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。
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，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。
现在再从不利的因素来分折，如果中压调门快关以后打不开又将会产生怎么样的后果?第一秒钟充入蒸汽40m3，再热器进口与出口汽压升到相等，升到1．073P2N以后每—秒钟充入蒸汽40m3再热器压力直线上升。待出口安全门动作时，开始按安全门的排汽量向空排汽，此时向再热器净的充入汽量城小，汽压上升坡度减小。待进口安全门动作时，再热器诤的充入汽量进一步减小，汽压上升坡度更小。最终因全部安全门排汽量与高压缸排汽量相匹配，约在l0秒后汽压将保持稳定，不再上升。如果在1.3秒时打开Ⅱ级旁路，则增加了旁路的排汽量，汽压上升速度更慢，再加上安全门排汽量，到达第7秒时汽压升到l.26倍，然后开始降压。
压调门关闭后，再热器压力变化曲线
①旁路不开再热器压力曲线
②Ⅱ级旁路打开后再热器压力曲线
P2N额定汽机工况时再热器出口压力。
中调门打不开，中低压缸长期运行不允许的。在1.3秒打开Ⅱ级旁路是缓兵之计，使汽压上升速度减侵，但最终必须停机。
这些要求应能在逻辑功能上来完成。至于在中调门关闭过程，再热蒸汽不流动，再热器干烧，在十秒钟之内温度不可能升到不安全的程度。中、低压缸无蒸汽运行，在十秒钟内对叶片也不可能到危险程度。因此，即使逻辑回路失灵，也完全有可能由值班人员手动进行处理。如果快关去动作关闭高压调门是不合适的，再热器内蓄储的大量蒸汽继续以，70％的额定功率在中、低压缸内作功能维持好几秒钟。所以快关都采取关闭中压调门或中压主汽门的措施。
再看凝结水系统，仍以600MW机为例，一秒钟内凝结水泵仍以快关前相当于额定工况(600MW)下流量向除氧器供水，额定工况凝结水量为1100t／h，一秒种打出水量；0.3t，凝结器内虽然没有排汽的凝结水补充；从热井内打出0.3m3的水量不会影响热井内的水位；当然；相应的除氧器。水箱水位、汽包水位均不会有所波动、由于热力系统的汽、水流量不变，因此影响锅炉的燃烧及主蒸汽参数。
快关过程发电机的输出有功功率虽有大幅度波动，但三相是对称的，不存在次同步谐振或倍频谐振，因此对机组的大轴不存在促使扭振的扰动力。大轴各段的扭矩却发生了变化。正常工况时轴系的最大扭矩在于发电机与低压缸连接的这一段轴段上。当中压调门关闭时，中、低压转子的输入扭矩消失。从高压缸出轴端开始到发电机这—段(包中低压大轴)的扭矩在各端面是相等，而且等于额定功率下扭矩的30％。
轴系上扭矩的变化比起甩负荷或发电出口短路时的扭矩突变要小得多，完全在设计所能承受的冲击以内。
如果中低压缸都是双流结构，则轴向力每个缸各自平衡，中压调门关闭后推力有变化。如果中压缸为单流结构，则正常行时中压缸的推力与高压缸的推力相互衡。当中压调门关闭时，中压缸堆力消失，向承受了高压缸的推力，这种工况在汽轮机设计已经考虑了推力轴承的承受能力，也是允许的。
总之，一秒钟的扰动对热力系统和热力设备几乎不产生影响，可是对电力系统的稳定却起了决定性的作用。相反，如果不采取快关只能采取以往的切机措施。切机后对热力系统和电力系统的大幅度波动，增加了运行人员的大量操作调整，几十分钟内难以恢复，发生事故的可能要大得多了。同时，对热力设备热应力的影响和寿命的影响也较大。每一次甩负荷后再空转20分钟对汽机热应力循环疲劳的寿命约消耗0．035％，附加热应力可达700MPa(70kg／mm2)以上：而快关一秒钟汽机各部金属温度来不及反应，也不会有热应力的变化。
4 快关时对电气设备和厂用电系统的影响
大型发电机都选用快速响应的励磁调节器。一秒钟过程的扰动足够让励磁调节器作出响应，改变励磁电流。中压调门关闭以后有功功率下降到原有的3Q％，而无功功率将比原有值略有增大，功率因数降低(滞后)，引起发电机端电压的升高。励磁调节器的测量元件将测出端电压与给定值的偏差ΔU，又测量出无功电流对ΔU的补偿，调节器的输出信号将使转子电流减小。但为了保持机端电压在给定值(此给定值是快关前100％负荷时的给定值)，无功功率减小不多，不会减到30％。因此，快关后的功率因数比快关前为低。这对系统稳定是有好处的，因为端电压不变情况下功率因数降低就是提高发电机的内电势E1，由E1升高到E‘1，相应于功率特性曲线峰值的升高(因为P＝ Sin )。
功率曲线峰值的提高就减小了加速面积，同时加大了减速面积。因此，调节器的反应对动稳定起到阻尼作用。
既然发电机的端电压不变，对发电厂的整个厂用电系统不会因快关而发生波动。
5 快关的逻辑框图的设计和整定
5．1触发信号
快关的起动触发指令可以有外部指令与内部指令两大类。外部指令可以由值班人员或调度值班员的手起动指令，也可以根据系统稳定计算得出的某一元件跳闸指令或某一元件功率高限值的指令。这些指令的开关量通过传输通道，从远方传送到电厂起动快关。内部指令则是比较汽机输入功率和发电机输出功率的差值，该差值与设定的差值进行比较，当差值等于或大于设定值时发出快关输出，关闭中压调门。汽轮机各级压力都是汽机进汽参数的函数，采用中压缸排汽压力经过函数换算来代表汽机输入功率是比较理想的。发电机输出功率可以从机湍功率变送器获得信号。为了保证这些信息的真实性，防止误动作，应采用双通道进行真伪辨识。功率变送器最好从不同的PT和CT获得功率信息，防止PT熔丝熔断而误动作。定值设定器是一个以额定功率为基础的百分数，可以从10％调到100％。设定值的大小应根据系统稳定计算来决定，一般可整定在30-50％。如果设在100％，等于快关功能停用，要待发电机满载时出口断路器跳闸，负荷甩到零才起作用，而在这种情况下汽轮发电机组的超速保护起动关闭所有阀门。
5．2延时回路 ‘
中压调门关闭后，汽轮发电机相当于发生一次制动，系统的动稳定一般在一秒钟快关逻辑框图内巳经得到保证。中压调门关闭的持续时间不允许过长，否则会引起热力系统的扰动。延时器的作用可以在设定的延时时间以后重新开启中压调门．延时器的定值可由0.3—1秒范围内调整．中压调门开启后再经1-2秒的延时完成复置。复置后再重新比较功率差值，如仍在设定值以上可能再进行一次快关动作；2秒后如中压调门因故障打不开，则开启Ⅱ级旁路，5秒后将机组跳闸。
6 对国产200bGW、如300MW机快关的改造
200MW，300MW机组在我国电网中仍占着主力机地位。系统暂套过程中对200MW、300MW机组采取稳定措施仍有重大意义。国产200MW和300MW汽轮机的调速系统都是液压调节，对其中压调门实施快关是可能的。但由于调节油压较低，因此，其关闭动作时间较长，可达0．5秒，对动稳定的效果略差。而对中压主汽门实现快关，在调节油系统稍加改进，可以同样取得快关的效果。这两类机组在调节保安系统中已设有在运行中对逐个主汽门进行活动试验的措施，这一技术措施的目的在于定期检查主汽门是否有卡涩现象。实现这一技术措施的方法是在每只主汽门油动机的起动油路系统装设了一只活动试验错油门。当手动改变错油门的位置就能改变油动机的油压，使主汽门上下(开、关)移动。如果对此错油门稍加改进，改变其节流孔的孔径使油压有较大幅度和较快的波动，就可实现快速关闭和快速开启。在此错油门上加装两个电磁线圈就可以由快关输入信号来启动和复置。
快关的逻辑盘完全可以自行设计和制作。目前国产大机组上设有“电超速保护”，也具有快关的类似功能。但其电功率信号取自发电机的定于电流不太合理，应改为功率信号。其次是机功率信号与电功率信号的设定值是分别固定的，是一个“与”门逻辑，也就是说只有当负荷从60％(机功率设定值)以上突降到25%(电功率设定值)以下时才能动作。如果从100％下降到26%(达不到设定值）却不能动作，从59％(达不到设定值)下降到0％也不动作，这显然是不符合以 P为设定值的原则。最后电超速保护动作关闭的是高压调门，然后经一定时限再复置到空载转速，其动作时间较长，对动稳定效果较差。
7 结束语
总之，快关是有利而无害。平圩电厂的汽轮发电机组是引进美国西屋公司技术由哈汽厂制造的。该机配有DEH—MODEⅡ数字电液调节系统，并具有快关功能。在电网需要的时候，可通过稳定计算，下达整定值即可投入使用。可能成为我国投入快关的第一台大型机组，为华东电网作出贡献。
安徽省电力试验研究所 倪安华
