9E燃机联合循环机组应急启动探讨

9E燃机联合循环机组应急启动探讨

王攀

国家电投集团荆门绿动能源有限公司 湖北 荆门 448000

摘要：西藏电网为疏松型强受端系统，虽然藏中电网主网架已由110KV向220KV主网升级完善，并依靠柴拉直流的输送与西北电网联网，电网结构得到强化，系统的输送能力加强，电网的供电能力大大增加，保证了藏中电网电力的有效供给。但是电网电源结构的不合理、机组老旧且装机容量过低，线路运行环境恶劣，特别是在燃机电站两台机组运行，正常方式下直流运行短路比均能高于4.0。而燃机退出方式下，藏中电网短路容量降低，受有效运行短路比约束，短路容量控制措施与电网运行方式灵活性和可靠性的矛盾日益突出，且无功呈现不均衡等特点，电网安全形势仍不容乐观。

关键词：燃气轮机 藏中电网 电源结构

一、引言

藏中电网存在“大直流、小系统、弱受端”和“大机小网”、地区间联系十分薄弱等问题。特别是当柴拉直流输送功率中断时，主力电源机组跳闸，电源和地区间联络线跳闸，电网频率和电压稳定等问题都突出时，为了保障社会稳定和减少对人民生活的影响，此时应急启动机组应能快速反应、并网发电，满足系统有功、无功负荷的需求。而燃气轮机机组是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械能的发电机组。由于它具有体积小、启动并网速度快、操作简单，加减负荷速率快等一系列优点，在内地电网中已作为电网系统中不可替代的应急机组被广泛的采用，同时在电网系统中由于它的启动速度快，启动方式灵活，启动所需能源消耗少等优势，还被作为黑启动电源点承担电网结构的黑启动任务。9E燃机作为西藏单机容量最大的火力发电机组，不仅在稳定系统方面有着不可或缺的优势，而且燃气-蒸汽联合循环机组更是在效率方面有了很大的提高。基于内地的成功经验和燃气轮机联合机组在应急启动方面的优势，燃气轮机机组能更加快速、稳定、可靠的完成应急启动保障任务。

二、应急启动的必要性

目前藏中电网经过长期的发展和改善总体运行平稳，但由于地理位置和环境的特殊性，与外网连接输送目前只有柴拉直流，故在电网运行方面存在严重不足，特别是在近年的两起事故中得到了充分的体现。

2015年1月23日，藏中电网频率波动，引起电网低频减载装置动作切除负荷，随后藏木电厂2台机组调速器低油压保护动作跳机，安控装置动作切除负荷17.5万千瓦。

2015年2月15日，110KV东嘎变电站35KV I段母线避雷器发生爆炸，造成35KV母线短路，庞多电站机组失磁保护动作跳闸，事故还造成柴拉直流双极闭锁，安控装置动作切除负荷13.2万千瓦，短路故障时系统最低电压降至43%。

通过上述两个实例可总结出目前藏中电网存在着以下一些问题：

1、地域广阔，输电线路较长且线路分部较少，无功损耗严重，影响电压质量；

2、藏中电网凸显的矛盾及长期规划的需求。当系统故障时，若因为短路容量不足而导致故障不能切除，将严重威胁电网的安全稳定运行；

3、柴拉直流运行时，藏中电网负荷中心缺乏电压支撑，虽无暂态稳定问题，但缺乏动态无功储备。电网可能会因无功不足，导致电压难以支撑，特别是在故障情况下导致藏中电网电压失压，直接影响直流受电比例。而燃机机组在最大运行方式下，柴拉直流输送能力可提高8%左右；

4、当电网直流输送中发生单极闭锁故障时，由于藏中电网容量较小系统承受故障冲击能力较薄弱，可能需要采取附加稳定措施系统才能保持稳定，交流通道能承受故障时的直流功率转移，线路和变压器均可能过载，故障后藏中电网和交流通道电压可能偏低，暂态过程中电压降低；

5、当电网直流输送中发生双级闭锁故障时，随着直流输送能力的提高，频率稳定的问题越来越突出，藏中电网的小容量导致故障时电网频率仍不满足要求。

6、冬季高峰用电期间，由于西藏多为水电机组，枯水时期电网高峰电压相对偏低，影响西藏整体电网电能质量，同时低压电网线路运行稳定性不足，线路故障停运较频繁，影响高峰电压质量及迂回输电的加剧，使得相应分区线损降电量增加，易造成系统不稳定。

因此，对于西藏电网的种种特殊情况，特别是青藏直流双极闭锁的情况下，配备自己的应急启动电源就变得十分必要了。在上述的两起事故发生后，燃机联合循环机组快速的反应，同时由于应急预案人员到岗到位及时，确保了机组顶峰率达100%，圆满的完成了应急启动保障任务。

依据国际和国内电网机组运行的相关惯例，电网中的自备及应急启动机组的容量应不小于电网总容量的10%~15%。然而燃气轮机所具有的优越性和装机容量在藏中电网的比例，非常适合在藏中电网出现事故时，快速、稳定的完成应急启动保障任务。

二、燃机机组的应急启动分析

燃机机组主要有两种运行方式。第一种是利用烟气挡板燃机单独运行，这种运行方式叫做燃机单循环运行；第二种运行方式是燃机排气直接通入汽机锅炉带动汽轮机一起运行，这种运行方式叫做燃机-汽机联合循环运行。

1、燃机单循环运行

所谓燃机单循环，就是燃机脱开锅炉和汽机单独运行的方式。这种运行方式的特点是从启动到并网再到发电机解列在很短的时间内就可以完成。

下面是9E燃机机组单循环启停计划表以及响应的符合曲线图（表1、图1）：

表1：燃机单循环机组启停计划表

图1：燃机单循环机组负荷曲线变化图

燃机单循环机组运行特点是只有燃机单一运行，从燃机启动到并网只需要一个小时，再到最大负荷只需要一个小时，燃机从最大负荷到发电机解列也只需一个小时，因此燃机单循环机组运行最大的特点就是启停在很短的时间内就可以完成。

2、燃机-汽机联合循环运行

燃机-汽机联合循环机组相比于单循环机组优势在于应急启动时可调节的负荷范围更大，但在整体启停时间上要稍长一些。然而对于电厂的应急启动，联合循环机组完全能满足稳定、快速的条件，因为只有具备了这两个条件，才算是有效率的、合格的应急启动。为了更加直观的展示联合循环机组的优势，我们将对它的负荷曲线图做一个分析：

下面是9E燃机-汽机联合循环机组启停计划表以及相应的负荷曲线图（表2、图2）：

表2：联合循环机组启停计划表

图2：联合循环机组负荷曲线变化图

燃机-汽机联合循环机组工作原理是：燃机先启动运行，当燃机运行稳定后，将燃机尾部排出的高温废气通入汽机锅炉，待锅炉形成连续稳定的气态工质时，再通过管道引入汽机并冲转汽机，使汽机达到并网发电的目的。从图表中我们可以看出：燃机从启动到并网只需要短短的一个小时，待燃机燃烧稳定后，暖炉到汽机冲转，再到汽机并网，也只需要5个小时，燃机汽机得到最大负荷需要一个小时，然后稳定运行一段时间，从最大负荷到发电机解列只需要一个小时。联合循环机组从启动到解列在9小时内就可以完成。这就足以说明联合循环机组作为应急启动的优越性。只有真正的能够做到快速、稳定启停的机组才能满足应急启动的要求。

一般情况下，燃机排气口与锅炉之间会加装一个烟气挡板，它的设置增加了联合循环装置运行的灵活性。当机组单循环运行时，烟气挡板关闭，燃机尾气由旁路排出；当机组联合循环运行时，燃机尾气经过锅炉形成蒸汽带动汽轮机运行。在事故处理中，在汽轮机跳闸或汽轮机甩负荷运行时，烟气挡板的快关功能是实现余热锅炉快速减负荷的最有效手段。

目前，虽然青藏直流能为西藏电网大量出力，但是直流输电有一个十分特殊的情况，那就是只能输送有功，不能输送无功。在这种特殊情况下，就必然需要有机组发出无功来调节电网平衡。我厂联合循环机组中的汽轮机恰好满足以上要求。我厂汽机发电机为南京汽轮电机有限公司生产（型号QFW-60-2）。 此套发电机依据空载调试运行数据和我厂与南京汽轮机厂的交流总结，可做电动机空载运行和调相运行，对发电机本身无需做太大的改动，且影响较小。

三、应急启动机组的维护保养

由于近年来藏中电网各电源点的不断增加，供电方式得到很大的丰富。因此东嘎发电厂的燃机-汽机联合循环机组在电网中的定位也必然发生了变化。在其他类型供电负荷已能满足藏中电网负荷需求的情况下，东嘎发电厂在电网中的任务就转变为能够实现应急启动，做到随调随开。这使得我厂必须快速的适应新的定位，不断摸索和探寻适合于自己的有效合理的运行维护方式。总的来说，机组长期不启动运行，很难有一个一劳永逸而且绝对有效的方法保养。如果要做到一直处于备用，随时可以启动，那么采取的措施重点还是应该在管理侧，也就是把备用设备当作运行设备来管理。主要应该在思想观念、运行保养、检修维护等几方面做出调整。

1、思想观念方面

作为应急启动的电厂其机组运行特点主要是运行时间短，运行计划难以预测，机组长时间处于不运行状态。但是机组不运行绝对不代表没事可做，停运机组的维护保养工作非常重要，对备用设备的管理不亚于对运行设备的管理。首先要在管理侧提高认识和重视程度，只有备用设备的管理细致到位，才能满足电网的随调随开。做好机组的保养维护工作，是一个长期的，不断优化改进的过程，没有一个一蹴而就的方法。需因地制宜，结合本厂实际情况，探寻最合适的保养维护方式。

2、运行保养方面

（1）组织措施

本厂应该在机组长期停运期间建立自己的应急管理制度，并成立相应的应急启动队伍 ，确定好运行、检修、维护各班组的人数、人员以及工作职能。各自做好各自的事，这样才能在最短的时间内高效地达到应急启动的目的。

（2）技术措施

①从两票三制入手，认真梳理各专业操作票，定期设备校验切换记录，做好设备台帐、运行分析等管理性工作；

②燃汽机停运期间，必须做好盘车工作，每周盘车一次，每次一小时；余热锅炉应该每月进行一次带压放水，注意盘车前滑油温度并做好相关记录工作；

③冬季做好厂房的防冻防寒措施，制定合适的燃机二氧化碳火灾保护系统；

④建立远程技术服务支持平台，在线上拟聘专家提供远程技术服务支持。作为东嘎电厂人员培训及获得技术支持的重要补充形式。

3、检修维护方面

（1）依据《国家电网公司设备大修管理办法》和《国家电网公司生产设备大修原则》，规范电厂各变压器的检修周期，对目前已达到检修要求的变压器，制定检修计划，并认真落实。

（2）各专业都应梳理完善各项试验工作，确定工作内容和周期，形成制度。热控专业方面：每周一次检查，包括工程师站、现场表计、传感器等。盘车、辅机等实际启动校验时，热控同步跟进检查，还应维修恢复燃机MKVI的历史站功能及工程师站DCS的历史站功能，才能及时、准确的完成运行分析和事故分析。

（3）电气设备方面：发电机保持冷备用状态，厂用电按照正常方式，所有辅机设备正常情况下改为冷备用，发电机、辅机电动机建议定期测量绝缘情况（周期根据西藏情况可以为2周到4周）。每月一次全面检查电气系统，包括蓄电池、交流不间断电源、保护等。可组织专业运行人员与维护人员一起检查。

（4）机务方面：对于水泵类，系统中没有水，难以实际校验，一般可以采取外部检查、电气回路测量绝缘等方式；如果可以采取停电状态下人工盘车，最好每月一次采用这个方式，一般人工盘车几转即可；润滑油泵类在每周盘车时即可得到校验；汽机循环水泵、燃料泵、真空泵，每月校验一次，每次1小时；各个设备校验时要关注其冷却水、润滑油、外部系统的条件情况，防止发生不安全情况。

四、结束语

随着西藏经济社会快速发展，电力用户对供电可靠性的要求越来越高，政府对电力安全生产的监管也越来越严格，电网面临的新问题、新情况多，特别是在电网稳定性方面更是特别凸显。西藏电网是一个稳定性本就不高的电网，“大直流、小系统、弱受断”，“大机小网”，光伏等间歇性新能源占比高等是西藏电网的特点。因此保障电网安全稳定运行的压力和责任也更加艰巨。

正是因为西藏电网的这一系列特点，造成了电网在稳定性方面的缺陷，那么具备电网自己的应急启动机组变得十分必要。燃机-汽机联合循环机组具备启停迅速，稳定性高的特点，对于防范电网事故和自然灾害等意外因素造成的电网大面积停电以及全站失压将起到积极的作用。

参考文献：

1. 杨顺虎，《燃气-蒸汽联合循环发电设备及运行》中国电力出版社，2003.

2. 焦树建，《燃气-蒸汽联合循环》机械工业出版社，2000.

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