燃煤火電機組和常規(guī)水電機組主要故障對電網(wǎng)的影響及電力調(diào)度員的應(yīng)對措施

竇建中，鄢發(fā)齊，江保鋒，吳海寧

（1.國家電網(wǎng)華中電力調(diào)控分中心，湖北 武漢 430077；2.湖北華中電力科技開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

截至2016年底，全國各類型發(fā)電裝機容量占比如圖1所示，火電裝機容量105 388×104kW，占比64%（其中燃煤火電裝機94 259×104kW，占比57.24%），水電裝機容量33 211×104kW，占比20%（其中常規(guī)水電裝機30 542×104kW，占比18.39%）[1]。由圖1可知，雖然近年來新能源機組裝機容量保持高速增長，但是燃煤火電機組（以下簡稱火電機組）和常規(guī)水力發(fā)電機組（以下簡稱水電機組）仍然占主要地位。隨著技術(shù)進步，燃煤火電機組和常規(guī)水力發(fā)電機組單機容量在不斷增大，單機容量600 MW和1 000 MW火電機組已成為主流，白鶴灘水電站將安裝16臺世界單機容量最大的1 000 MW的水電機組，三峽、白鶴灘、烏東德、溪洛渡、向家壩單機容量均超過700 MW。大容量發(fā)電機組故障對電網(wǎng)的影響很大，容易造成頻率越限，備用容量不足，輸電斷面越限，電網(wǎng)波動甚至震蕩等問題?；痣姍C組和水電機組由數(shù)量眾多、構(gòu)造復(fù)雜、運行條件苛刻的設(shè)備共同組成，由于設(shè)備原因造成的發(fā)電機組故障時有發(fā)生[2-6]。電力調(diào)度員在值班期間應(yīng)加強對發(fā)電機組運行狀態(tài)的監(jiān)視，必須清楚發(fā)電機組主要設(shè)備故障及其后果以及應(yīng)對的措施，便于及時有效地采取合理方法，應(yīng)對突發(fā)情況。

圖1 全國各類型發(fā)電裝機容量（截至2016年底，單位：104kW）Fig.1 National installed capacity of various types of power generation(at the end of 2016,unit:104kW)

1 燃煤火電機組主要故障及后果

1.1 主要設(shè)備

圖2是燃煤火電機組主要設(shè)備組成框圖[7]，燃煤火電機組有3大主機，分別是鍋爐、汽輪機和發(fā)電機，圍繞3大主機有多種輔機，共同構(gòu)成3大系統(tǒng)，即燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)主要設(shè)備有鍋爐本體（“爐”部分）、磨煤機、一次風(fēng)機、送風(fēng)機、引風(fēng)機、撈渣機、電除塵、脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)等，汽水系統(tǒng)主要有鍋爐本體（“鍋”部分）、汽輪機本體、凝汽器、凝結(jié)水泵、給水泵、高/低壓加熱器、除氧器等，電氣系統(tǒng)主要有發(fā)電機本體、變壓器等。

圖2 燃煤火電機組主要設(shè)備Fig.2 Main equipments of coal-fired thermal power units

1.2 主要故障及后果

表1列出了燃煤火電機組3大主機及附屬設(shè)備或系統(tǒng)的主要故障及后果。省煤器、水冷壁、過熱器和再熱器并稱鍋爐“四管”，“四管”的主要故障是泄漏，一般都會導(dǎo)致機組直接跳閘或者被迫停機處理；一次風(fēng)機、送風(fēng)機、引風(fēng)機、給水泵主要故障是因主軸震動大而跳閘，一般會影響50%出力，但不會導(dǎo)致直接跳閘；凝汽器主要故障是因泄漏導(dǎo)致真空低，一般會導(dǎo)致機組跳閘；磨煤機、撈渣機主要故障是因煤質(zhì)差而堵塞，脫硫脫硝系統(tǒng)是環(huán)保排放指標不達標，一般會影響部分出力；勵磁系統(tǒng)故障會導(dǎo)致機組直接跳閘，或者有功、無功功率波動；PSS異常還會直接影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，一次調(diào)頻異常會對電網(wǎng)調(diào)頻造成不良影響。

2 常規(guī)水電機組主要故障及后果

2.1 主要設(shè)備

圖3是安裝軸流立式水力發(fā)電機組的壩后式水電站示意圖，其中水電機組由水輪機和發(fā)電機兩部分組成。水輪機設(shè)備包括導(dǎo)葉、受油器、接力器、控制環(huán)、頂蓋、支持蓋、座環(huán)、蝸殼、底環(huán)、轉(zhuǎn)輪體、轉(zhuǎn)輪室、輪葉、泄水錐、尾水管等；發(fā)電機設(shè)備包括定子、轉(zhuǎn)子、勵磁機、上機架、上擋風(fēng)板、下?lián)躏L(fēng)板、下風(fēng)罩、推力軸承、推力支架、冷卻器等。

圖3 水電站示意圖Fig.3 Schematic of hydroelectric station

2.2 主要故障及后果

表2列出了常規(guī)水電機組主要故障和后果，水輪機主要故障類型是本體擺度、振動超限，油系統(tǒng)、氣系統(tǒng)壓力和溫度異常；發(fā)電機除上導(dǎo)軸承和推力軸承故障外，其它故障和火力發(fā)電機組相同。水電機組故障基本需要停機處理或者直接跳閘，不能堅持運行。由于水電機組沒有類似鍋爐等運行在高溫高壓極端條件下的設(shè)備，故障率明顯低于火電機組。

表1 燃煤火電機組主要故障及后果Tab.1 Main faults and consequences of coal-fired thermal units

3 發(fā)電機組故障對電網(wǎng)影響及電力調(diào)度員的應(yīng)對措施

3.1 發(fā)電機組故障對電網(wǎng)影響

發(fā)電機組故障對電網(wǎng)的影響主要是減出力、跳閘造成的有功缺額和有功、無功功率波動對電網(wǎng)造成的擾動。以下是3臺火電機組和某水電廠故障時的功率曲線：圖4是某1 000 MW容量火電機組1臺一次風(fēng)機故障，RB動作不成功，導(dǎo)致機組跳閘的有功功率曲線；圖5是某1 000 MW容量火電機組6臺磨煤機中5臺因堵塞而中斷供煤，最終導(dǎo)致跳閘的有功功率曲線；圖6是某1 000 MW容量火電機組勵磁系統(tǒng)測量信號錯誤，無功功率和有功功率同時出現(xiàn)波動的曲線；圖7是某水電廠水庫水位出現(xiàn)周期性波動，全廠有功功率隨之波動的曲線。

圖4 某1 000 MW容量火電機組故障跳閘（一次風(fēng)機故障）Fig.4 1 000 MW capacity thermal power unit fault trip(a fan failure)

表2 常規(guī)水電機組主要故障及后果Tab.2 Main faults and consequences of conventional hydroelectric units

圖5 某1 000 MW容量火電機組故障跳閘（磨煤機故障）Fig.5 1 000 MW capacity thermal power unit fault trip(pulverizer failure)

在迎峰度夏、迎峰度冬等負荷高峰，或有大面積停電風(fēng)險的檢修工作進行期間，大型發(fā)電機組減出力、跳閘可能會造成電網(wǎng)頻率越限，低頻切負荷裝置動作，備用容量不足，輸電斷面越限，拉閘限電或有序用電，大型發(fā)電機組有功、無功波動可能引發(fā)電網(wǎng)震蕩。

（1）電網(wǎng)頻率越限，低頻切負荷裝置動作。在電網(wǎng)負荷高峰期，發(fā)電出力低于用電負荷，電網(wǎng)頻率較低的情況下，突然有大型發(fā)電機組出力大幅突降或者跳閘，可能會導(dǎo)致電網(wǎng)頻率越下限，嚴重的導(dǎo)致低頻切負荷裝置動作，發(fā)生大面積停電事件。

（2）備用容量不足。為滿足正常供電和事故處理需要，電網(wǎng)備用容量比例應(yīng)滿足要求；為滿足特高壓直流受端電網(wǎng)的功率受入能力，必須保證直流短路比不低于要求值，也要求電網(wǎng)的備用容量應(yīng)滿足要求。大容量發(fā)電機組跳閘，會導(dǎo)致備用容量不足，增大停電風(fēng)險，影響事故處理，降低直流輸送功率。

（3）輸電斷面越限，拉閘限電或有序用電。有大面積停電風(fēng)險的檢修工作進行期間，與主網(wǎng)弱聯(lián)系的局部電網(wǎng)內(nèi)部大型機組減出力或跳閘，可能會造成局部電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)系斷面越限，為控制斷面，要采取拉閘限電或有序用電措施。

圖6 某1 000 MW容量火電機組功率波動（勵磁系統(tǒng)故障）Fig.6 1 000 MW capacity thermal power unit fault trip(excitation system failure)

圖7 某水電廠有功功率波動（水位周期性波動）Fig.7 A hydroelectric station active power fluctuations(water level fluctuations)

3.2 電力調(diào)度員的應(yīng)對措施

電力調(diào)度員應(yīng)對大型發(fā)電機組故障導(dǎo)致的減出力、跳閘或功率波動措施主要有：

（1）掌握發(fā)電機組常見故障及后果，提高對故障的警惕性和敏銳度，保證第一時間采取正確的處理措施；

（2）加強對發(fā)電機組監(jiān)視，借助技術(shù)支持系統(tǒng)，對發(fā)電機組出力變化及時發(fā)現(xiàn)；要求電廠值班人員有故障異常要第一時間匯報調(diào)度員，明確故障異常的影響；

（3）做好發(fā)用電平衡工作，留足備用容量，尤其是快速備用容量，避免出現(xiàn)長時間負荷高于發(fā)電出力的低頻狀態(tài)，備用容量可能不足時，及時開出備用機組，備用容量不足導(dǎo)致直流短路比不滿足要求的，應(yīng)及時調(diào)減直流輸送功率；

（4）有大面積停電風(fēng)險的檢修工作進行期間，應(yīng)提前做好有序用電準備，發(fā)生機組減出力或跳閘造成輸電斷面越限的，應(yīng)迅速采取有序用電措施，控制斷面不越限，盡量避免拉閘限電。

（5）對于發(fā)電機功率波動，調(diào)度員應(yīng)借助技術(shù)支持系統(tǒng)迅速監(jiān)視到波動的發(fā)生，準確定位波動源，確定波動對電網(wǎng)影響的程度，排除周邊電網(wǎng)故障對機組產(chǎn)生影響的可能，立即下令降低機組有功無功出力，退出機組PSS、一次調(diào)頻功能，排除PSS、一次調(diào)頻故障造成機組功率波動的可能，如果波動仍不能平息的，下令解列機組。

4 結(jié)論

燃煤火電機組和常規(guī)水電機組多種設(shè)備故障均會造成發(fā)電機減出力、跳閘或功率波動，在迎峰度夏、迎峰度冬等的負荷高峰，或有大面積停電風(fēng)險的檢修工作進行等情況下，可能會造成電網(wǎng)頻率越限，低頻切負荷裝置動作，備用容量不足，輸電斷面越限，拉閘限電或有序用電。大型發(fā)電機組有功、無功波動可能引發(fā)電網(wǎng)震蕩。

電力調(diào)度員的應(yīng)對措施包括熟悉常見故障，明確故障影響；借助技術(shù)支持系統(tǒng)加強監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)故障；保持發(fā)用電平衡，避免出現(xiàn)長時間發(fā)電低于負荷；及時開機，保證足夠的備用容量；有停電風(fēng)險的檢修工作期間，做好有序用電措施，避免緊急情況下的拉閘限電；迅速定位波動源，降低出力或解列機組。

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