CN106150575A - 一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷装置及方法。现有电网通过切断部分用户电源的方式应对电网频率急跌情形。本发明包括锅炉、高压加热器，高压加热器通过带控制阀的输汽管与汽轮机通连，通过开关控制阀实现汽轮机与高压加热器在通连状态和断闭状态间切换。汽轮机能通过关闭控制阀使得其内蒸汽不能通过高压加热器外流，并以此来迅速提升汽轮机工作负荷，确保火电机组能在电网功率瞬时缺失时及时为电网增加功率供给，有效避免因电网功率瞬时缺失而出现区域突发断电的情况，确保用户电能稳定供给。

Description

一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷装置及方法
技术领域
本发明涉及电力领域，具体涉及一种汽轮机应急加负荷装置及方法。
背景技术
随着我国“西电东送”特高压电网的快速发展，作为负荷中心的华东电网受电规模逐年增加，如何应对大容量特高压输电故障引起的受端电网负荷缺失造成电网频率下降已成为一个备受关注的问题。
自“西电东送”特高压输电工程投运以来，华东电网与国内其他受端电网一样，每年都会经受几次特高压输电直流单极闭锁、双极闭锁或架空线路故障等问题，造成外来输电容量的部分或全部缺失，引起电网频率急速下跌，对整个电网的安全运行造成了很大的冲击。以“2015年9月19日锦苏（四川锦屏-江苏）直流特高压闭锁故障”为例，说明如下：
2015年9月19日21:58:03，锦苏（四川锦屏-江苏）直流特高压输电突发闭锁故障而甩去输电功率，造成华东电网受电功率瞬时缺失490万千瓦，电网频率急速下跌。故障发生前华东电网系统开机容量1.69亿千瓦，系统用电负荷1.39亿千瓦，故障前系统频率49.973赫兹。故障发生后12秒（即21:58:15时刻）频率达到最低值49.563赫兹，频率最大跌落值为0.41赫兹。
为了应对特高压输电故障对电网安全运行产生的重大影响，受端电网本应该新建足够容量的抽水蓄能电站等应急发电能力，但由于我国能源资源的禀赋以及火力发电比例较大等特点，华东电网等负荷中心日常的电力调峰重担主要落在火电机组上。在近几年特高压输电规模日益扩大的情势下，电力调度部门主要采取“增加火电机组旋转备用容量”等措施来应对特高压输电大容量缺失故障，即让大量的火电机组长期处于低负荷运行状态，预留足够的往上加负荷的余量，一旦出现某条特高压输电等大容量的负荷缺失，主要通过火电机组的一次调频、二次调频功能来增加出力，尽快填补负荷缺口。
火力发电厂的大型汽轮发电机组在日常变负荷运行过程中，其调速系统具有一次调频功能。即当电网频率发生变化时，可以自发地依靠改变高压进汽调节阀门的阀位来调节主蒸汽流量，利用锅炉蓄热能量的变化来增加（或减少）机组负荷。机组一次调频的响应速度较快，通常在秒级时间完成，但由于投入锅炉的燃煤量还没有明显变化，依靠锅炉蓄热产生的负荷改变能力较小，持续时间较短。二次调频是通过电网调度自动负荷控制系统（AGC）发指令给各台火电机组，由锅炉增加投煤量来增加产汽，推动汽轮机做功来增加机组出力。由于中间过程较多，响应速度较慢，一般至少需要10分钟左右才能产生明显的加负荷效果，难以迅速填补受端电网的电力供应短缺问题。由此可见，依靠现有的火电机组一次调频和二次调频功能，实现机组出力快速增加的能力是十分有限的，难以应对特高压输电故障引起的大容量电负荷缺失问题。
另外，“增加火电机组旋转备用容量”意味着更进一步降低在运机组的负荷率，由此带来火电机组运行经济性下降、环保排放指标难以保证等一系列问题。因此，如何挖掘受端电网火电机组的应急加负荷能力，已成为特高压输电背景下影响电网安全、经济运行的客观需求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷装置及方法，在锅炉产汽量不变的情况下，通过停止为高压加热器供汽来增加流经汽轮机的蒸汽量，使得汽轮机在短时间内急速增加负荷，用于应对电网功率瞬时缺失而造成的缺口。
本发明通过以下方式实现：一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷装置，包括锅炉、为锅炉供水的给水管以及汽轮机，所述锅炉的出汽口通过一带高压进汽调节阀的进汽管与所述汽轮机通连，所述给水管上设有若干高压加热器，各所述高压加热器通过一带控制阀的输汽管与所述汽轮机通连，通过控制所述控制阀开关实现所述汽轮机与所述高压加热器在通连状态和断闭状态间切换。在原有通连汽轮机与高压加热器间的输汽管上增设控制阀，使得汽轮机能通过关闭控制阀使得汽轮机内蒸汽不能通过高压加热器外流，通过瞬时增加流经汽轮机的蒸汽量来及时提升汽轮机工作负荷，由此确保火电机组能在电网功率瞬时缺失时及时为电网增加功率供给，减缓电网频率下降速率，有效避免因电网功率瞬时缺失而出现区域突发断电的情况，确保用户电能稳定供给。
作为优选，所述高压加热器为三台，包括沿所述给水管依次串连布置的一号高压加热器、二号高压加热器以及三号高压加热器，所述一号高压加热器靠近所述锅炉设置，所述三号高压加热器远离所述锅炉设置。三台高压加热器均从汽轮机内导出高压蒸汽，通过各高压加热器进汽管道上加装的控制阀,可以逐级关闭高压加热器进汽，使汽轮机迅速增加蒸汽流量和做功能力。
作为优选，所述控制阀包括与一号高压加热器匹配的一号控制阀、与二号高压加热器匹配的二号控制阀以及与三号高压加热器匹配的三号控制阀。每个高压加热器均设有对应开关的控制阀，为汽轮机逐级关闭高压加热器进汽提供设备支持。
作为优选，所述控制阀为液压阀或电动阀，所述控制阀在通连状态和断闭状态间的切换时间小于0.5s。在电网功率缺失发生时，发电机组能越快响应并增加负荷，对电力用户的损失就越小，所以对控制阀的响应时间进行限定，确保汽轮机能尽快提升负荷。
一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷方法，包括：预设若干级差异化设置的触发频率值；实时监控电网频率，当电网频率下跌至预设触发频率值后，通过依次关闭各控制阀实现对各高压加热器切断蒸汽供应，使得汽轮机因减少蒸汽抽出而实现负荷应急增加。
通过对电网频率进行实时监控，以电网频率变化来判断电网是否发生功率瞬时缺失的情况。当电网频率出现急速下跌时，通过本方法进行应急操作，由于汽轮机瞬时增加出力，因此能有效延缓电网频率下跌速率，对电力用户的冲击也就较小。
预先设置触发频率值A1、A2和A3，且50Hz＞A1＞A2＞A3；所述控制阀的关闭顺序为一号控制阀、二号控制阀以及三号控制阀；当电网频率小于触发频率值A1时，一号控制阀关闭，当电网频率小于触发频率值A2时，二号控制阀关闭，当电网频率小于触发频率值A3时，三号控制阀关闭。根据电网频率的下跌程度来逐级关闭各控制阀，使得汽轮发电机组增加的发电功率能较好地弥补电网功率需求。
当电网频率恢复至50Hz附近时，通过开启控制阀恢复对各高压加热器供汽，所述控制阀开启顺序为三号控制阀、二号控制阀以及一号控制阀，减缓给水管内给水温度的变化速度，确保锅炉参数稳定。
作为优选，所述控制阀为手动开启，便于操作者根据实际情况进行调整控制。
本发明的突出有益效果：在原有通连汽轮机与高压加热器间的输汽管上增设控制阀，通过关闭控制阀使得汽轮机内蒸汽不能通过高压加热器外流，瞬时增加流经汽轮机的蒸汽量来及时提升汽轮发电机组的输出电功率，在电网功率瞬时缺失时及时为电网增加功率供给，减缓电网频率下跌速率，有效避免因电网功率瞬时缺失而出现区域突发断电的情况，确保用户电能的稳定供给。
附图说明
图1 为本发明管路结构示意图；
图中：1、锅炉，2、给水管，3、汽轮机，4、高压进汽调节阀，5、进汽管，6、高压缸，7、一号高压加热器，8、二号高压加热器，9、三号高压加热器，10、一号控制阀，11、二号控制阀，12、三号控制阀，13、发电机，14、凝结器，15、凝结水泵，16、低压加热器。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明的实质性特点作进一步的说明。
如图1所示的一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷装置，由锅炉1、为锅炉1供水的给水管2路以及汽轮机3组成，锅炉内产出的蒸汽送入汽轮机中，汽轮机将蒸汽的热能转化为机械能并驱动发电机13，在汽轮机内完成做功的蒸汽流经凝结器14被冷凝成水，经凝结水泵15、低压加热器16以及高压加热器后重新进入锅炉1，所述锅炉1的出汽口通过一带高压进汽调节阀4的进汽管5与所述汽轮机3通连，所述给水管2上设有若干高压加热器，各所述高压加热器通过带控制阀的输汽管与所述汽轮机3通连。在通常情况下，输汽管一端与高压加热器连接，另一端与汽轮机3连接。通过控制所述控制阀开关实现所述汽轮机3与所述高压加热器在通连状态和断闭状态间切换。
在实际使用时，通过监视并网运行的汽轮机转速变化，对电网频率进行监控，根据电网频率的异样变动来判断电网功率的缺失状况。
在实际操作中，所述高压加热器为三台，包括沿所述给水管2依次串连布置的一号高压加热器7、二号高压加热器8以及三号高压加热器9，所述一号高压加热器7靠近所述锅炉1设置，所述三号高压加热器9远离所述锅炉1设置。所述高压加热器的数量可以根据机组设计要求以及实际使用需求进行增减，当高压加热器数量发生变化时，控制阀数量以及控制方法中关闭级数也应作相应调整，均应视为本发明的具体实施例。
在实际操作中，所述控制阀包括与一号高压加热器7匹配的一号控制阀10、与二号高压加热器8匹配的二号控制阀11以及与三号高压加热器9匹配的三号控制阀12。各控制阀能分别对匹配的高压加热器进行切断进汽的操作，使得原本流向高压加热器的高压蒸汽回流至汽轮机3中，通过增加汽轮机3中的蒸汽流量来提高汽轮机3出力，实现发电机13的负荷迅速提升，以及时弥补电网功率缺失。
在实际操作中，所述控制阀为液压阀或电动阀，所述控制阀在通连状态和断闭状态间的切换时间小于0.5s。也就是说，控制阀由开启状态切换至关闭状态的时间小于0.5s，所述控制阀的种类还可以为其它满足切换时间以及结构强度的阀体，也应视为本发明的具体实施例。在电气控制方面，控制阀既可与汽轮机3的控制系统联接实现自动联锁控制，又可进行就地和远程的手动控制。在动力系统方面，全液压快速关断阀采用蓄能器来储备液压能，快关时蓄能器释放液压能并通过油缸和齿轮传动机构迅速关闭阀门。快速关断阀的全行程快速关闭时间小于0.5s。
结合上述结构获得的一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷方法，预设若干级差异化设置的触发频率值；实时监控电网频率，当电网频率下跌至预设触发频率值后，通过依次关闭各控制阀实现对各高压加热器切断蒸汽供应，使得汽轮机3因逐级获得额外蒸汽而实现机组负荷应急增加。
预先设置触发频率值A1、A2和A3，且50Hz＞A1＞A2＞A3；所述控制阀的关闭顺序为一号控制阀10、二号控制阀11以及三号控制阀12；当电网频率小于触发频率值A1时，一号控制阀10关闭，当电网频率小于触发频率值A2时，二号控制阀11关闭，当电网频率小于触发频率值A3时，三号控制阀12关闭。
在电网正常工作过程中，若突然遭遇电网频率急剧下跌的情况时，通过以下方式进行应对：
1. 当电网频率低于触发频率值A1时，一号控制阀10由开启状态切换至关闭状态，汽轮机3不再为一号高压加热器7供汽，这部分蒸汽回流至汽轮机3做功，以增加发电机13的输出电功率；
2. 当电网频率持续下跌并低于触发频率值A2时，二号控制阀11由开启状态切换至关闭状态，汽轮机3不再为二号高压加热器8供汽，这部分蒸汽回流至汽轮机3做功，以增加发电机13的输出电功率；
3. 当电网频率持续下跌并低于触发频率值A3时，三号控制阀12由开启状态切换至关闭状态，汽轮机3不再为三号高压加热器9供汽，这部分蒸汽回流至汽轮机3做功，以增加发电机13的输出电功率。
在电网调度安排下，电网中发电机组的负荷持续增加，电网功率缺失被填补，体现在电网频率上升。当电网频率恢复至50Hz附近时，说明电网运行状况已经趋于稳定，这时，可依次逐级开启控制阀，使得高压加热器逐个恢复正常工作。在实际操作中，所述控制阀开启且开启顺序为三号控制阀12、二号控制阀11以及一号控制阀10，且所述控制阀为手动开启，便于操作者根据电网参数稳定状况进行操作。
在实际操作中，所述触发频率值A1、A2和A3的设定依据包括两部分：第一部分内容是进行针对性试验来获得关闭控制阀与汽轮机瞬时出力变化值间的关系；第二部分内容是根据历次事故发生时采用本方法应对时的效果来对触发频率值进行调整。在装置投入使用初期，可根据估算值确定电网频率下跌触发的设定值，后期则可根据实际试验获得的数据进行调整。

Claims (7)

1.一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷装置，包括锅炉（1）、为锅炉（1）供水的给水管（2）以及汽轮机（3），所述锅炉（1）的出汽口通过一带高压进汽调节阀（4）的进汽管（5）与所述汽轮机（3）通连，其特征在于，所述给水管（2）上设有若干高压加热器，各所述高压加热器通过一带控制阀的输汽管与所述汽轮机（3）通连，通过控制所述控制阀开关实现所述汽轮机（3）与所述高压加热器在通连状态和断闭状态间切换。
2.根据权利要求1所述的一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷装置，其特征在于，所述高压加热器为三台，包括沿所述给水管（2）依次串连布置的一号高压加热器（7）、二号高压加热器（8）以及三号高压加热器（9），所述一号高压加热器（7）靠近所述锅炉（1）设置，所述三号高压加热器（9）远离所述锅炉（1）设置。
3.根据权利要求2所述的一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷装置，其特征在于，所述控制阀包括与一号高压加热器（7）匹配的一号控制阀（10）、与二号高压加热器（8）匹配的二号控制阀（11）以及与三号高压加热器（9）匹配的三号控制阀（12）。
4.根据权利要求1所述的一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷装置，其特征在于，所述控制阀为液压阀或电动阀，所述控制阀在通连状态和断闭状态间的切换时间小于0.5s。
5.一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷方法，其特征在于，预设若干级差异化设置的触发频率值；实时监控电网频率，当电网频率下跌至预设触发频率值后，通过依次关闭各控制阀实现对各高压加热器切断蒸汽供应，使得汽轮机（3）因逐级获得额外蒸汽而实现负荷应急增加。
6.根据权利要求5所述的一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷方法，其特征在于，预先设置触发频率值A1、A2和A3，且50Hz＞A1＞A2＞A3；所述控制阀的关闭顺序为一号控制阀（10）、二号控制阀（11）以及三号控制阀（12）；当电网频率小于触发频率值A1时，一号控制阀（10）关闭，当电网频率小于触发频率值A2时，二号控制阀（11）关闭，当电网频率小于触发频率值A3时，三号控制阀（12）关闭。
7.根据权利要求6所述的一种应对电网频率急跌的汽轮机应急加负荷方法，其特征在于，当电网频率恢复至50Hz附近时，通过手动控制方式开启控制阀恢复对各高压加热器供汽，所述控制阀开启且开启顺序为三号控制阀（12）、二号控制阀（11）以及一号控制阀（10）。
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