才基本恢复 经济学家测算该事故造成的经济 损失在每天 300 亿美元 美加电网大面积停电事故引起世界各国政府和电力工作者 的关注 主要涉及的是国家能源链中的电力传输 电网可靠性 电力安全以及电力体制等问题 面对电网故障后的发电安全问题 同样引起我们在宝钢从 事电力工作人员的极大关注与反思 在电网发生故障时 电厂 控制系统做出了什么样的应对 为什么经过很长时间机组才能 恢复运行 电网才完全正常 1 电力运行可靠性的挑战电力运行可靠性的挑战 1 1 电力系统的脆弱性 从美加电网停电后仅 50 天 英国 澳洲 瑞士 意大利 等工业国家先后发生大面积停电事故 这不会是偶然巧合 就上海电网而言 最近一次重大故障发生在 2002 年 2 月 19 日 上海南桥变电站站控系统 p13 的总线耦合器故障 造成 断路器频繁分合闸 导致南桥 杨高两站 15 组 500kv 相关线 路跳闸 上海南网与华东网解列 造成大面积停电 2 就宝钢而言 1988 年 3 月 30 日与 1999 年 8 月 13 日先后 发生了电网蕴站 新站故障 造成宝钢电网与上海电网解列 孤立运行 造成程度不同的损失 我们注意到引发电网故障的 原因各不相同 但表明其脆弱性就在身边 1 2 宝钢电网与上海电网系统的连接 宝钢三期工程建成后 从 2001 年开始 宝钢电网与上海电 网的连接结构如图 1 从目前看 该系统与上海电网有 4 回线联结 较为可靠 但作为电厂还考虑到线路 变电站 电厂本身的检修 宝钢变 电站及电厂本身可能突发的故障 网络的可靠性就会下降 1 3 宝钢电厂在钢铁联合企业中位置 宝钢电厂是宝钢股份公司这个钢铁联合企业中 按能源先 行原则率先投入生产的单元厂 1 2 号 350mw 火力机组分别 于 1982 年 1983 年投入运行 1997 年与 1999 年 10 月又相继 投入 1 台 145mw 联合循环燃气轮机组 和 1 台 350mw 的火 力机组 宝钢电厂发电总容量为 1195mw 受电网控制年发电 量约在 72 亿 kwh 宝钢股份用电主要依靠宝钢电厂供给 目前 用电负荷在 800mw 1000mw 之间 四期工程投产后将使负荷 有阶跃性上升 图 1 目前宝钢电网基本连接图 若上海电网 宝钢电网发生故障 对宝钢电厂机组带来 不可克服的扰动 引起机组不稳定 若宝钢电厂的机组故障 电网对宝钢的供电在数量上受限制 两者都将给连续生产的钢 铁企业带来不堪设想的后果 再则 由于电力行业正在进行新一轮电力体制改革 快步 进入市场化 由于要分摊投资 输配 发供电各方的成本 利 润 电网向宝钢供电的电价远高于宝钢向网上供电的电价 所 以电厂是否能确保安全发电不仅涉及到宝钢股份的安全生产 能源平衡 环境保护 而且对其经营目标都有 举足轻重的影响 不仅如此 宝钢这个大型钢铁企业在不断发展扩建过程中 应具有基本战略 这就是电源与电网的建设应有相对超前 电 源 电网 用户同时建设 其能源链就必定是薄弱的 2 电网故障后的电厂应对电网故障后的电厂应对 可靠的发电厂 完善的电网 精益的管理必定提高电力系 统的可靠性 但对于数年一遇 甚至是数十年一遇的由电网固 有的脆弱性带来的系统故障 仍无法避免 一旦发生 电厂处 在了被动地位 在任何时间 由电网的故障性质 范围决定发 电机组承受扰动的程度 由电网恢复的时间决定电厂设备承受 特殊工况下运行的时间 但我们认为 电厂面临电网故障亦应有积极 有效的应对 只要电厂在电网故障发生时 能保护发电机组 安全度过第一 冲击 机组继续发电 即使仅带厂用电 如此 起码是避免电 网故障的扩大 再则是缩短电网故障恢复时间 作为电厂可去思考和实践的是 针对本系统电网的结构 分析电网可能故障的类型 设计 调试 完善应对故障的自动 保护 控制策略 原则首先是确保发电机组在故障发生 恢复 的过程中的安全 机组在危及自身安全的工况下运行 一旦设 备损坏 电网也就成了无米之炊 所以它要求发电机组的热工 继电保护系统及整定值要正确 完善 机组在良好保护下 才 有条件讨论以下的应对 1 当电网突然故障解列时 发电机组不能跳闸 否则将可 能导致电厂停电事故 而停电后的保护发电设备将成为风险巨 大的工作 它全靠备用的柴油发电机组 蓄电池组 电源切换 等系统的万无一失 且电厂全停后 就要承受等待外来电 汽 源等能源的时间 它将延长电网恢复时间 可能引发更大故障 2 机组瞬间自动将负荷降到与外界负荷相适应的范围 它 可能是带发电机组在最低负荷运行 针对宝钢电网而言 只要 宝钢电网尚未瓦解 它可能是带宝钢的基本负荷运行 3 若宝钢电网故障解列 则发电机组应能带厂用电运行 一旦电网恢复 机组能以 min 数量级迅速加负荷 满足用户的 需求 依此原则 机组控制系统应对的技术方案是 3 一次调频一次调频 3 1 一 二次调频原理 一次调频是电网发供电及用电之间的重要平衡方式 电网 周率由并网发电机组的一次调频功能共同承担 具有足够的一 次调频能力的电网 可以保证在瞬息万变的负荷下有稳定的周 率 但为了发电机组的运行的稳定 电网一次调频的能力是有 限的 所以还需要由电网调度发指令 命令相关机组增减负荷 以使供需平衡 即二次调频 3 2 电网故障时一次调频的作用 电网的一次调频过程是个随机过程 电力系统所调节的负 荷分量主要是短周期 0 2 1hz 的随机变动负荷 根据该特性 一旦上海电网故障 宝钢电网 单独运行 在目前两网负荷潮 流下 电厂机组能够应对的功能首先是一次调频 设定机组运行负荷 1000mw 宝钢电网负荷为 800mw 则 200mw 余额有可能不触发 opc 动作 利用一次调频来克服 若 1 2 3 号机组按 4 的不等率运行 独立网周波将为 50 38 hz 此时调度能及时通过电厂值长 通过二次调频即人为减负 荷 即可迅速恢复电网周率 目前宝钢电厂的一次调频还未作如此事故预想 所以有 4 负 荷变动的上下限 如果为适应故障工况 可开放上限至额定负 荷 下限至 50 负荷 只要机组负荷大于 70 均应依靠一次 调频功能应对 一次调频功能分别设置在汽机 deh 侧与协调控 制 mcs 侧 其中汽机侧是快速系统 试验表明 其响应在 2 3sec 内 作用时间约为 20sec mcs 侧指令则要延迟 20sec 4opc 保护保护 opc turbine over speed protection control 保护是针对汽 轮机组在受到外界扰动 主要是指电网或是汽轮发电机自身故 障 急甩负荷时 瞬间关闭汽轮机的高中压调节汽门 避免机 组超速跳闸 可能维持运行的功能 4 1 汽机负荷急减将导致汽机跳闸 大容量的汽轮机组具有相对较小的转动惯量和转子飞升时 间常数 宝钢电厂 350mw 汽轮机组转子在额定蒸汽作用下从 0 r min 上升到 3000r min 仅需 6 7 6 8 sec 时间 同时 汽轮机转 子的加速度与汽机蒸汽动力矩 mt 和发电机磁阻力矩 me 有如下 关系 带 350mw 负荷运行的机组突甩负荷时 巨大能量瞬间将 使汽轮机组超速 作为机组的最基本保护 汽轮机危机保安器 动作 在没有 opc 保护时 它的设定动作值在额定转速的 110 即转速飞升到 3300r min 时 汽轮机跳闸 4 2opc 保护原理 opc 的动作原理如下图 图 3 汽轮发电机组的 opc 保护动作原理 由图可知 一次中间再热的汽轮机组在下述情况下 运行 参数进入图中阴影区 opc 动作 1 利用当机组甩负荷时 汽机中压缸参数滞后发电机参数 的特性 即检测到中压缸进汽压力所代表的汽机瞬时功率大于 发电机电流所代表的发电机功率 60 表示机组已处甩负荷状 态 opc 动作 2 当汽轮发电机组转速达到额定转速的 107 时 它亦表 示机组已处甩负荷状态 opc 动作 3 在以上两种边界状态中间的任何落在阴影区的状态 opc 动作 opc 动作 汽轮机的高 中压调节汽门将脱离正常的负荷 控制而瞬间关闭 防止甩负荷导致汽轮机跳闸 动作后 机组 的功率 转速瞬间返回非阴影区 opc 随即恢复 高 中压调节 汽门立即接受负荷指令进行控制 4 3opc 保护成功的核心 汽轮发电机组具有 opc 功能 1 首先是保护机组使其在甩负荷瞬间 汽轮机转速控制在 危机保安器动作前 不至跳闸 2 对于处电网中的一台机组 重要的作用是 从 100 负 荷甩至厂用电负荷运行 3 对于宝钢电网一台机组 存在宝钢网孤立运行的可能 则要求从 100 负荷甩至某一负荷运行 对于后两者 要求在发电机组在如此的扰动过程中 维持 在一定周率内运行 要做到非常之困难 但它确是发电和用户 两端的要求 发电设备 根据汽轮机低压转子的末级叶片进入共振带 振动应力剧增引起叶片断裂 固对机组运行周率有严格限制 如宝电机组 47 5hz 大于 47 0hz 仅允许运行 1min 电网用户 大型的泵与风机等机械设备 如宝钢 1 期 功率为 7 5mw 的高 炉鼓风机为保护叶片进入共振带而断裂的整定值是 48 5 hz 0 1 sec 跳闸 可见 opc 保护成功的核心在于 在负荷剧变时 既要瞬 时关闭汽轮机高 中压调节汽门 精确限制转速飞升 又要瞬 时有控制地开启高 中压调节汽门来适应电网负荷要求 任何 毫秒级延迟引起的低周率 将导致 opc 动作的实质性失败 这对该保护涉及的各个系统 如对压力 电信号等传感器 对电磁阀 e h 转换器等执行器 对汽轮机整个液压系统的响 应时间 回滞曲线等调节性能 提出了极高的要求 对控制逻 辑的响应时间与逻辑的周密性更是无须再提 4 4 宝钢电厂 opc 保护动作的案例 4 4 1 电网 330 事故 1988 年 3 月 30 日 宝山地区蕴藻浜变电站发生 220kv 母 线短路 该点正处保护死点 导致蕴站全停 即造成 2215 线路 过负荷拉闸 使宝钢电网与系统解列 宝钢电厂 1 2 号 机组 负荷从 660mw 突降至 250mw 由于汽轮机组 opc 保护动作 成功带宝钢孤立电网运行 当时电网系统如图 4 图 4 1988 年宝钢与上海电网连接结构图 以当时 2 号机组动作过程 结合故障后的实动试验 分析 看其过程 当日 13 点 57 分电网故障 瞬间机组负荷从 330mw 急减至 200mw 转速以 115r min sec 的加速度飞升 达到汽轮 机液压调速保护 opc 系统的辅助调速器动作值 其整定值为加 速度大于 60 120r min sec 转速大于 3060r min 0 7sec 后 汽 轮机高 中压调门关闭 该过程周率最高至 51 5hz 辅助调速 器动作 1 3sec 后恢复 由于执行机构的滞后作用 调门实际关 闭 1 7sec 有 200mw 负荷的作用 使负加速度达 120 r min sec 至使最低转速达 2886r min 造成瞬间最低周率 48 1hz 导致宝钢电网重要设备低周率保护动作跳闸 此案例说明 opc 正确动作 不但机组未跳闸 并且还过 渡到孤立电网运行 这在一定意义上已相当成功 但由于液压 调速保护系统的动态特性尚不能满足 330mw 0 200mw 的过渡 过程设备对周率的要求 造成用户设备跳闸 所以该系统仍需 完善 4 4 2 电网 813 事故 1999 年 8 月 13 日带宝钢三期负荷运行的新宝钢变电站 220kv pt 故障 联锁正 付母保护动作 导致新宝变电网与系 统电网解列 宝钢电厂两台发电机组 0 号燃气轮机组与正值 调试高峰的 3 号机组 与系统解列 带宝钢 3 期孤立电网运行 当时系统如图 5 图 5 1999 年新宝变 3 期电网结构 当日 3 号机组带 350 mw 满负荷稳定运行 19 点 48 分 机组负荷突降 汽轮机转速突升 opc 保护动作 从事件记录 soe sequence of events 看到 opc 动作过程 19 48 59sec 065ms opc 动作 19 48 59sec 268ms 汽机无负荷 gv 高压调门 全闭 19 48 59sec 392ms 汽机无负荷 icv 中压调门 全闭 19 49 00sec 813ms opc 复归 3 号机组 opc 系统动作精确 完全适应了再带负荷的要求 从模拟趋势记录看到 负荷从 350mw 瞬间甩到 43mw 并以 sec 级速度返回到了孤立电网所需要的 230mw 在如此大范围 负荷急速增减过程中 汽轮机转速变化仅为 3003 3100 2982 3060 r min 即 51 7 49 7hz 说明该 opc 系统与整个汽轮 机调速系统的设计成功 所有传感器 执行机构 控制逻辑运 作优良 但由于当时 3 号机组正处调试阶段 部分重要保护逻辑还 尚未开始调试 系统方面宝钢电网的低频减载系统也未调试投 用 通讯尚不畅 孤立电网运行 8min 后 2 台发电机组低频保 护动作 导致运行失败 5fcb 保护保护 以上讨论如何应对电网故障给电厂发电机组运行的第一冲 击 它是以事故后 10sec 内的瞬态过程为研究对象 下面讨论 电网故障后发电机组特别是电站锅炉的应对 它基本上是以事 故后 5min 内过程为研究对象 5 1 fcb 触发原理 fcb fast cut and back 即是针对电网 或发电机组 故 障 设计的保护和控制逻辑 其意义是 快速减负荷 故障消 除 快速恢复负荷 该保护触发的原因 一是发电机主变开关 52g 跳闸 二 是任何原因导致的汽轮机高 中压调节汽门全闭 原理逻辑如 下图 高压调门 gv1 gv4 全闭 中压调门 icv 左右 全闭 电机主变出口开关 52g off 发电机负荷 30 fcb 发生 fcb 许可条件 mft 未发生 图 6 一般 fcb 构成逻辑 我们应指出 如图 6 所示的 fcb 触发逻辑 针对处于大电 网中的电厂是适当的 但对于宝钢电厂存在孤立电网运行的可 能 该逻辑就存在问题 330 813 两次电网故障的共同特点 都要求宝钢电厂机 组在经受了与系统解列的冲击后 仍需带孤立电网运行 在此 环境下 opc 保护动作后 汽轮机高 中压调节汽门瞬时关闭 将导致 fcb 动作 它将自动减载 95 100 与孤立电网的负 荷要求是完全不符的 因此 电厂更改了 3 号机组汽轮机高 中压调门全闭后触 发 fcb 的条件 而当汽机调门全闭后形成发电机逆功率运行 则有逆功率检测继电器完成发电机跳闸 触发 fcb 保护 5 2fcb 保护动作 fcb 同时向汽轮机和锅炉侧 发出一系列指令 从满负荷 减到 5 或 0 负荷运行 5 2 1 汽轮发电机侧 fcb 动作 立即解除汽轮发电机侧的负荷指令进入转速控 制 即汽机根据予置的 4 的 不等率进行速度控制 以维持 3000r min 为目标 负荷指令仅跟踪实际值 它保证了发电厂孤 立系统运行的周率 5 2 2 发电锅炉侧 与 350mw 汽轮机所匹配的是 1160t h 17 26mpa 3 81mpa 541 541 亚临界一次中间再热发电锅 炉 它要承受 100 负荷瞬间减至 5 或 0 的负荷冲击 关键控 制技术在于 1 快速释放危险的多余能量 fcb 联动电动安全门 pcv 强制开启 10sec 然后切回自动 控制 迅速释放过热蒸汽能量 汽包安全门则做后备保护 为应付 fcb 特殊工况 机组特别设计有 30 锅炉额定蒸发 量的旁路系统 fcb 强制开启高压旁路阀 5sec 然后切回自动控 制 它起分级释放能量 冷却再热器 回收工质 维持热力循 环的重要作用 旁路系统动作的正确与否 决定了 fcb 成功与 否 2 燃料急减并稳定燃烧 fcb 发生时锅炉至少可以在 30 旁路容量负荷运行 但问 题在燃烧的动态稳定 根据 fcb 前燃料品种 数量 自动顺序 切除有关燃烧器 在燃烧扰动中影响安全的低热值气体燃料 bfg 切除 cog 亦切除 有关煤层 并联动相关的轻油燃烧器 投入稳燃 燃料量则由调节负荷切换为定值控制 3 稳定锅炉汽包水位 汽包水位不但是锅炉 汽轮机负荷平衡的标志 又是机组 安全运行的根本 汽机负荷急减造成锅炉汽包压力急升 汽包 进水困难 负荷急减又造成汽包需水量减少 为此 fcb 联动切 换汽动给水泵的调速系统为定值控制 联动 电动给水泵启动 向汽包强制进水 由于负荷急减引起汽 水的不平衡 汽包水 位的自动控制由 3 冲量转为水位单冲量控制 4 机组协调解除偏差保护 强制定值 自动控制 因为 fcb 要在事故发生时数秒 数