汽輪機(jī)防超速功能失效的典型案例分析

張 寶，樊印龍，吳文健，顧正皓

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

汽輪機(jī)防超速功能失效的典型案例分析

張 寶，樊印龍，吳文健，顧正皓

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

介紹了DEH 3種典型的汽輪機(jī)防超速功能，結(jié)合甩負(fù)荷試驗，描述了每種防超速功能的正確動作過程，給出了相應(yīng)的失效案例。通過分析指出，防超速功能失效多發(fā)生在汽輪機(jī)控制系統(tǒng)改造或改型、汽輪機(jī)液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造、防超速功能邏輯或定值修改后以及甩負(fù)荷前靜態(tài)仿真試驗未進(jìn)行等情況下，建議要慎重對待汽輪機(jī)控制系統(tǒng)改造與定值修改工作，在甩負(fù)荷試驗之前應(yīng)通過靜態(tài)試驗對防超速功能進(jìn)行檢查。

汽輪機(jī)；甩負(fù)荷；試驗；防超速

0 引言

大型汽輪機(jī)是熱力發(fā)電廠最重要的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，出于安全、穩(wěn)定運(yùn)行的需要，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速時刻都要處于可控的范圍之內(nèi)，DEH（數(shù)字電液調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)）的防超速功能極為重要。汽輪機(jī)在正常并網(wǎng)運(yùn)行期間發(fā)生超速的可能性較小，在發(fā)生外部電網(wǎng)故障、造成機(jī)組被動甩負(fù)荷或因試驗、信號故障造成機(jī)組主動甩負(fù)荷的情況下，汽輪機(jī)是否超速，取決于防超速功能是否設(shè)計合理以及是否被正確執(zhí)行。

使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速時刻都處于可控范圍之內(nèi)，是對汽輪機(jī)DEH最基本的要求，因此眾多DEH生產(chǎn)商針對不同型式的汽輪機(jī)設(shè)計了相應(yīng)的防超速功能，均已取得了良好的效果[1]。對新投產(chǎn)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)重大改造的汽輪機(jī)，通過甩負(fù)荷試驗來檢驗動態(tài)調(diào)節(jié)性能是否合格、防超速功能是否可靠，是一項行之有效的措施[2]。國內(nèi)多臺機(jī)組在甩負(fù)荷試驗時出現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間過高飛升的問題，事后查明均為防超速功能失效所致。

1 汽輪機(jī)典型的防超速功能

廣義上講，一切有助于抑制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升的措施均可以看作汽輪機(jī)防超速功能，但如前所述，在汽輪機(jī)甩負(fù)荷瞬間轉(zhuǎn)速最容易失控飛升，此時的防超速功能就顯的尤其重要，因此以下所討論的汽輪機(jī)防超速功能，也正是指甩負(fù)荷瞬間汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速飛升抑制功能。

目前，國內(nèi)主流汽輪機(jī)控制系統(tǒng)中，汽輪機(jī)防超速功能的設(shè)計主要有LDA（甩負(fù)荷預(yù)測）功能、PLU（功率-負(fù)荷不平衡）功能以及KU（負(fù)荷瞬時中斷控制）或LAW（長甩負(fù)荷）功能。國內(nèi)三大汽輪機(jī)廠（東汽、上汽與哈汽）300 MW及以上容量機(jī)組的汽輪機(jī)配套的DEH中，東汽機(jī)組多采用PLU功能，上汽與哈汽機(jī)組多采用LDA功能，近年來投產(chǎn)的上汽-西門子型超超臨界汽輪機(jī)多采用KU與LAW功能。

2 LDA功能及其失效案例

2.1 典型的LDA功能設(shè)計

LDA功能一般借助汽輪機(jī)OPC（超速控制）功能實現(xiàn)。OPC功能動作時，OPC電磁閥失電動作，汽輪機(jī)所有調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉。在此基礎(chǔ)上，典型的LDA功能設(shè)計為以下2個措施同時使用：

（1）機(jī)組解列瞬間，如果此時的中壓缸排汽壓力大于30%額定值時，OPC動作2 s，高壓調(diào)節(jié)閥和中壓調(diào)節(jié)閥同時關(guān)閉，高壓調(diào)節(jié)閥在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速降到額定轉(zhuǎn)速后以下時開啟，中壓調(diào)節(jié)閥在首次OPC動作再延時2 s后開啟。以上所述的時間可以進(jìn)行優(yōu)化[3]。

（2）轉(zhuǎn)速超過103%額定轉(zhuǎn)速時，OPC動作，轉(zhuǎn)速降到102%額定轉(zhuǎn)速以下時，OPC恢復(fù)，如此反復(fù)多次，最終使汽輪機(jī)維持在額定轉(zhuǎn)速。

圖1為具有LDA功能汽輪機(jī)的典型甩負(fù)荷試驗曲線，甩負(fù)荷瞬間過程大致可描述為：并網(wǎng)信號消失，轉(zhuǎn)速飛升，10 ms～50 ms后OPC功能動作，再過約50 ms后高、中壓調(diào)節(jié)閥開始快關(guān)。這一過程的正確執(zhí)行，可基本保證甩負(fù)荷后汽輪機(jī)不超速。

圖1 典型LDA功能甩負(fù)荷瞬間試驗曲線

2.2 LDA功能失效案例

上汽某N600-16.7/537/537型汽輪機(jī)，采用上海新華DEH-ⅢA型數(shù)字式電液調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，使用LDA功能來抑制甩負(fù)荷后的轉(zhuǎn)速飛升。在50%甩負(fù)荷時，轉(zhuǎn)速飛升到3 151 r/min，與同類機(jī)型相比明顯偏高[4]，圖2為甩50%負(fù)荷瞬間過程曲線。

圖2 LDA功能失效時的甩負(fù)荷瞬間過程曲線

事后查明，造成上述異常的原因為：因并網(wǎng)信號虛接，上述LDA功能中措施1未按設(shè)計要求動作，甩負(fù)荷瞬間，高、中壓調(diào)節(jié)閥未立即快關(guān)，而是在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升到103%額定轉(zhuǎn)速時，OPC才動作。調(diào)門快關(guān)動作滯后，導(dǎo)致大量蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，造成甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速飛升偏高。

分析認(rèn)為，圖2中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子開始飛升后延時約110 ms高調(diào)門開始關(guān)閉，是DEH中轉(zhuǎn)速控制回路作用的結(jié)果。另外，一般OPC功能動作時，同時會設(shè)計有將調(diào)節(jié)閥開度指令強(qiáng)制置為0的控制邏輯，通過伺服閥來關(guān)閉各調(diào)節(jié)閥。上述故障消除后，進(jìn)行100%甩負(fù)荷試驗，轉(zhuǎn)速最高值為3 158 r/min，屬正常范圍。

無獨(dú)有偶，某上汽600 MW機(jī)組汽輪機(jī)在進(jìn)行50%負(fù)荷試驗時，轉(zhuǎn)速最高飛升到3 280 r/min；事后查明，甩負(fù)荷試驗過程中，該汽輪機(jī)OPC功能沒有動作，LDA功能完全失效，甩負(fù)荷后的轉(zhuǎn)速只通過轉(zhuǎn)速回路來調(diào)節(jié)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速飛升過高。

以上2個案例說明，DEH轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路在抑制甩負(fù)荷后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升方面有一定作用，但不足以保證汽輪機(jī)不超速；LDA功能正確動作可以確保甩負(fù)荷后汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速飛升不超允許范圍；準(zhǔn)確判斷防超速功能觸發(fā)時機(jī)是其被正確執(zhí)行的前提條件。

3 PLU功能及其失效案例

3.1 典型的PLU功能設(shè)計

PLU功能是根據(jù)瞬間功率變化來判斷機(jī)組是否甩負(fù)荷，并通過快關(guān)所有調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)對汽輪機(jī)甩負(fù)荷后超速的抑制，在東汽引進(jìn)日立系列汽輪機(jī)上應(yīng)用較多。PLU功能一般與ACC（加速度限制）功能配合使用，共同抑制汽輪機(jī)在甩負(fù)荷時轉(zhuǎn)速飛升，典型設(shè)計如下：

（1）PLU功能。再熱器出口壓力與發(fā)電機(jī)電流之間的偏差超過設(shè)定值并且發(fā)電機(jī)電流每10 ms減少超過40%時，功率－負(fù)荷不平衡繼電器動作，迅速關(guān)閉汽輪機(jī)所有調(diào)節(jié)閥3 s，抑制汽輪機(jī)的超速。一段時間后，中壓調(diào)節(jié)閥恢復(fù)由伺服閥控制，并最終維持汽輪機(jī)在額定轉(zhuǎn)速。

（2）ACC功能。當(dāng)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速大于3 060 r/min、加速度大于49（r/min）/s時，ACC（加速度繼電器）RELAY動作，快速關(guān)閉中壓調(diào)節(jié)閥2.5 s，從而抑制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速飛升。

圖3為具有PLU功能汽輪機(jī)的典型甩負(fù)荷試驗曲線，甩負(fù)荷瞬間過程大致可描述為：并網(wǎng)信號消失，轉(zhuǎn)速飛升，約30 ms～50 ms后PLU功能動作，高、中壓調(diào)節(jié)閥快關(guān)。這一過程正確執(zhí)行，也可保證甩負(fù)荷后汽輪機(jī)不超速。

圖3 典型PLU功能甩負(fù)荷瞬間試驗曲線

3.2 PLU功能失效案例

某東汽N600-24.2/566/566型汽輪機(jī)，采用日本日立HIACS-5000M型DEH系統(tǒng)，用PLU功能來抑制甩負(fù)荷后的轉(zhuǎn)速飛升。在50%甩負(fù)荷時，轉(zhuǎn)速飛升到3 237 r/min，明顯偏高，圖4為甩50%負(fù)荷瞬間過程曲線。

事后查明，造成上述異常的原因為：因2號中壓調(diào)節(jié)閥快關(guān)電磁閥就地電源插頭脫落，甩負(fù)荷試驗時沒有快關(guān)。甩負(fù)荷時的記錄曲線（見圖4）正巧沒有將2號中調(diào)門接入，在事后為查找原因進(jìn)行仿真試驗時發(fā)現(xiàn)了這一問題。問題解決后，重新進(jìn)行50%甩負(fù)荷試驗，最高轉(zhuǎn)速3 079 r/min；進(jìn)行100%甩負(fù)荷試驗，最高轉(zhuǎn)速3 192 r/min；均在正常范圍。

實際上，類似的機(jī)組在進(jìn)行甩負(fù)荷試驗時，中壓調(diào)節(jié)閥無法正常關(guān)閉的案例也發(fā)生過。一臺日本東芝公司早期生產(chǎn)的600 MW機(jī)組亞臨界汽輪機(jī)在DEH改造后進(jìn)行100%甩負(fù)荷試驗時，超速保護(hù)動作，最高轉(zhuǎn)速到3 405 r/min[5]。事后查明，均壓室內(nèi)壓力突降導(dǎo)致中壓調(diào)節(jié)閥快關(guān)過程中存在開度反彈，從而使得汽輪機(jī)甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速飛升過高。

以上案例充分說明，汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗要嚴(yán)格按規(guī)定要求分級進(jìn)行，100%甩負(fù)荷試驗必須在50%甩負(fù)荷試驗結(jié)果合格后進(jìn)行；甩負(fù)荷試驗時，應(yīng)將所有調(diào)節(jié)閥的開度信號接入快速記錄儀；調(diào)節(jié)閥的快速可靠關(guān)閉是防超速功能正常發(fā)揮作用的重要保證。

圖4 PLU功能失效時的甩負(fù)荷瞬間過程曲線

4 KU和LAW功能及其失效案例

4.1 典型的KU和LAW功能設(shè)計

目前，上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)的西門子超超臨界汽輪機(jī)一般采用KU與LAW功能來完成對機(jī)組甩負(fù)荷后的轉(zhuǎn)速飛升抑制，DEH系統(tǒng)根據(jù)功率信號的變化判斷是否發(fā)出KU或LAW信號。典型設(shè)計是發(fā)生以下2種情況時，系統(tǒng)會發(fā)出KU信號[6]：

（1）當(dāng)前負(fù)荷較高（如90%額定負(fù)荷）時，如果突然出現(xiàn)負(fù)荷干擾大于負(fù)荷跳變限值（約70%額定負(fù)荷）。

（2）當(dāng)前負(fù)荷較低（如60%額定負(fù)荷）時，以下條件同時滿足：實際負(fù)荷小于2倍廠用電；負(fù)荷控制偏差大于2倍廠用電；實際負(fù)荷大于負(fù)荷負(fù)向限值。

機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時，如果發(fā)生瞬時負(fù)荷中斷，則負(fù)荷中斷信號KU被送至轉(zhuǎn)速負(fù)荷調(diào)節(jié)模塊，使調(diào)節(jié)汽門關(guān)小。如果在負(fù)荷干擾識別時間（一般為2 s）內(nèi)，上述2種情況消失并回到正常狀態(tài)，則系統(tǒng)不會發(fā)出LAW（信號）。如果以上2種情況繼續(xù)存在，則發(fā)出LAW信號，改變轉(zhuǎn)速負(fù)荷調(diào)節(jié)模件的工作狀態(tài)，使目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定值、延時轉(zhuǎn)速設(shè)定值維持在額定轉(zhuǎn)速。

圖5為具有KU與LAW功能汽輪機(jī)的典型甩負(fù)荷試驗曲線。從多臺機(jī)組的試驗情況看，DEH中的KU信號與LAW信號無法接入數(shù)據(jù)記錄儀，試驗過程未能記錄到這2個信號，KU與LAW功能動作情況可從高、中壓調(diào)節(jié)閥動作情況推測。此時，甩負(fù)荷瞬間過程大致可描述為：并網(wǎng)信號消失，轉(zhuǎn)速飛升，約30 ms～50 ms后調(diào)節(jié)閥開始減小，KU功能動作，約100 ms到200 ms后，高、中壓調(diào)節(jié)閥快關(guān)。

圖5 典型KU與LAW功能甩負(fù)荷瞬間試驗曲線

4.2 KU功能失效案例

某上汽-西門子660 MW超超臨界汽輪機(jī)，DEH系統(tǒng)采用Ovation公司設(shè)備，使用KU與LAW功能來抑制甩負(fù)荷后的轉(zhuǎn)速飛升。在50%甩負(fù)荷時，轉(zhuǎn)速飛升到3 126 r/min，明顯偏高，圖6為該機(jī)組甩50%負(fù)荷瞬間過程曲線。

事后查明，造成轉(zhuǎn)速飛升偏高原因為：甩負(fù)荷后，高壓調(diào)節(jié)閥沒有按設(shè)計要求快關(guān)。通過查看DEH歷史記錄發(fā)現(xiàn)，高壓調(diào)節(jié)閥快關(guān)電磁閥沒有接收到快關(guān)指令，其原因是：KU功能觸發(fā)、高調(diào)閥流量指令置最小值后，“高調(diào)閥流量控制指令與反饋偏差大于40%時觸發(fā)快關(guān)”這個條件在50%甩負(fù)荷試驗時沒有滿足，而同類型機(jī)組該值一般設(shè)置為25%，此處設(shè)置為40%明顯偏大。將該值修改為25%，進(jìn)行100%甩負(fù)荷試驗，轉(zhuǎn)速最高為3 191 r/min，與同類型機(jī)組基本一致。

另一臺同類型機(jī)組50%甩負(fù)荷試驗，轉(zhuǎn)速最高值為3 098 r/min，屬正常范圍，但100%甩負(fù)荷試驗時，轉(zhuǎn)速最高值為3 320 r/min，汽輪機(jī)超速保護(hù)動作[7]。事后查明，該機(jī)組DEH中調(diào)節(jié)閥快關(guān)觸發(fā)邏輯頁掃描周期模式是慢速，處理器負(fù)荷率和網(wǎng)絡(luò)通信速度的隨機(jī)性，使得快關(guān)指令發(fā)出到電磁閥動作時間在80～850 ms間隨機(jī)變化，從而導(dǎo)致50%甩負(fù)荷試驗結(jié)果正常，而100%甩負(fù)荷試驗失敗。該機(jī)組處理方法為：增加“并網(wǎng)信號消失、高中壓調(diào)節(jié)閥跳閘電磁閥失電1 s”邏輯；并將相關(guān)站間通信點(diǎn)的掃描頻率由慢速改為快速；整改后多次測試，結(jié)果正常。

以上案例充分說明，汽輪機(jī)防超速功能相關(guān)定值修改要慎重，如要進(jìn)行修改，應(yīng)進(jìn)行必要的測試，以確保修改不會影響防超速功能正常發(fā)揮作用。

圖6 KU功能失效時的甩負(fù)荷瞬間過程曲線

5 結(jié)語

國內(nèi)近年來雖未發(fā)生惡性汽輪機(jī)超速事故，但轉(zhuǎn)速瞬間失控飛升的情況仍時有發(fā)生，安全隱患不容忽視。在DEH控制系統(tǒng)改造或改型、汽輪機(jī)液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造、防超速功能邏輯或定值修改、甩負(fù)荷前靜態(tài)仿真試驗未進(jìn)行等情況下進(jìn)行甩負(fù)荷試驗，防超速功能失效事件多發(fā)。因此，應(yīng)慎重對待DEH系統(tǒng)改造與定值修改工作，在甩負(fù)荷試驗之前應(yīng)通過靜態(tài)試驗對防超速功能進(jìn)行檢查。

應(yīng)根據(jù)機(jī)型特點(diǎn)從3種典型的防超速功能中選擇1種即可，冗余配置反而會增加誤動的可能，改造機(jī)組應(yīng)尤其注意這一問題。就甩負(fù)荷瞬間而言，如果LDA，PLU，KU等防超速功能故障判斷正確、控制器響應(yīng)迅速、邏輯執(zhí)行到位、汽輪機(jī)閥門快關(guān)動作正常，并經(jīng)過靜態(tài)仿真試驗驗證，基本可保證甩負(fù)荷時汽輪機(jī)不會發(fā)生超速事故。

[1]田豐.我國600 MW等級汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗現(xiàn)狀分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2010，52（3）∶221-224.

[2]DL 1270-2013火力發(fā)電建設(shè)工程機(jī)組甩負(fù)荷試驗導(dǎo)則[S].北京∶中國電力出版社，2014.

[3]胡洲.采用高壓缸啟動方式機(jī)組OPC功能試驗研究[J].熱力發(fā)電，2013，42（9）∶81-86.

[4]張寶，徐熙瑾，沈全義.甩負(fù)荷預(yù)測功能失效時的甩負(fù)荷試驗[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48（2）∶124-126.

[5]童小忠，張寶，周軼喆，等.汽輪機(jī)再熱調(diào)節(jié)閥快關(guān)過程異常分析及處理[J].熱力發(fā)電，2009，48（11）∶53-56.

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[7]王學(xué)根.某超超臨界660 MW燃煤機(jī)組FCB試驗不成功原因分析及改進(jìn)[J].華東電力，2014，42（7）∶1503-1505.

（本文編輯：陸 瑩）

Analysis on Typical Case of Overspeed Prevention Failure of Steam Turbine

ZHANG Bao，F(xiàn)AN Yinlong，WU Wenjian，GU Zhenghao
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The paper introduces three typical overspeed prevention functions of steam turbine.In combination with load shedding test，the paper describes the correct action process of each overspeed prevention function and gives corresponding failure cases.Through analysis，the paper points out that the failure of overspeed prevention mostly occurs after the control system of steam turbine is retrofitted or remodeled，steam turbine hydraulic governing system is retrofitted，logic or setting value modified and absence of static simulation test prior to load shedding.This paper suggests being serious about control system retrofit of steam turbine or setting value modification；moreover，checking overspeed prevention function through static simulation test before load shedding test is conducted.

steam turbine；load shedding；test；overspeed prevention

TK264.2

B

1007-1881（2015）09-0053-05

2015-07-15

張 寶（1978），男，碩士，高級工程師，主要從事大型汽輪機(jī)控制與節(jié)能技術(shù)研究工作。