1989年5月

内容提要；“本文从电冈稳定的基本物理概念出发，阐明汽轮机中压调门的快速关闭是提高电网动稳定的有效技术措施。另一方面分析了快关对大机组热力系统扰动和对厂用电系统的影响是轻微的。根据快关的要求，提出了热控系统逻辑框图的原则。最后对国产大机组调速系统实现快关的改造提出了建议。

本文综合了电网、热动、电气和热控各个专业对汽轮机快关和电网稳定的要求和配合，协调了大电网与大机组的关系。

1前言
随着大机组的陆续投产和超高压输电网络的形成，我国电力工业已进入发展大电网与大机组阶段。大电网与大机组的相互影响和协调是直接影响大机组和大电网可靠性的重要问题。特别是电力系统的稳定性更为电力系统工作者所关心，因为稳定的破坏造成电力系统大面积停电，使国民经济遭受到严重的损失，这是电力系统最严重的事故之一。然而对稳定性的关心一般仅局限在从事电网工作者，而从事火电大机组工作者往往对系统稳定所采取的措施既不太重视也不太乐意接受，电网工作者对火电大机组稳定措施的功能也了解不够具体，因而两者存在着相互理解，汽轮机的快关在我国至今之所以不能投入应用也是这方面原因。虽然稳定破坏事故是罕有的事件，然而消灭一次稳定破坏所采取的技术措施在经济上是合算的，在技术上是合理的。

2电力系统暂态过程的基本概念
汽轮发电机组并入电网以后，它的转速必然与，电网的频率同步。但是同步仅仅在稳定工况下才存在，即汽轮机的输入功率(或力矩）等于发电机的输出功率(或力矩)时，此时转子才能等速运转。汽轮机的输入功就是蒸汽热能转化为转子的机械能。一般再热机组高压缸中的功率约占总功率30％，中低压缸的功率约占70％左右。

发电机的输出功率即是发电机转子的旋转磁场通过定子与转子的气隙传输给定子的电磁功率，即机械能转化为电能。电磁功率可以用下式表示：

P＝Sin…………………(1)

在将复杂的电网接线简化运算以后，发电机与电网之间可以用两个电势E1、E2和中间的联系阻抗X12组成(图1)。

其中E1为发电机电势；E2为电网简化后的等效电势(如无穷大电网则E2为恒定值)X12为发电机与电网之间简化后的等效联系阻抗，此阻抗包括发电机的电抗Xd和升压变的阻抗XT以及电网的综合归并阻抗；为E1与E2之间的相位角，又称功角，亦可理解为发电机转子与某一参考值之间的机械角度。

电磁功率是一条正弦曲线(图2)，当E1、E2、X12不变时，则功率是Sin的函数，在稳态运行时设汽机输入功率为P0,则运行在①点。

如果电网发生故障则X12增大到X’12(如切除一条并联支路，解开一个环网，切除电网中一台发电机等)。此时功率曲线从原来的0一①一⑦下降为故障后的①一②一③一④一⑤一⑦。发电机的功角不可能立即发生变化，运行点转移到②点，输出电磁功率减小，而汽轮机输入功率未变，①点与②之间的功率差ΔP使转子产生角加速度α，其值为：

α=……………(2)

式中：n为转速，为加速转矩，

J为转于的转动惯量，即GD2

由于大机组轴系较长，GD2相对较小。角加速度的存在转子转速上升，脱离了同步转速，运行点沿着新的功率曲线由②向③前进。到③时，功率差又等于零，角加速度消失。但转速巳超过同步转速，由于惯性转子继续向④方向前进。但此时发电机输出电磁功率大于P0，使转子产生负的角加速，转速逐渐下降。现假设到④点转速又回到了同步转速。但由于负的角加速度仍在，转速又脱离同步转速，继续下降，运行点由④向③移动，再冲向②。于是转子功角是在②一③一④之间反复来回摆动。由于系统阻尼存在，摆辐逐渐减小，最后在③点稳定。这种现象叫做系统动态摇摆。摆动的周期一般在0.2—0.4秒，转速波动也不大于±20r／min。因汽轮机调速系统有一定迟缓率，高压调门开度和输入功率基本维持不变。②一③点之间加速度是正，而又是ΔP的函数，是一个变量。从②到③的时间内转子获得加速的能量是：

W＝=＝面积①一②一③

面积①一②一③称为加速面积，从③到④加速度是负；面积③一④一⑥称为减速面积。如果在⑤点以前存在着这两个面积相等的条件，则最后能稳在③点运行，这种情况动态稳定没有破坏。如果面积③一④一⑤一⑥仍不能等于或大于加速面积，则运行点将超过⑤向⑦前进，转于又重新获到正的加速能量，转速继续上升，这就叫失步或功态稳定破坏。如果在开始格摆时汽轮机实现快关，大减少汽机的输入，功率曲线由原来的P0水平线改变为象图2中的向下倾斜的虚线③一⑧一⑨，其结果加大了减速面积，使面积③一④一⑥加大为面积③一④一⑥一⑧，在⑨以前均是减速。如果快关在③点以前就开始，则甚至可以减小加速面积。加速面积的减小和减速面积的增大无疑对动态稳定是有极大的好处。这就是实现快关对电网动稳定的贡献。

3快关时对电厂热力系统的影响
所谓快关是指当电网需要快关的信号发出时快速关闭汽轮机中压调门(或中压主汽门)，然后经过一定的延时(一般整定小于1秒)重新开启。这是一个短暂的对热力系统的扰动。如果我们定量地分析一下这一扰动对热力系统和热力设备的影响，担忧是完全可以消除的。正常运行时中间再热汽轮机由高压调门的开度调节进汽量，改变汽轮机的输入功率P0，而中调门在全开状态运行。当中压调门由快关信号的作用下完全关闭以后，由于高压调门开度末变，蒸汽量仍与快关前的蒸汽量相等，蒸汽在高压缸内做功后排入被密闭的锅炉再热器(包括冷段热段管道)，向再热器充汽升压。如以600MW机为例，设快关前带额定功率运行，蒸汽流量约为1800t／h，快关后仍为l800t/h的流量充入再热器。设快关持续时间为1秒，一秒钟内充入再热器的蒸汽的容积约为：

V＝/t＝40m3

式中80m3／t为再热蒸汽的比容。

600MW机所配套的锅炉为2008t／h，锅炉再热器的水容积有350m3；其冷段和热段的管道容积近200m3，因此“密闭部份”总容积为550m3在此容积中充入40m3的蒸汽，其压力约为：

P2=P1=P1=1.073P1

再热器安全门不一定会动作。在这一秒钟内高压缸仍近似发出快关前的功率，即额定功率的30％。中压调门关闭后，中压缸和低压缸内的剩余蒸汽继续膨胀做功，功率很快下降到零。一秒钟后中压调门重新开启，再热器内蓄储的蒸汽很快进入中低压缸，恢复快关前的功率。整个汽轮机在快关过程中的功率变化曲线如图3所示。

图3快关过程汽机功率变化曲线