汽輪發(fā)電機組超速保護對機組熱力系統(tǒng)的影響

何青， 路唱， 羅寧， 杜冬梅

(1. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206；2. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西,西安 710065)

為解決電力資源分布與消費地區(qū)分布不平衡的矛盾需要進行電網(wǎng)之間的互聯(lián)[1-3]. 隨著單機容量的增大和電網(wǎng)中并網(wǎng)機組數(shù)量的增加，電力系統(tǒng)的運行環(huán)境越來越復雜，對電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性也提出了更高的要求. 并網(wǎng)機組發(fā)生擾動會影響發(fā)電質量，使電網(wǎng)頻率、功率等參數(shù)產生波動，甚至威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定及安全運行[4-6]. 目前，大型汽輪發(fā)電機組普遍采用具有超速保護控制功能的數(shù)字電液調速系統(tǒng). 在汽輪機運行過程中，OPC系統(tǒng)接收轉子轉速的反饋信號，當檢測到轉速超過規(guī)定值時，OPC動作. 此時OPC將對機組調節(jié)系統(tǒng)進行控制，強行關閉高、中壓缸調節(jié)汽門，在轉速降低至安全范圍后，調節(jié)系統(tǒng)恢復對轉速的控制，因此OPC能夠有效地抑制機組超速[7-10]. 在實際運行中，要根據(jù)電網(wǎng)需求設置OPC控制策略，否則不但不能有效控制轉速，還會造成調節(jié)汽門的頻繁開關，對機組軸系和熱力系統(tǒng)產生沖擊，影響機組的運行，對機組壽命產生損耗，嚴重時還會使電網(wǎng)頻率發(fā)生振蕩[11-13].

汽輪發(fā)電機組自動保護系統(tǒng)能夠保證機組在各種工況運行時滿足外界負荷的要求，維持機組穩(wěn)定運行；在機組發(fā)生故障時自動調整工況，以防發(fā)生更嚴重的事故，功率負荷不平衡保護是其中一種保護措施. 當電力系統(tǒng)發(fā)生故障，如大型用電設備故障、并列運行線路故障斷電時，電網(wǎng)負載將瞬間減小，為了避免機組發(fā)出的功率與電網(wǎng)所需電功率不匹配而發(fā)生事故，PLU保護系統(tǒng)動作，控制機組迅速甩負荷，緩解機組輸出功率與負載的不平衡，從而抑制轉子轉速飛升. PLU保護的邏輯設置過于簡單，測量環(huán)節(jié)可靠性差；過于謹慎，則會經常發(fā)生誤動導致機組跳閘事件[14-15]. 為研究PLU的保護作用，本文對該機組進行了建模仿真. 建模分兩種情況，一種情況是DEH系統(tǒng)模型中既有PLU保護，又有OPC；另一種情況是DEH系統(tǒng)模型中只有OPC，而無PLU保護. 主要模擬機組在甩負荷時、轉子超速后兩種情況下PLU保護和OPC的動作，分析超速保護動作對機組熱力系統(tǒng)的影響，并且對PLU保護存在的合理性進行分析.

1 汽輪發(fā)電機組及其控制系統(tǒng)模型

1.1 蒸汽容積模型

蒸汽在汽缸內的流動做功過程可以用容積方程來描述，汽輪機單缸容積模型如圖1所示[16]，根據(jù)閥門開度的變化能夠求出汽功率的變化.

圖1中T0為汽缸的容積時間常數(shù)，表示進入汽缸的蒸汽容積效應對進汽的影響，一般情況下約為0.1～0.3 s，可以通過式(1)求得.

(1)

圖1 蒸汽容積效應模型Fig.1 Steam volume effect model

式中:l為汽缸進汽管道長度，m；A為進汽管道橫截面積，m2；v0為蒸汽在管道中的設計流速，m/s；ρ0為額定工況下蒸汽密度，kg/m3；n為氣體變化過程的多變指數(shù).

1.2 汽輪機轉子模型

轉子的運動狀態(tài)由蒸汽轉矩、負載轉矩和摩擦轉矩三個參數(shù)共同決定. 汽輪機發(fā)電機的轉子方程為

(2)

對式(2)兩端進行拉普拉斯變換，得到

(3)

根據(jù)式(3)，可以用圖2來實現(xiàn)汽輪機轉子仿真模型.

圖2 轉子仿真模型Fig.2 Rotor simulation model

1.3 DEH系統(tǒng)模型

DEH系統(tǒng)時刻監(jiān)測和采集機組的運行參數(shù)，保證機組在任何工況下都能夠穩(wěn)定運行.DEH系統(tǒng)通過對汽輪機高、中壓缸調節(jié)閥的開度控制來實現(xiàn)流量的變化[17]，進而控制汽輪機轉速、負荷以及主蒸汽壓力.DEH控制系統(tǒng)框圖如圖3所示.

圖3 DEH控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Diagram of DEH control system

1.4 OPC模型

OPC是汽輪機保護系統(tǒng)的功能之一，當機組甩負荷或其他事故導致轉速超過設定值時，觸發(fā)OPC動作，控制機組關閉調節(jié)閥門或主汽閥門，減小輸出功率，使轉速降低到安全范圍內.OPC動作邏輯如圖4所示，在機組甩負荷之前，OPC輸出值為0，在機組甩負荷信號發(fā)出后，OPC模塊對輸入的轉速信號進行判斷.OPC保護動作分為兩種情況：

圖4 OPC動作邏輯Fig.4 OPC action logic

① 當汽輪機轉速升高至額定轉速的103%(3 090r/min)或者轉子加速度大于某一值時，OPC迅速動作并發(fā)出報警信號，高、中壓缸調節(jié)閥關閉，各級回熱抽汽的逆止閥也迅速關閉；

② 當汽輪機轉速達到額定轉速的110%(3 300r/min)時，OPC將迅速關閉高、中壓主汽門和高、中壓調節(jié)汽門，遮斷汽輪機進汽，以防止引起重大事故.

1.5 PLU模型

PLU保護動作邏輯為：當機械功率與發(fā)電機功率的差值大于額定值的39.5%，且發(fā)電機功率發(fā)生了瞬間減少(變化率大于32.2%/10ms)時，觸發(fā)PLU保護動作，快速關閉高、中壓缸調節(jié)閥，高壓缸和中壓缸的主汽閥保持不變；當機械功率與發(fā)電機功率差值小于39.5%時，PLU動作延時3s后復位，調節(jié)閥門重新開啟，并恢復由調節(jié)系統(tǒng)控制.PLU邏輯簡圖如圖5所示.

圖5 PLU邏輯簡圖Fig.5 PLU logic diagram

2 系統(tǒng)模型及參數(shù)確定

為了明確PLU在機組超速保護中的作用，建立兩種模型進行對比：一種是既有PLU保護又有OPC的系統(tǒng)，另一種是只有OPC而不含有PLU保護的系統(tǒng)，分別模擬機組甩負荷后超速保護的動作情況，分析保護動作對機組熱力系統(tǒng)的影響. 根據(jù)項目要求以及機組實際情況，結合第1節(jié)中所有子系統(tǒng)模型建立整體模型如圖6所示. 模型中的主要參數(shù)如表1所示.

圖6 系統(tǒng)模型Fig.6 The system model

表1 系統(tǒng)模型主要參數(shù)

3 仿真過程及結果

3.1 仿真條件

總仿真時間為2 000 s；并網(wǎng)時間為100 s；升負荷時間為150 s；單閥順序閥切換時間為300 s；主蒸汽壓力影響投入時間為800 s；甩負荷時間為1 400 s.

在整個仿真過程中，PLU和OPC模塊的輸出信號為0和-1兩個值：當機組正常運行時，PLU和OPC輸出為0；當甩負荷導致轉速飛升觸發(fā)PLU和OPC動作時，PLU保護和OPC的值突變?yōu)?1.

3.2 PLU保護動作

機組在整個模擬過程中PLU模塊的輸出信號如圖7所示. 由圖7(a)可以看出，當機組正常運行時，PLU模塊輸出值為0，在1 400 s時機組開始甩負荷，觸發(fā)PLU動作，PLU保護模塊的輸出值隨之由0變?yōu)?1. 將PLU動作過程放大至圖7(b)可知，PLU動作信號延時2 s后恢復至0值. 進一步放大PLU信號至圖7(c)，可以看出PLU動作開始時間為1 400.14 s，即機組甩負荷信號發(fā)出0.14 s后PLU開始動作.

圖7 PLU動作信號Fig.7 PLU action signal

3.3 OPC動作信號

圖8和圖9分別為有無PLU保護模塊兩種情況下，整個模擬過程中OPC模塊輸出信號的變化. 由圖8可以看出，在無PLU保護的情況下，機組在0～1 400 s之間處于正常運行狀態(tài)，經歷升轉速、并網(wǎng)、升負荷、切換閥門的過程，最終穩(wěn)定在額定工況下運行，因此OPC輸出信號始終為0. 1 400 s時甩負荷信號投入，機組負荷迅速降低，轉速迅速上升，當達到OPC的設定值即額定轉速的103% (3 090 r/min)時OPC保護開始動作. 由圖8(c)可知，OPC開始動作時間為1 400.29 s. OPC模塊動作后調節(jié)閥關閉，閥前蒸汽壓力迅速增高，進入汽輪機做功的蒸汽流量減小，汽輪機轉速隨之降低. 當轉子轉速降低到3 028 r/min以下后，OPC動作結束，OPC輸出信號恢復至0，調節(jié)閥門隨之打開，并恢復由調節(jié)系統(tǒng)控制. 由圖8(b)可以看出，OPC信號持續(xù)了13 s左右.

圖8 無PLU保護時OPC動作信號Fig.8 OPC action signal without PLU protection

圖9 有PLU保護時OPC動作信號Fig.9 OPC action signal with PLU protection

由圖9可知，在有PLU保護的情況下，起始階段與無PLU保護的情況相同，1 400 s時甩負荷信號投入，汽輪機負載突然降低，負載與機組功率的差值達到了PLU保護的設定值，PLU開始動作，動作時刻為1 400.14 s. 同時由于負載減小，汽輪機轉速迅速上升，超過了額定轉速的103%(3 090 r/min)，導致OPC動作開啟. 由圖9(c)可以看出，OPC動作開始時刻為1 400.3 s，即在甩負荷信號發(fā)出0.3 s后開始動作，較PLU動作慢了0.16 s. 由于PLU保護和OPC保護同時動作，使得調節(jié)閥關閉，轉速逐漸下降. 由圖9(b)可知，OPC第一次動作持續(xù)了10 s，1 410 s時OPC動作結束，此時調節(jié)閥恢復開啟狀態(tài). 由于調節(jié)閥的開啟，轉速再次上升至3 090 r/min，觸發(fā)了 OPC的第二次動作，閥門隨之關閉，直至轉速低至3 028 r/min轉速以下且不再上升，OPC才停止動作.

3.4 模擬結果分析

模擬得到的機組主蒸汽壓力的變化如圖10所示. 1 400 s前機組正常運行，主汽壓力的標幺值保持在1不變，即這個階段內主汽壓力為額定值. 1 400 s時機組甩負荷，機組輸出功率大于負載引起轉速飛升，有PLU保護的機組PLU和OPC相繼動作，無PLU保護機組的OPC動作，閥門迅速關閉，主汽壓力迅速升高，由于鍋爐的動態(tài)響應緩慢，所以主汽壓力經過波動最后會緩慢下降達到穩(wěn)定. 由于鍋爐基本參數(shù)相同，閥門也是完全關閉，因此所有情況的主汽壓升高值差距不大，均為額定壓力的1.146 5倍左右.

圖10 主蒸汽壓力變化曲線Fig.10 Changes of main steam pressure

4 結 論

兩個保護動作PLU和OPC在機組轉速飛升時均能起到抑制超速的作用. 當機組負荷突變?yōu)?，轉速超速時，PLU和OPC均發(fā)生動作，且PLU先于OPC0.16 s動作. 當機組超速保護動作時，快速關閉高、中壓缸調節(jié)閥門，會導致閥前主蒸汽壓力迅速升高，對機組閥門產生一定的沖擊力；汽輪機各級由于閥門的突然關閉，會使得級前和級后存在很大的壓差，對轉子造成疲勞損傷，嚴重降低機組的有效壽命. PLU存在的唯一優(yōu)點在于機組超速時能早于OPC動作，但兩種情況對控制超速的效果相差不大，所以兩種保護措施對于甩負荷時轉速的控制上功能重疊. 相比較而言，誤動帶來的危害更大，PLU頻繁動作甚至可能會導致機組跳閘、全廠失電等危險的事故，嚴重影響電廠的正常運行.