超超臨界汽輪機(jī)主蒸汽壓力選擇模塊的優(yōu)化

陳源培，沈勁松，黃 勇

(1.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240； 2. 巨化集團(tuán)有限公司, 衢州 324004)

汽輪機(jī)是將高溫高壓蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的回轉(zhuǎn)式原動(dòng)機(jī)，因此，主蒸汽參數(shù)的變化會(huì)對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。對(duì)于新投產(chǎn)機(jī)組，需根據(jù)壓力和溫度的變化規(guī)律及材料強(qiáng)度特性擬定啟動(dòng)曲線。在機(jī)組變工況情況下，控制器要順利切換，以確保蒸汽輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和零部件安全性，避免事故跳機(jī)，維持機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。國內(nèi)某電廠二期2臺(tái)1 000 MW超超臨界機(jī)組采用的是國內(nèi)某廠家制造的引進(jìn)型蒸汽輪機(jī)，本文針對(duì)該機(jī)組壓力變送器故障工況引起的控制器切換及跳機(jī)事故，對(duì)于壓力三選模塊進(jìn)行分析，并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以確保機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 汽輪機(jī)控制器的主要功能組成

數(shù)字電液(Digital Electric Hydraulic，DEH)控制系統(tǒng)汽輪機(jī)控制器主要由轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制器(NPR)、主蒸汽壓力控制器(FDPR)和啟動(dòng)裝置(TAB)組成，如圖1所示[1]。

圖1 汽輪機(jī)控制器的主要功能組成

NPR是一個(gè)雙變量的控制器。當(dāng)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)升速時(shí)，DEH控制機(jī)組轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速設(shè)定值(NS)與轉(zhuǎn)速實(shí)際值(NT)的偏差送到控制器中，進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；機(jī)組同步并網(wǎng)以后，系統(tǒng)自動(dòng)地切換為負(fù)荷控制，即把負(fù)荷設(shè)定值(PS)與負(fù)荷實(shí)際值(PEL)的偏差送到控制器中，進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)。

FDPR有壓力限制方式和初壓控制方式兩種運(yùn)行模式。

另外，DEH控制系統(tǒng)還提供一個(gè)啟動(dòng)裝置的模擬量輸出信號(hào)(TAB)，與NPR和FDPR的輸出信號(hào)一起進(jìn)行小選。在啟動(dòng)前，當(dāng)遮斷信號(hào)釋放時(shí)，TAB將閥位控制信號(hào)置零，以保證調(diào)節(jié)閥可靠關(guān)閉。在啟動(dòng)時(shí)，TAB的輸出信號(hào)逐步升高，當(dāng)其高于NPR輸出信號(hào)(YNPR)時(shí),就會(huì)激發(fā)NPR進(jìn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。當(dāng)汽輪機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，并且發(fā)電機(jī)已同步時(shí)，TAB信號(hào)設(shè)定在100%，這樣主控制器的輸出信號(hào)就不再受限制。

YNPR、TAB和FDPR的輸出信號(hào)(YFDPR)進(jìn)入進(jìn)汽設(shè)定值的小選功能塊進(jìn)行選擇以后，形成控制器輸出信號(hào)(YR)，由YR最終計(jì)算出各個(gè)調(diào)門的開度指令，以調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的進(jìn)汽量。

2 事故過程

國內(nèi)某電廠2臺(tái)1 000 MW超超臨界機(jī)組投運(yùn)后，單只壓力變送器發(fā)生故障，DEH系統(tǒng)接收到壞點(diǎn)信號(hào)，并沒有將主蒸汽壓力值立即切換至冗余備用信號(hào)端，而是在三選值階越至0后，再將主蒸汽壓力值切換至次優(yōu)先級(jí)的信號(hào)端。由于瞬間采集到的主蒸汽壓力信號(hào)為0，DEH判斷主蒸汽壓力下跌到允許值之下，主蒸汽壓力控制器偏差成為負(fù)值，導(dǎo)致壓力控制回路動(dòng)作，即YR=YFDPR，于是立即關(guān)小調(diào)節(jié)汽閥，以避免主蒸汽壓力繼續(xù)下降。但由于此時(shí)鍋爐側(cè)等協(xié)調(diào)控制未能及時(shí)有效地動(dòng)作，最終造成跳機(jī)事故。

主蒸汽壓力通過每側(cè)主蒸汽管道的3個(gè)壓力傳感器發(fā)生單支故障時(shí)，應(yīng)立即切換至冗余質(zhì)量好的信號(hào)端，以避免發(fā)生上述事故工況。

3 主蒸汽壓力(PFD)實(shí)際值的形成

主蒸汽壓力通過每側(cè)主蒸汽管道的3個(gè)壓力傳感器來測(cè)量，汽輪機(jī)兩側(cè)共6個(gè)蒸汽壓力實(shí)際值均讀入控制器。每側(cè)各通過1個(gè)三選功能模塊后，選擇其中1個(gè)作為有效值，兩側(cè)壓力選取值分別為PFD1和PFD2，它們?cè)龠M(jìn)一步通過MIN功能小選，進(jìn)入高階低通濾波器過濾，得到主蒸汽壓力的最終值PFD，該值將作為主蒸汽壓力的實(shí)際值輸出到主蒸汽壓力設(shè)定值子模塊(FDS)、FDPR、機(jī)組協(xié)調(diào)級(jí)(BLE)和運(yùn)行和監(jiān)控系統(tǒng)(OM)[2]。

如果監(jiān)視到3個(gè)實(shí)際值發(fā)生了故障，則將主蒸汽壓力測(cè)量故障信息(STPFD)輸出到OM畫面，如圖2所示。

圖2 主蒸汽壓力(PFD)實(shí)際值的形成

4 單側(cè)主蒸汽壓力(PFD1、PFD2)的三選模塊介紹

在控制回路中，將主蒸汽壓力三選模塊制作成了宏功能塊，如圖3所示，其內(nèi)部邏輯分為兩部分，一部分為故障報(bào)警，另一部分通過預(yù)選擇模塊對(duì)單側(cè)主蒸汽壓力實(shí)際值PFD1、PFD2作出選擇[3]。

圖3 主蒸汽壓力(PFD1、PFD2)三選模塊

4.1 故障報(bào)警QS1、QS2、QS3

每個(gè)主蒸汽壓力測(cè)量故障信息會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的QS報(bào)警，邏輯如下：

QS1=AV111 OR S1，S1=AV11 OR ST1

QS2=AV211 OR S2，S2=AV21 OR ST2

QS1=AV311 OR S3，S3=AV31 OR ST3

由上述公式可得出故障信號(hào)QS的觸發(fā)原因主要分為兩類，一類是同組內(nèi)測(cè)量值間偏差大(AV111)，另一類是傳感器故障(ST1)。

4.2 單側(cè)主蒸汽壓力(PFD1、PFD2)實(shí)際值的選取邏輯

非故障工況下，單側(cè)主蒸汽壓力實(shí)際值的選取按照優(yōu)先級(jí)3、2、1順序選擇。該部分邏輯的實(shí)現(xiàn)見下述4.2.2節(jié)中的邏輯說明。

故障工況時(shí)，單側(cè)主蒸汽壓力實(shí)際值的選取相對(duì)復(fù)雜，將其分成以下三種故障工況，分別為3個(gè)測(cè)量值均故障、單一測(cè)量值故障以及任意兩個(gè)測(cè)量值故障。

4.2.1 3個(gè)測(cè)量值均故障

PFD輸出值等于程序預(yù)設(shè)值，Y=SV=PFDMA=0，即：

If 3ST = S1 & S2 & S3 =1 ， then Y=SV=0

若單側(cè)3個(gè)測(cè)量值均故障，則程序?qū)⒅髡羝麎毫?shí)際值作為程序預(yù)設(shè)值SV，現(xiàn)階段邏輯中將SV設(shè)定為壓力測(cè)量值的下限PFDMA。

4.2.2 單一測(cè)量值故障

邏輯按照優(yōu)先級(jí)3、2、1對(duì)測(cè)量值進(jìn)行選取，該部分的選取是按照下述邏輯實(shí)現(xiàn)的：

If S3=1 then Y=MAX2_3；MAX2_3=MAX(X2EW&X3EW)

If S2=1 then Y=MAX1_2；MAX1_2=MAX(X1EW&X2EW)

If S1=1 then Y=MAX1_3；MAX1_3=MAX(X1EW&X3EW)

其中，X1EW為測(cè)量值1的優(yōu)選值， X2EW為測(cè)量值2的優(yōu)選值， X3EW為測(cè)量值3的優(yōu)選值。

以ST3為例，其中優(yōu)選值X3EW的選取如圖4所示。

圖4 優(yōu)選值X3EW的選取模塊

當(dāng)ST3=1時(shí)，X3EW=EW=0，當(dāng)ST3=0時(shí)，X3EW=X3，即當(dāng)測(cè)量值3發(fā)生故障時(shí)，主蒸汽壓力在測(cè)量值2和3的優(yōu)選值中取較大值。測(cè)量值3發(fā)生故障，分以下兩種情況：(1)通道故障，此時(shí)優(yōu)選值X3EW=0，程序大選后選取Y=PFD1=X2EW為實(shí)際值；(2)測(cè)量值3與1、2偏差大，當(dāng)3遠(yuǎn)小于1、2時(shí)，經(jīng)過大選后，可自動(dòng)選取Y= PFD1=X2EW為實(shí)際值，當(dāng)3遠(yuǎn)大于1、2時(shí)，程序自動(dòng)選取Y=X3EW為實(shí)際值后，此時(shí)再與另一側(cè)的實(shí)際值小選，得到最終的PFD=PFD2，最終選取到的仍為主蒸汽壓力的實(shí)際值。此時(shí)，我們認(rèn)為測(cè)量值3故障時(shí)，上述取值方法并不會(huì)對(duì)最終的PFD造成影響。

同理，可以推斷當(dāng)測(cè)量值2、1故障時(shí)，該選擇邏輯能保證最終選取的壓力值為主蒸汽壓力的真實(shí)值。

綜合上述，可得到結(jié)論如下：

1)通道故障和負(fù)偏差時(shí)，程序自動(dòng)按照優(yōu)先級(jí)3、2、1，將通道值作為PFD1的輸出值；

2)通道正偏差時(shí)，經(jīng)過小選后，另一組實(shí)測(cè)值PFD2也可以保證PFD最終輸出值的準(zhǔn)確性。

因此，上述邏輯在輸出值的選擇上，是相對(duì)正確的。

4.2.3 任意2個(gè)測(cè)量值故障

主蒸汽壓力三選的邏輯選取如下：

當(dāng)2、3測(cè)量值故障時(shí)，

當(dāng)1、2測(cè)量值故障時(shí)，

當(dāng)1、3測(cè)量值故障時(shí)，

當(dāng)測(cè)量值2、3故障時(shí)，程序選擇PFD1=Y=X3EW。由圖3可知，此時(shí)X3EW的值主要取決于ST3是否為0。當(dāng)ST3=0時(shí)，PFD1=Y=X3EW=X3 ，此時(shí)PFD1選取的值為故障值；無論測(cè)量值3與1、2是正向偏差過大還是負(fù)向偏差過大，經(jīng)過小選后最終PFD的選擇并不受影響。當(dāng)ST3=1，即傳感器3故障時(shí)，PFD1=Y=X3EW=EW=0。此時(shí)，PFD=MIN( PFD1& PFD2 )= PFD1=0。也就是說，當(dāng)測(cè)量值2、3故障且測(cè)量值3通道故障時(shí)，按照上述選擇邏輯，盡管測(cè)量值1、4、5、6還是好的質(zhì)量點(diǎn)，但卻不能被選擇，程序檢測(cè)到主蒸汽壓力為0，壓力控制器起作用，調(diào)門關(guān)小。

5 對(duì)三選模塊的部分優(yōu)化

綜合上述分析，當(dāng)2個(gè)通道同時(shí)故障時(shí)，程序的自動(dòng)選擇在某些情況下并不準(zhǔn)確，對(duì)此，我們將4.2.3中所述的邏輯變更為：

由此可知，將輸出值選取替換為未故障信號(hào)，可以避免出現(xiàn)單側(cè)雙測(cè)量值故障造成的主汽壓誤選為0的情況。

上述三選模塊優(yōu)選方案已經(jīng)在華電某電廠2臺(tái)660 MW和國電某電廠2臺(tái)1 000 MW的超超臨界機(jī)組中實(shí)施，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，優(yōu)化后的方案更有利于汽輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。

根據(jù)上述分析，當(dāng)單側(cè)3個(gè)測(cè)量值均故障時(shí)，不論另外一側(cè)測(cè)量值是否正常，經(jīng)小選后PFD=SV=0，也存在誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。因此，如果將邏輯跟蹤值SV設(shè)為一個(gè)高值，比如跟蹤值PFDME的上限，則主蒸汽單側(cè)壓力故障(即3ST=1)時(shí)，兩側(cè)主蒸汽壓力值通過小選后將不會(huì)對(duì)PFD的實(shí)際選取值產(chǎn)生影響，以此規(guī)避此故障工況下造成的壓力值突變?yōu)?導(dǎo)致的機(jī)組跳機(jī)。然而，將SV設(shè)定為高值的可行性還有待于深入的研究和探討。

6 結(jié) 論

本文通過介紹某電廠跳閘事故，分析了傳感器故障及測(cè)量值偏差等各種工況下，單側(cè)主蒸汽壓力實(shí)際值的選取邏輯，并對(duì)主蒸汽壓力實(shí)際值的選取進(jìn)行了優(yōu)化。今后的研究將圍繞主蒸汽壓力邏輯跟蹤值的選擇，如跟蹤壓力值上限的可行性等進(jìn)一步展開。