电网故障与火电厂机组控制应对措施

       美加电网大面积停电，普遍关注的焦点是电网的安全。而本文试从发电厂的角度，讨论针对电网发生故障，电厂应对的保护和控制，以在某种方面减轻电网故障范围、缩短故障时间。
关键词：电网；发电厂；汽轮发电机组；一次调频；OPC；FCB
     0　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              
     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
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
     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。
     4　OPC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。
     4.2　OPC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。
     4.3　OPC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。
     5　FCB 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。
     5.2　FCB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，数分种内完成数十项紧急操作，由人工完成是不可能的。根据FCB试验得到的对象模型，将有关锅炉运行的重要控制切换为定值控制或自动控制，它们的正常是FCB成功的基础。
     5.3　FCB 是对机组控制水平综合指标
FCB功能是对电厂锅炉、汽轮发电机组，特别是协调机组运行的整个热工控制系统的综合考验。机组在电网故障时，要在秒级时间内，从100%负荷突降到带厂用电或空负荷维持运行，汽轮机调速、锅炉燃烧的动态响应及稳定等，任一细节出问题，都会导致失败。
     6　结论
综上所述，若宝钢电厂4台机组带负荷1000MW 运行，以下给出电网故障时的应对方案：

 
表1：   电网故障电厂控制应对电网故障可能类型 宝钢电厂负荷可能余量 宝钢电厂机组应对 周率变动可能范围 机组应对过渡时间
上海/宝钢电网解列 50～200MW（宝钢高负荷） 一次调频 ≤ +0.5Hz 1min
上海/宝钢电网解列 200～500MW（宝钢低负荷） OPC动作+负荷跟踪 ≤ ±1Hz 2min
系统全停特殊故障 900MW OPC +FCB带厂用电运行 ≤ +1.5Hz 10min
1）在当前宝钢-上海负荷潮流下，发生宝钢电网单独运行时，一次调频功能是重要的应对。目前机组一次调频功能正常，但应对电网故障尚存在问题。主要是作用范围目前限制在±14MW，显然不能适应故障调频工况。应进一步研究放宽上下限带来的风险与利益。
2）当宝钢电网单独运行时，发电机组的OPC功能是极重要的应对。3号机组该系统良好，1、2号机组有待完善，主要是汽机调门重新开启时间有延迟问题。
3）当发生电厂电输送不出的严重情况，电厂要成功实现FCB，带厂用电运行。这需要付出代价，在机组检修与运行中做大量细致的试验与完善工作。
4）电厂机组的检修策略要适应宝钢电网安全性的要求，电厂机组的管理要上台阶，使电厂机组的安全性可靠性进一步提高。