功率負荷不平衡下變頻率OPC控制①

羅 嘉，李 軍，張紅福

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州 510600；2.廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司，廣州 510600）

電力系統(tǒng)高頻率運行將導(dǎo)致設(shè)備受損甚至破壞，引起電力系統(tǒng)崩潰等［1］。發(fā)電機高頻自動切機保護根據(jù)電網(wǎng)當前頻率來判斷是否切機，當電網(wǎng)頻率升高到一定值時，保護裝置經(jīng)過一定延時切除發(fā)電機［2］。典型的超速保護具有2項功能：

1）汽輪機103%超速保護，即當汽輪機轉(zhuǎn)速升高至額定轉(zhuǎn)速的103%（3090 r／min）時，關(guān)閉主汽調(diào)節(jié)閥和再熱調(diào)節(jié)閥，使汽輪機迅速減負荷。汽輪機103%超速保護動作時對應(yīng)系統(tǒng)頻率為51.5 Hz，這類保護就是通常所說的OPC（over speed protection control超速保護控制）；

2）汽輪機110%超速保護，當汽輪機轉(zhuǎn)速超過110%額定轉(zhuǎn)速時，將迅速關(guān)閉主汽門、高壓調(diào)節(jié)汽門和中壓調(diào)節(jié)汽門，切除汽輪機，以防止引起重大事故。

在某些情況下，OPC對保持電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定起到了良好的作用［3］。但是，如果多臺大機組的OPC同時動作，可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率突然下降。這種情況下，當系統(tǒng)頻率上升到汽輪機103%超速保護門檻值時，引起系統(tǒng)內(nèi)所有裝設(shè)OPC超速保護的火電機組快速關(guān)閉調(diào)節(jié)汽門，終止出力。于是系統(tǒng)頻率出現(xiàn)驟降，待頻率降低至50 Hz以下時，終止出力的機組又恢復(fù)出力，甚至可能使電網(wǎng)大規(guī)模地甩負荷，發(fā)生頻率振蕩或頻率失穩(wěn)事故，最終造成整個電網(wǎng)崩潰［4］，而且機組在甩負荷時由于蒸汽壓力高會使汽門頻繁開關(guān)，給機組軸系和熱力系統(tǒng)造成頻繁沖擊，嚴重影響機組安全［5］。因此OPC策略的合理與否關(guān)系著電網(wǎng)和電廠兩方面的安危，從電網(wǎng)安全運行角度考慮，希望高頻切機保護的動作門檻值能有所不同，在電網(wǎng)頻率上升51.5%之前時能首批切掉1～2臺機組；從電廠安全角度考慮，希望在甩負荷時，轉(zhuǎn)速能夠得到更好的控制［6］。

根據(jù)電網(wǎng)頻率動態(tài)特性來整定發(fā)電機組OPC定值，進行機網(wǎng)協(xié)調(diào)是目前關(guān)注的熱點，多數(shù)解決方案是在局部地區(qū)內(nèi)不同機組采用不同OPC動作定值，分批次切掉網(wǎng)內(nèi)負荷［1］，本文以珠海電廠1期2×700 MW機組為例介紹一種根據(jù)功率不平衡情況來改變OPC動作定值的控制方式。可以從另外的角度提供一種穩(wěn)定電網(wǎng)頻率保證機組運行安全的途徑。

1 設(shè)備概況

珠海發(fā)電廠一期為日本三菱2×700 MW亞臨界機組。進汽機構(gòu)由2個MSV（main steam valve高壓主汽門）、4個GV（governor valve高壓調(diào)節(jié)汽門）、2個RSV（reheat stop valve中壓主汽門）和4個ICV（interceptor valve中壓調(diào)節(jié)汽門）組成。其中中壓主汽門和中壓調(diào)節(jié)氣門設(shè)在同一閥體內(nèi)，組成中壓聯(lián)合汽門。系統(tǒng)采用高壓抗燃油，液壓機構(gòu)采用一個油動機帶一個閥門的控制方式，高壓主汽閥、高壓調(diào)節(jié)閥及中壓調(diào)節(jié)閥均采用連續(xù)控制方式，由電液伺服閥進行驅(qū)動，中壓主汽閥采用電磁閥控制方式［7］。

熱控設(shè)備為日本三菱DIASYS－UP的DCS（distributed control system分散控制系統(tǒng)）。DEH系統(tǒng)（digital electro－h(huán)ydraulic control數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)）是掛在DIASYS－UP分散控制系統(tǒng)以太網(wǎng)上的獨立系統(tǒng)，它通過以太網(wǎng)可以與其它系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，并實現(xiàn)對汽輪機組從啟動、升速到帶負荷的全過程控制。DEH系統(tǒng)控制功能包括：轉(zhuǎn)速控制，負荷－頻率控制，轉(zhuǎn)子應(yīng)力計算，閥試驗功能，超速保護及試驗，閥門切換和閥門管理。圖1所示為該廠DEH系統(tǒng)調(diào)速控制系統(tǒng)模型框圖。

圖1 調(diào)速器模型Fig.1 Speed governing device

2 OPC控制邏輯分析

2.1 OPC保護邏輯

珠海電廠700 MW機組OPC保護功能在DEH柜內(nèi)依靠硬回路實現(xiàn)［8］。OPC功能在甩負荷或超速時快關(guān)GV、ICV以控制汽機轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速維持3000 r／min。OPC的控制邏輯以中壓缸進汽壓力與發(fā)電機功率之差，產(chǎn)生“ΔMW”信號值（0%～30%負荷為0，30%～60%負荷為0～1之間的某值，大于60%負荷為1），此信號與轉(zhuǎn)速在3000～3210 r／min之間產(chǎn)生的信號（0～1之間的某值）疊加，若大于等于1，則OPC動作。OPC邏輯判斷通過模件MTSD11輸出至MOPC11模件，作三選二判斷，輸出驅(qū)動OPC電磁閥。

OPC動作具體值如圖2所示：

1）在0%～30%的功率負荷不平衡期間，當實際轉(zhuǎn)速≥3210 r／min時，OPC動作。

2）在30%～60%的功率負荷不平衡期間，Y＝－7／30×X＋1.14時，Y＝實際轉(zhuǎn)速／3 000r／min，X＝｜中壓缸進汽壓力（折算為額定工況下的百分比）－發(fā)電機功率（折算為額定工況下的百分比）｜，OPC動作。

3）60%以上功率負荷不平衡時，無論轉(zhuǎn)速為多少，OPC都動作。

圖2 OPC產(chǎn)生邏輯圖Fig.2 OPC logic diagram

2.2 FV保護邏輯

珠海電廠2號機FV保護功能在DEH柜內(nèi)依靠硬回路實現(xiàn)。FV就是指中調(diào)門快關(guān)，由于中低壓缸的出力占總出力的70%左右，在突然甩負荷時，快關(guān)中調(diào)門可控制汽機轉(zhuǎn)速的飛升，所以在甩負荷大于40%時，F(xiàn)V動作。FV邏輯判斷是通過MTSD12，再經(jīng)過MTCL11作三選二判斷，輸出驅(qū)動FV電磁閥。FV觸發(fā)條件存在時，中調(diào)門每隔10 s關(guān)閉一次，關(guān)閉約300 ms后打開。

3 OPC動作情況的測試

3.1 OPC動作調(diào)門關(guān)閉時間測試

選擇1、2路轉(zhuǎn)速輸入，當轉(zhuǎn)速信號加到3219 r／min時，OPC動作，所有調(diào)門迅速關(guān)閉，其行程曲線平滑、完整、沒有抖動，汽門在OPC動作下動態(tài)特性良好，關(guān)閉時間符合標準。OPC動作后調(diào)門關(guān)閉記錄曲線見圖3所示，調(diào)門關(guān)閉時間見表1。

表1 終端節(jié)點回路鏈表Tab.1 Loop－link table of the terminal nodes

圖3 OPC動作調(diào)門關(guān)閉時間動作曲線Fig.3 Curves of valve closing when OPC acting

3.2 功率負荷不平衡回路測試

為驗證其功率不平衡回路動作的正確性，這里模擬了4種不同的工況，首先假定在實際功率為零，再分別4種情況下確定其中壓缸進汽壓力，以便模擬實際中功率不平衡情況的發(fā)生，通過頻率發(fā)生器，在轉(zhuǎn)速輸入回路端子上加入3000 r／min的轉(zhuǎn)速信號，逐步增加頻率發(fā)生器的頻率值，直至OPC保護動作，動作情況見表2，動作響應(yīng)正確。

表2 功率不平衡功能測試結(jié)果Tab.2 Results of power－load imbalance

3.3 FV動作回路測試

增加中壓缸入口蒸汽壓力信號至1.56 MPa時，F(xiàn)V繼電器開始動作。額定工況下中壓缸入口蒸汽壓力3.88 MPa，而實際功率信號為零，功率不平衡40%中壓缸入口蒸汽壓力理論值為1.55 MPa，因此認為FV動作值正確。圖4是FV動作后中FV繼電器動作5次的過程。中壓缸入口蒸汽壓力模擬信號增至1.58 MPa時，F(xiàn)V繼電器動作；當FV觸發(fā)條件一直存在時，F(xiàn)V繼電器每隔約10 s動作一次，動作約300 ms后復(fù)位。見圖2。說明FV邏輯正確，動作響應(yīng)正確。

3.4 甩負荷試驗結(jié)果

通過甩負荷試驗可以實際確認該OPC控制邏輯的實際投運效果。實際分別進行了25%、50%、75%、100%等4種工況下的甩負荷試驗，其中100%甩負荷工況最為惡劣，其最大飛升轉(zhuǎn)速為3174 r／min，到達最大轉(zhuǎn)速時間2.02 s，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時間27.62 s，可見轉(zhuǎn)速控制效果良好。

圖4 FV動作時間曲線Fig.4 Curve of valve closing when FV acting

4 結(jié)束語

本文介紹的這種思路和方法，與目前國內(nèi)已經(jīng)普遍采用的3090 r／min時OPC動作，及目前正在推廣的在局部區(qū)域內(nèi)的不同機組采用不同的OPC定值方案不同，而是采用了當功率負荷不平衡在0%～30%區(qū)間采用定值OPC控制，在30%～60%區(qū)間采用線性O(shè)PC定值控制，在60%以上區(qū)間OPC無條件動作的變頻率控制方式，對抑制電網(wǎng)振蕩、迅速恢復(fù)功率、防止事故擴大和保障汽輪機設(shè)備有重要意義［9］，為我國電網(wǎng)安全穩(wěn)定措施及機網(wǎng)協(xié)調(diào)方案的制定提供了有益的借鑒。

［1］ 陳興華，羅向東，吳國丙，等（Chen Xinghua，Luo Xiangdong，Wu Guobing，et al）.廣東中珠電網(wǎng)電磁解環(huán)運行的機網(wǎng)協(xié)調(diào)方案（A machine－network coordination scheme of electromagnetic ring rejection for Guangdong Zhong－zhu power gid）［J］.南方電網(wǎng)技術(shù)（Southern Power System Technology），2008，2（3）：57－59.

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