燃煤火电机组和常规水电机组主要故障对电网的影响及电力调度员的应对措施

窦建中，鄢发齐，江保锋，吴海宁

（1.国家电网华中电力调控分中心，湖北 武汉 430077；2.湖北华中电力科技开发有限责任公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

截至2016年底，全国各类型发电装机容量占比如图1所示，火电装机容量105 388×104kW，占比64%（其中燃煤火电装机94 259×104kW，占比57.24%），水电装机容量33 211×104kW，占比20%（其中常规水电装机30 542×104kW，占比18.39%）[1]。由图1可知，虽然近年来新能源机组装机容量保持高速增长，但是燃煤火电机组（以下简称火电机组）和常规水力发电机组（以下简称水电机组）仍然占主要地位。随着技术进步，燃煤火电机组和常规水力发电机组单机容量在不断增大，单机容量600 MW和1 000 MW火电机组已成为主流，白鹤滩水电站将安装16台世界单机容量最大的1 000 MW的水电机组，三峡、白鹤滩、乌东德、溪洛渡、向家坝单机容量均超过700 MW。大容量发电机组故障对电网的影响很大，容易造成频率越限，备用容量不足，输电断面越限，电网波动甚至震荡等问题。火电机组和水电机组由数量众多、构造复杂、运行条件苛刻的设备共同组成，由于设备原因造成的发电机组故障时有发生[2-6]。电力调度员在值班期间应加强对发电机组运行状态的监视，必须清楚发电机组主要设备故障及其后果以及应对的措施，便于及时有效地采取合理方法，应对突发情况。

图1 全国各类型发电装机容量（截至2016年底，单位：104kW）Fig.1 National installed capacity of various types of power generation(at the end of 2016,unit:104kW)

1 燃煤火电机组主要故障及后果

1.1 主要设备

图2是燃煤火电机组主要设备组成框图[7]，燃煤火电机组有3大主机，分别是锅炉、汽轮机和发电机，围绕3大主机有多种辅机，共同构成3大系统，即燃烧系统、汽水系统和电气系统。燃烧系统主要设备有锅炉本体（“炉”部分）、磨煤机、一次风机、送风机、引风机、捞渣机、电除尘、脱硫系统、脱硝系统等，汽水系统主要有锅炉本体（“锅”部分）、汽轮机本体、凝汽器、凝结水泵、给水泵、高/低压加热器、除氧器等，电气系统主要有发电机本体、变压器等。

图2 燃煤火电机组主要设备Fig.2 Main equipments of coal-fired thermal power units

1.2 主要故障及后果

表1列出了燃煤火电机组3大主机及附属设备或系统的主要故障及后果。省煤器、水冷壁、过热器和再热器并称锅炉“四管”，“四管”的主要故障是泄漏，一般都会导致机组直接跳闸或者被迫停机处理；一次风机、送风机、引风机、给水泵主要故障是因主轴震动大而跳闸，一般会影响50%出力，但不会导致直接跳闸；凝汽器主要故障是因泄漏导致真空低，一般会导致机组跳闸；磨煤机、捞渣机主要故障是因煤质差而堵塞，脱硫脱硝系统是环保排放指标不达标，一般会影响部分出力；励磁系统故障会导致机组直接跳闸，或者有功、无功功率波动；PSS异常还会直接影响电力系统稳定性，一次调频异常会对电网调频造成不良影响。

2 常规水电机组主要故障及后果

2.1 主要设备

图3是安装轴流立式水力发电机组的坝后式水电站示意图，其中水电机组由水轮机和发电机两部分组成。水轮机设备包括导叶、受油器、接力器、控制环、顶盖、支持盖、座环、蜗壳、底环、转轮体、转轮室、轮叶、泄水锥、尾水管等；发电机设备包括定子、转子、励磁机、上机架、上挡风板、下挡风板、下风罩、推力轴承、推力支架、冷却器等。

图3 水电站示意图Fig.3 Schematic of hydroelectric station

2.2 主要故障及后果

表2列出了常规水电机组主要故障和后果，水轮机主要故障类型是本体摆度、振动超限，油系统、气系统压力和温度异常；发电机除上导轴承和推力轴承故障外，其它故障和火力发电机组相同。水电机组故障基本需要停机处理或者直接跳闸，不能坚持运行。由于水电机组没有类似锅炉等运行在高温高压极端条件下的设备，故障率明显低于火电机组。

表1 燃煤火电机组主要故障及后果Tab.1 Main faults and consequences of coal-fired thermal units

3 发电机组故障对电网影响及电力调度员的应对措施

3.1 发电机组故障对电网影响

发电机组故障对电网的影响主要是减出力、跳闸造成的有功缺额和有功、无功功率波动对电网造成的扰动。以下是3台火电机组和某水电厂故障时的功率曲线：图4是某1 000 MW容量火电机组1台一次风机故障，RB动作不成功，导致机组跳闸的有功功率曲线；图5是某1 000 MW容量火电机组6台磨煤机中5台因堵塞而中断供煤，最终导致跳闸的有功功率曲线；图6是某1 000 MW容量火电机组励磁系统测量信号错误，无功功率和有功功率同时出现波动的曲线；图7是某水电厂水库水位出现周期性波动，全厂有功功率随之波动的曲线。

图4 某1 000 MW容量火电机组故障跳闸（一次风机故障）Fig.4 1 000 MW capacity thermal power unit fault trip(a fan failure)

表2 常规水电机组主要故障及后果Tab.2 Main faults and consequences of conventional hydroelectric units

图5 某1 000 MW容量火电机组故障跳闸（磨煤机故障）Fig.5 1 000 MW capacity thermal power unit fault trip(pulverizer failure)

在迎峰度夏、迎峰度冬等负荷高峰，或有大面积停电风险的检修工作进行期间，大型发电机组减出力、跳闸可能会造成电网频率越限，低频切负荷装置动作，备用容量不足，输电断面越限，拉闸限电或有序用电，大型发电机组有功、无功波动可能引发电网震荡。

（1）电网频率越限，低频切负荷装置动作。在电网负荷高峰期，发电出力低于用电负荷，电网频率较低的情况下，突然有大型发电机组出力大幅突降或者跳闸，可能会导致电网频率越下限，严重的导致低频切负荷装置动作，发生大面积停电事件。

（2）备用容量不足。为满足正常供电和事故处理需要，电网备用容量比例应满足要求；为满足特高压直流受端电网的功率受入能力，必须保证直流短路比不低于要求值，也要求电网的备用容量应满足要求。大容量发电机组跳闸，会导致备用容量不足，增大停电风险，影响事故处理，降低直流输送功率。

（3）输电断面越限，拉闸限电或有序用电。有大面积停电风险的检修工作进行期间，与主网弱联系的局部电网内部大型机组减出力或跳闸，可能会造成局部电网与主网联系断面越限，为控制断面，要采取拉闸限电或有序用电措施。

图6 某1 000 MW容量火电机组功率波动（励磁系统故障）Fig.6 1 000 MW capacity thermal power unit fault trip(excitation system failure)

图7 某水电厂有功功率波动（水位周期性波动）Fig.7 A hydroelectric station active power fluctuations(water level fluctuations)

3.2 电力调度员的应对措施

电力调度员应对大型发电机组故障导致的减出力、跳闸或功率波动措施主要有：

（1）掌握发电机组常见故障及后果，提高对故障的警惕性和敏锐度，保证第一时间采取正确的处理措施；

（2）加强对发电机组监视，借助技术支持系统，对发电机组出力变化及时发现；要求电厂值班人员有故障异常要第一时间汇报调度员，明确故障异常的影响；

（3）做好发用电平衡工作，留足备用容量，尤其是快速备用容量，避免出现长时间负荷高于发电出力的低频状态，备用容量可能不足时，及时开出备用机组，备用容量不足导致直流短路比不满足要求的，应及时调减直流输送功率；

（4）有大面积停电风险的检修工作进行期间，应提前做好有序用电准备，发生机组减出力或跳闸造成输电断面越限的，应迅速采取有序用电措施，控制断面不越限，尽量避免拉闸限电。

（5）对于发电机功率波动，调度员应借助技术支持系统迅速监视到波动的发生，准确定位波动源，确定波动对电网影响的程度，排除周边电网故障对机组产生影响的可能，立即下令降低机组有功无功出力，退出机组PSS、一次调频功能，排除PSS、一次调频故障造成机组功率波动的可能，如果波动仍不能平息的，下令解列机组。

4 结论

燃煤火电机组和常规水电机组多种设备故障均会造成发电机减出力、跳闸或功率波动，在迎峰度夏、迎峰度冬等的负荷高峰，或有大面积停电风险的检修工作进行等情况下，可能会造成电网频率越限，低频切负荷装置动作，备用容量不足，输电断面越限，拉闸限电或有序用电。大型发电机组有功、无功波动可能引发电网震荡。

电力调度员的应对措施包括熟悉常见故障，明确故障影响；借助技术支持系统加强监视，及时发现故障；保持发用电平衡，避免出现长时间发电低于负荷；及时开机，保证足够的备用容量；有停电风险的检修工作期间，做好有序用电措施，避免紧急情况下的拉闸限电；迅速定位波动源，降低出力或解列机组。

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