汽輪機超速的理論計算及控制保護

谷堃鵬

（哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150036）

0 引言

汽輪發(fā)電機組的超速量=（實際轉(zhuǎn)速-額定轉(zhuǎn)速）*100%/額定轉(zhuǎn)速）過大會引起電廠重大事故。為保證機組在各工況下的安全運行，在調(diào)試和運行階段電廠會進行一系列的超速試驗，以驗證機組設(shè)計的合理性和確保超速保護裝置的可靠性，從而杜絕由于轉(zhuǎn)速過高引起的不可挽回的事故，如低壓末級葉片斷裂形成飛射物。汽輪機超速量主要與啟動時間，閥門關(guān)閉時間、延遲時間，腔室殘留蒸汽量等因素有關(guān)。本文通過對案例機組超速量的計算來介紹一種超速量的計算方法并對產(chǎn)生嚴重超速事故的原因進行分析。

1 計算方法及案例分析

目前國內(nèi)制造廠由于技術(shù)路線不同，使用的計算超速量的方法也各有不同，但總體思路均是根據(jù)能量守恒，將蒸汽的能量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的動能，從而計算出機組轉(zhuǎn)速。各種算法無所謂優(yōu)劣，只要符合機組特性即可。本文以某百萬機組為例，介紹一種汽輪機超速理論計算的方法，以供參考借鑒。案例機組的主要閥門配置如圖1所示，新蒸汽通過主汽閥（MSV）和主調(diào)閥（GV）后進入高壓汽輪機做功，高壓排汽去濕再熱后，流經(jīng)再熱主閥（RSV）和再熱調(diào)閥（ICV）進入低壓汽輪機。

圖1 主要閥門布置圖

汽輪發(fā)電機組的超速量與啟機時間（Ta）及閥門關(guān)閉時間（Tvalv）e有關(guān)。Ta指汽機在額定蒸汽流量下從0轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速所需的時間，啟機時間根據(jù)轉(zhuǎn)子時間常數(shù)公式計算，具體如下：

式中：Ta為汽輪機啟機時間（s）；GD2為轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；ω 為角速度（rad/s）；N 為汽輪機額定功率（kW）.

汽輪機超速總量⊿n（%）根據(jù)以下公式計算[1]

當t滿足以下情況時，表示機組在極短時間t內(nèi)超速達到最大值，在時間t～T之間進入蒸汽已不能是轉(zhuǎn)速升高，因此⊿n2～⊿n5取值為0（%），詳見表1.

表1 ⊿n2～⊿n5的取值

式中各參數(shù)的含義及取值見表2.t為經(jīng)驗值，α、β、fHP、fLP、THP、TLP是機組的已知參數(shù)，在機組熱力設(shè)計和通流設(shè)計完成后即可確定，閥門的關(guān)閉時間和延遲時間為試驗數(shù)據(jù)。

表2 上式中各參數(shù)的含義及取值

通過以上計算得到機組最大轉(zhuǎn)速的超速量為額定轉(zhuǎn)速的5.6%，案例機組的合同規(guī)定允許最大超速量為10%，計算值滿足合同規(guī)定。

在機組運行中，如果失去了對轉(zhuǎn)速的控制，輕則影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行，重則發(fā)生安全事故。所以現(xiàn)代化大型機組普遍具有轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)及超速保護裝置以實現(xiàn)機組安全穩(wěn)定的運行。

2 轉(zhuǎn)速控制及超速保護

主汽輪機控制系統(tǒng)通過自動調(diào)節(jié)進入汽輪機的蒸汽流量來控制汽輪機的轉(zhuǎn)速及負荷。汽輪機數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過位于中心控制室的可視化操作平臺控制汽輪機的轉(zhuǎn)速和輸出功率。汽輪機數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制及操作對象是主汽閥、調(diào)節(jié)閥、再熱主汽閥和再熱調(diào)節(jié)閥。如果汽輪機從正常轉(zhuǎn)速升速，控制系統(tǒng)將迅速降低作用于控制閥伺服驅(qū)動器上的油壓，關(guān)閉閥門，直到汽輪機回到正常轉(zhuǎn)速。

一般，可以通過以下三種裝置防止汽輪機超速實現(xiàn)機組超速保護的目的。

2.1 電超速保護控制裝置

由于負荷不平衡導(dǎo)致甩負荷超速時（103%），超速保護控制裝置被激活，自動打開電磁閥，排放危急跳閘油關(guān)閉閥門（GV和ICV）[2]。

2.2 機械超速跳閘裝置

由偏心重塊、扳機和杯閥組成的機械超速跳閘裝置在轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值時被激活（110%），排放自動跳閘油。自動跳閘油的排放將導(dǎo)致危急跳閘閥打開，排放危急跳閘油，關(guān)閉閥門（MSV、RSV）[3]。

2.3 電氣超速跳閘裝置

由隔膜和汽輪機跳閘電磁閥組成的電氣超速跳閘裝置在發(fā)電機跳閘信號導(dǎo)致的系統(tǒng)分離時被激活（111%），排放危急跳閘油，關(guān)閉汽輪機閥門（MSV、GV、RSV和ICV），控制超速。汽輪機跳閘電磁閥也可以由超速信號激活。

圖2為案例機組甩40%負荷試驗的轉(zhuǎn)速與功率曲線，從曲線中可以看到轉(zhuǎn)速的波動非常小，峰值約為1 513 rpm.經(jīng)案例機組現(xiàn)場反饋甩100%負荷試驗的轉(zhuǎn)速也控制在1 550 rpm以下。以上數(shù)據(jù)充分說明超速保護裝置的控制效果十分明顯，提高了機組運行的安全性。

圖2 轉(zhuǎn)速-功率曲線

較低程度的超速不會引起飛射物概率的增加，在此不作討論。本文僅討論由于系統(tǒng)分離或甩負荷引起的嚴重超速情況。在分析產(chǎn)生原因前，把超速分為三類：設(shè)計超速≤120%額定轉(zhuǎn)速；中級超速≈110%設(shè)計超速；嚴重超速≈236%設(shè)計超速，在電網(wǎng)解列或甩負荷的時發(fā)生以上超速現(xiàn)行的原因可概括如下：

（1）設(shè)計超速。主汽閥和再熱主汽閥關(guān)閉；一個以上的調(diào)節(jié)閥或者兩個以上的再熱調(diào)節(jié)閥無法立即關(guān)閉。

（2）中級超速。一列以上再熱主汽/調(diào)節(jié)閥仍然打開。

（3）嚴重超速。一個以上調(diào)節(jié)閥無法關(guān)閉；失效調(diào)節(jié)閥同側(cè)一個以上主汽閥無法關(guān)閉。

3 結(jié)語

通過分析公式中的各項參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，如缸效率、灌裝時間等參數(shù)在機組完成設(shè)計后已很難改變，而閥門的關(guān)閉時間和延遲時間卻可以通過調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)來改變，因此控制閥門的關(guān)閉時間和延遲時間能有效的控制計算結(jié)果，這與機組實際運行中控制超速的方式也是一致的，各類超速保護裝置的最終目的就是使閥門快速關(guān)閉。閥門無法關(guān)閉是引起嚴重超速的原因，電站運行期間定期進行的閥門松動試驗和閥門全行程活動試驗是行之有效的辦法，可以防止閥門卡死現(xiàn)象，保證閥門的快關(guān)功能[4]。

隨著汽輪機技術(shù)的不斷進步，控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度和精確度的不斷提高，轉(zhuǎn)子、葉片的結(jié)構(gòu)、材料和工藝的不斷優(yōu)化，今后的汽輪發(fā)電機組能夠承受的最大超速量會不斷提高，對轉(zhuǎn)速的控制也會更快、更準，汽輪發(fā)電機組的安全性和穩(wěn)定性必然會更上一個臺階。