660 MW機組甩負荷試驗轉(zhuǎn)速飛升過高原因分析

周軼喆，鮑文龍，方天林

（1.國電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012）

0 引言

甩負荷試驗是檢驗火力發(fā)電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性的重要試驗，其主要目的是檢查汽輪機DEH（數(shù)字電液控制）系統(tǒng)在機組甩負荷期間對轉(zhuǎn)速的控制特性。對于新建機組和控制系統(tǒng)經(jīng)過改造的機組，進行甩負荷試驗對機組的安全穩(wěn)定運行非常重要[1-2]。

汽輪機組進行甩負荷試驗時，發(fā)電機并網(wǎng)斷路器斷開，電功率瞬間降至0，機械功率大于電功率致使汽輪機轉(zhuǎn)速飛升?？刂葡到y(tǒng)判斷機組甩負荷信號后觸發(fā)防超速保護，快速關(guān)閉汽輪機進汽調(diào)門，切斷汽缸進汽，抑制汽輪機轉(zhuǎn)速飛升[3]。目前國內(nèi)主流汽輪機組防超速保護功能有LDA（甩負荷預(yù)測）功能、KU/LAW（負荷瞬時中斷/長甩負荷）功能以及PLU（負荷-功率不平衡）保護功能[4-5]。

上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機廠（簡稱STP）生產(chǎn)的660 MW機組在進行50%甩負荷試驗時轉(zhuǎn)速飛升至3 162 r/min，超過DL 1270-2013《火力發(fā)電建設(shè)工程機組甩負荷試驗導(dǎo)則》（以下簡稱“導(dǎo)則”）[6]所要求的50%甩負荷試驗最大轉(zhuǎn)速不得超過額定轉(zhuǎn)速105%的限制值。本文通過對甩負荷試驗過程進行分析，研究本次甩負荷試驗中汽輪機最大飛升轉(zhuǎn)速超速的原因，對同類型機組有一定的借鑒意義。

1 機組簡介及甩負荷試驗情況

1.1 機組簡介

某STP 660 MW超超臨界汽輪機組為單軸、三缸兩排汽、七級抽汽、凝汽式機組，其DEH系統(tǒng)采用艾默生公司的ovation系統(tǒng)。該機組汽輪機高、中壓缸各配置兩只進汽門及兩只調(diào)門，進汽門及調(diào)門裝有兩個快關(guān)電磁閥。汽輪機進汽門快關(guān)時，DEH系統(tǒng)發(fā)出快關(guān)信號至快關(guān)電磁閥的得失電回路，使快關(guān)電磁閥失電，進汽門快關(guān)。

本機組采用的防超速保護主要有以下3種：

（1）KU/LAW防超速保護功能。KU功能的觸發(fā)需任意滿足以下兩種情況之一[7-8]：

1）機組處于較高負荷（如90%額定負荷）時，突然出現(xiàn)負荷變動大于負荷變化率限制值（本機組設(shè)置為500 MW）。

2）機組處于較低負荷（如60%額定負荷）時，以下條件同時滿足：實際負荷小于2倍廠用電（本機組設(shè)置為104 MW）；負荷控制偏差大于2倍廠用電（本機組設(shè)置為104 MW）；實際負荷大于負荷負向限值（本機組限值為－26 MW）。

為保障電網(wǎng)穩(wěn)定，在以上條件滿足的情況下，本機組控制系統(tǒng)增加了延時80 ms觸發(fā)KU信號或轉(zhuǎn)速大于3 018 r/min時觸發(fā)KU信號的邏輯。KU信號觸發(fā)后，無負荷中斷信號c10被復(fù)位，轉(zhuǎn)速負荷控制器的負荷指令置零，DEH的流量指令瞬間降低，根據(jù)此流量計算出的閥位指令與實際開度相差大于25%時觸發(fā)c20，控制系統(tǒng)發(fā)出調(diào)門快關(guān)指令，高、中壓調(diào)門快關(guān)電磁閥動作使調(diào)門快速關(guān)閉。當(dāng)機組在甩負荷識別時間（本機組設(shè)置為2 s）內(nèi)，以上兩種狀態(tài)未復(fù)位，則系統(tǒng)發(fā)出LAW指令。

（2）OPC（超速保護控制）功能。OPC的觸發(fā)條件為發(fā)電機并網(wǎng)斷路器斷開的同時滿足機組負荷大于30%額定負荷或汽輪機轉(zhuǎn)速大于3 018 r/min。OPC信號觸發(fā)調(diào)門快關(guān)電磁閥失電回路動作，使快關(guān)電磁閥失電，調(diào)門快關(guān)。

（3）并網(wǎng)信號消失復(fù)位c10信號。為防止以上兩種防超速保護功能拒動，增加了機組并網(wǎng)信號消失復(fù)位c10的邏輯，該邏輯后續(xù)動作與KU觸發(fā)后相同。

1.2 甩負荷試驗

該機組進行50%甩負荷試驗時機組負荷為330 MW，主蒸汽壓力為15.8 MPa，再熱蒸汽壓力為2.6 MPa，機組處于鍋爐主控模式，旁路處于手動模式。甩負荷倒計時10 s手動停一臺磨煤機。甩負荷指令發(fā)出后，手動斷開發(fā)電機并網(wǎng)斷路器。從發(fā)電機并網(wǎng)信號消失開始計時：81 ms后高調(diào)門開始關(guān)閉（關(guān)閉前高調(diào)門開度31%），112 ms后中調(diào)門開始關(guān)閉（關(guān)閉前中調(diào)門開度100%），255 ms后高調(diào)門全關(guān)，688 ms后中調(diào)門全關(guān)。1.69 s后汽輪機轉(zhuǎn)速達到最高轉(zhuǎn)速3 162 r/min，27.6 s后汽輪機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min。甩負荷后高、中壓調(diào)門全關(guān)，各抽汽逆止門全關(guān)。

該機組甩負荷過程錄波曲線如圖1所示。

圖1 50%甩負荷試驗錄波曲線

本次甩負荷試驗最大飛升轉(zhuǎn)速超過導(dǎo)則所要求的額定轉(zhuǎn)速的105%。并且根據(jù)導(dǎo)則中機組甩負荷最大飛升轉(zhuǎn)速靜態(tài)預(yù)測公式，可計算預(yù)測機組甩負荷后汽輪機最大飛升轉(zhuǎn)速nmax：

式中：n0為汽輪機額定轉(zhuǎn)速；Tv，Ta分別為蒸汽容積時間常數(shù)和轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，其取值參考導(dǎo)則；φ為甩負荷相對值，即甩負荷初始功率與額定功率之比；αH，αL分別為高、中低壓缸功率比例系數(shù)，其取值可根據(jù)熱平衡圖計算得到，本機組取值為 αH=0.32，αL=0.68；tH1，tL1分別為高、 中壓調(diào)門快關(guān)動作延時時間；tH2，tL2分別為高、中壓調(diào)門的凈關(guān)閉時間。

根據(jù)式（1）以及機組參數(shù)可求得預(yù)測最大飛升轉(zhuǎn)速為3 063.4 r/min，遠小于機組實際甩負荷最大飛升轉(zhuǎn)速（3 162 r/min）。

2 甩負荷后汽輪機超速原因分析

根據(jù)甩負荷時控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速的控制過程判斷，影響甩負荷后汽輪機轉(zhuǎn)速飛升的因素主要有[9]：（1）甩負荷判斷速度；（2）DEH控制器的響應(yīng)速度；（3）調(diào)門快關(guān)時間。因此，分別從上述3個方面對本次甩負荷試驗汽輪機轉(zhuǎn)速飛升過高的原因進行檢查分析。

2.1 調(diào)門快關(guān)時間驗證

為排除調(diào)門本體原因?qū)е滤ω摵珊箨P(guān)閉時間過長，機組熱態(tài)時進行調(diào)門快關(guān)試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 調(diào)門快關(guān)試驗錄波曲線

由圖2可以看出，在調(diào)門快關(guān)過程中閥門開度曲線平滑下降，無波動，調(diào)門凈關(guān)閉時間在合理范圍內(nèi)。而且由甩負荷試驗錄波曲線可以看出，在甩負荷后閥門關(guān)閉過程曲線僅有一次拐點，無反復(fù)波動，所以可以排除調(diào)門本身卡澀導(dǎo)致關(guān)閉時間過長。

針對甩負荷試驗錄波曲線中調(diào)門關(guān)閉過程有明顯拐點的問題，對汽輪機高中壓調(diào)門進行指令關(guān)試驗。試驗結(jié)果顯示，高調(diào)門指令關(guān)凈關(guān)閉時間為284 ms，中調(diào)門指令關(guān)凈關(guān)閉時間為1.01 s。將甩負荷試驗曲線中調(diào)門拐點前后閥門關(guān)閉時間與靜態(tài)時調(diào)門快關(guān)和指令關(guān)時間進行對比，發(fā)現(xiàn)甩負荷過程中高調(diào)門全程為指令關(guān)，中調(diào)門拐點前（分別為51%和47%開度）為指令關(guān)，拐點后為快關(guān)。由此，可以判斷中調(diào)門關(guān)閉時間過長的原因是甩負荷信號發(fā)出后至調(diào)門開始快關(guān)之間的延時過長。

2.2 DEH系統(tǒng)響應(yīng)速度驗證

該機組DEH柜的設(shè)計中，調(diào)門快關(guān)指令信號與調(diào)門快關(guān)電磁閥動作回路分屬不同控制柜。調(diào)門快關(guān)指令發(fā)出后需經(jīng)柜間通信送至調(diào)門快關(guān)電磁閥動作回路控制柜。而且，DEH中設(shè)置的快關(guān)指令信號廣播頻率為慢速（S）。

為判斷柜間通信頻率對調(diào)門快關(guān)的影響，將1號中調(diào)門閥位快關(guān)邏輯的通信改為快速（F），2號中調(diào)門通信頻率保持慢速不變，進行甩負荷仿真試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 修改廣播后甩負荷仿真試驗錄波曲線

根據(jù)甩負荷仿真試驗結(jié)果，快關(guān)指令發(fā)出開始計時：24 ms后1號中調(diào)門開始關(guān)閉；32 ms后2號中調(diào)門開始關(guān)閉；104 ms后1號中調(diào)門開始快關(guān)（此時1號中調(diào)門開度88.7%）；266 ms后1號中調(diào)門全關(guān)；996 ms后2號中調(diào)門開始快關(guān)（此時2號中調(diào)門開度9.8%），1 049 ms后2號中調(diào)門全關(guān)。由此可以判斷柜間通信廣播頻率設(shè)置為慢速對調(diào)門快關(guān)延時有較大的影響。

在檢查OPC防超速保護邏輯時發(fā)現(xiàn)，OPC判斷邏輯中發(fā)電機并網(wǎng)開關(guān)斷開信號同樣是通過柜間通信傳輸至OPC判斷邏輯。由于OPC信號無法通過錄波儀采集，且在甩負荷仿真試驗中無法驗證，因此只能通過DCS畫面監(jiān)視該功能是否觸發(fā)。

2.3 甩負荷判斷速度

機組控制系統(tǒng)防超速保護功能在機組實際甩負荷時發(fā)揮著非常重要的作用。本機組所采用的KU/LAW防超速保護功能能夠通過機組負荷變化判斷是否為甩負荷，提前進行干預(yù)，防止汽輪機超速[10]。但是，根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司相關(guān)規(guī)范要求，配備并投入PLU保護的并網(wǎng)火電機組（300 MW及以上等級機組），在電網(wǎng)發(fā)生發(fā)生單相或三相故障、保護裝置正確動作、電廠送出線路未全部失去的情況下，PLU保護原則上不應(yīng)動作。因此部分STP汽輪機組在KU信號觸發(fā)條件滿足的情況下，增加轉(zhuǎn)速大于3 018 r/min或延時80 ms的條件。在增加的這段延時內(nèi)，汽輪機進汽所做的功推動汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高。根據(jù)式（2）可計算出增加延時后機組轉(zhuǎn)速的飛升量[11]。

式中：Pe為機械功率，此處按機組330 MW負荷計算；Pm為發(fā)電機電功率，甩負荷的瞬間降為0；t為新增延時；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，包括高、中、低壓轉(zhuǎn)子及發(fā)電機轉(zhuǎn)子， J=43 671 kg·m2； ω0、 ω1分別為汽輪機初始轉(zhuǎn)速和延時后轉(zhuǎn)子飛升轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式（2）計算得到在增加了80 ms延時判據(jù)后，延時內(nèi)汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速飛升量為18.3 r/min。對比同類型機組甩負荷試驗結(jié)果[12-14]可知，增加延時判據(jù)不會直接導(dǎo)致汽輪機最大飛升轉(zhuǎn)速超過導(dǎo)則要求值3 150 r/min[15]。

3 甩負荷邏輯修改及驗證

根據(jù)對控制系統(tǒng)的檢查分析，將調(diào)門快關(guān)指令及發(fā)電機并網(wǎng)信號柜間廣播頻率由慢速（S）修改為快速（F）。在該發(fā)電廠相同配置的2號機組進行50%甩負荷試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 邏輯修改后50%甩負荷試驗錄波曲線

根據(jù)甩負荷試驗結(jié)果，從發(fā)電機并網(wǎng)信號消失開始計時：45 ms后1號、2號高調(diào)門開始關(guān)閉（調(diào)門開度42%）；85 ms后1號中調(diào)門開始關(guān)閉（調(diào)門開度100%）；98 ms后調(diào)門快關(guān)信號指令發(fā)出；124 ms后2號中調(diào)門開始關(guān)閉（調(diào)門開度100%）；174 ms后高調(diào)門開始快關(guān)（調(diào)門開度19%）；180 ms后1號中調(diào)門開始快關(guān)（調(diào)門開度85.8%）；190 ms后2號中調(diào)門開始快關(guān)（調(diào)門開度91.7%）；213 ms后高調(diào)門全關(guān)；340 ms后中調(diào)門全關(guān)；1 563 ms后汽輪機轉(zhuǎn)速達到最大值3 108 r/min。

與圖1甩負荷試驗結(jié)果相比可得到以下結(jié)論：（1）高調(diào)門關(guān)閉過程中出現(xiàn)快關(guān)階段；（2）中調(diào)門快關(guān)階段提前；（3）中調(diào)門關(guān)閉時間縮短至1號機組的1/2左右；（4）最大飛升轉(zhuǎn)速3 108 r/min，遠低于1號機組最大飛升轉(zhuǎn)速。因此由本次試驗結(jié)果可以判斷，通過修改柜間通信廣播頻率，可以減小調(diào)門快關(guān)的延時，使調(diào)門更早快關(guān)，避免甩負荷后大量蒸汽進入導(dǎo)致轉(zhuǎn)速飛升過大。

4 結(jié)論

通過對某660 MW機組甩負荷試驗轉(zhuǎn)速飛升過高原因分析，得出以下結(jié)論：

（1）調(diào)門快關(guān)指令柜間通信設(shè)置為慢速是調(diào)門快關(guān)延時時間過長并導(dǎo)致甩負荷最大飛升轉(zhuǎn)速達到3 162 r/min的主要原因。柜間通信頻率的快慢直接影響機組信號傳輸?shù)乃俣?，進而影響機組對控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為確保機組安全，控制系統(tǒng)中重要的保護信號傳輸速率應(yīng)設(shè)置為快速或采用硬接線的方式傳輸。

（2）根據(jù)計算結(jié)果，為保證電網(wǎng)穩(wěn)定而在KU信號判斷邏輯中增加轉(zhuǎn)速大于3 018 r/min或延時80 ms的判據(jù)不會直接使汽輪機最大飛升轉(zhuǎn)速超過導(dǎo)則要求值。在實際運行時，仍需密切關(guān)注該邏輯對機組甩負荷信號的判斷及響應(yīng)速度的影響。

（3）由于KU信號及OPC信號無組態(tài)端子輸出，因此無法接入錄波儀中進行檢測分析。建議在以后進行同類型機組的甩負荷試驗時增加KU信號及OPC信號的端子輸出。