百萬機(jī)組調(diào)門快關(guān)誤動(dòng)原因分析及邏輯優(yōu)化

朱 雷

（國能江蘇諫壁發(fā)電有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212006）

0 引言

近些年來，西門子1 000 MW汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）邏輯控制系統(tǒng)已發(fā)生多例由于電網(wǎng)系統(tǒng)故障而導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)門快控功能動(dòng)作的事件，嚴(yán)重影響在運(yùn)機(jī)組的安全運(yùn)行。個(gè)別案例中，由于調(diào)門下關(guān)指令持續(xù)時(shí)間較長，甚至造成了在運(yùn)機(jī)組故障跳閘的嚴(yán)重后果。深入分析可知，大多數(shù)此類事件發(fā)生后，電廠詢問當(dāng)?shù)卣{(diào)度，均被告知該段時(shí)間內(nèi)曾經(jīng)發(fā)生電網(wǎng)系統(tǒng)異常波動(dòng)。后續(xù)分析此類調(diào)門快控功能動(dòng)作事件中的電氣側(cè)數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：異常發(fā)生時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)實(shí)際的輸出功率變化量并沒有達(dá)到DEH中關(guān)于汽門快控的規(guī)定值，但DEH調(diào)門快控功能卻被觸發(fā)，明顯屬于誤動(dòng)。查其原因，發(fā)現(xiàn)DEH側(cè)接收到的功率值的確達(dá)到了汽門快控的規(guī)定值，也就是說，在電網(wǎng)系統(tǒng)異常波動(dòng)時(shí)，DEH側(cè)接收到的功率信號(hào)與電氣側(cè)汽輪發(fā)電機(jī)實(shí)際的輸出功率信號(hào)出現(xiàn)了不一致。

1 某廠百萬機(jī)組汽門快控誤動(dòng)事件

1.1 設(shè)備概況

某廠兩臺(tái)1 000 MW機(jī)組DEH系統(tǒng)均采用西門子T3000控制單元，分別于2011年、2012年投產(chǎn)，運(yùn)行狀況良好。

1.2 發(fā)生經(jīng)過

某日中班，機(jī)組運(yùn)行方式：AGC投入，CCS投入，一次調(diào)頻、INFIT投入，機(jī)組負(fù)荷613 MW，B、C、D、E、F磨運(yùn)行。

機(jī)組負(fù)荷由613 MW突降至0 MW，主機(jī)高壓調(diào)門由33.4%關(guān)閉至0%，主機(jī)中壓調(diào)門由100%關(guān)閉至0%，主汽壓由17.57 MPa上升至19.18 MPa，再熱汽壓由3.17 MPa上升至3.44 MPa，蒸發(fā)量由1 720 t/h下降至821.17 t/h，燃料量無變化，高旁由0%開啟至11%，主機(jī)轉(zhuǎn)速由2 985 r/min略微上升至3 007 r/min。

相關(guān)異?，F(xiàn)象：

（1）高旁由0%開啟至11%左右時(shí)，#14機(jī)組“再熱器安全門快開”報(bào)警來，但DCS開度未變化。

（2）高排通風(fēng)閥瞬間開啟后關(guān)閉。

（3）機(jī)組給水自動(dòng)切手動(dòng)，焓值控制切手動(dòng)，RB復(fù)位；確認(rèn)系統(tǒng)正常，機(jī)組過熱度等參數(shù)正常后，及時(shí)手動(dòng)投入焓值及給水自動(dòng)。

（4）機(jī)組高旁減溫水A、C、D隔絕門未開出，B正常動(dòng)作。

（5）機(jī)組高、低加水位均有所波動(dòng)，個(gè)別高加危疏開出。

（6）主機(jī)#3瓦瓦振（兩測(cè)點(diǎn)）由2 mm/s增大至5 mm/s左右。

2 DEH側(cè)甩負(fù)荷邏輯說明

西門子T3000 DEH系統(tǒng)中的甩負(fù)荷識(shí)別邏輯包括KU和LAW兩種情況。KU是電網(wǎng)瞬時(shí)中斷時(shí)的甩負(fù)荷，通常也稱“短甩”；LAW才是真正意義上的甩負(fù)荷，也稱“長甩”[1]。KU主要作用是對(duì)機(jī)組的實(shí)時(shí)負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)控，在電網(wǎng)發(fā)生故障甩負(fù)荷時(shí)，該判斷邏輯快速滿足條件，動(dòng)作與快關(guān)調(diào)門，同時(shí)將DEH自動(dòng)控制方式切到轉(zhuǎn)速控制，防止汽輪機(jī)發(fā)生超速。若此時(shí)電網(wǎng)負(fù)荷能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速恢復(fù)（一般整定為2 s），根據(jù)邏輯控制，立即釋放快關(guān)調(diào)門指令，機(jī)組能夠正常恢復(fù)接帶電網(wǎng)所需負(fù)荷。如果KU觸發(fā)后在短時(shí)間內(nèi)不能恢復(fù)，即電網(wǎng)側(cè)負(fù)荷持續(xù)2 s以上仍低于邏輯整定值，則觸發(fā)LAW，并能實(shí)現(xiàn)帶廠用電運(yùn)行。

KU邏輯判斷的含義：

條件1，高負(fù)荷時(shí)（一般要求整定大于70%額定負(fù)荷）的KU判斷依據(jù)：負(fù)荷信號(hào)瞬時(shí)下跌大于限值，KU觸發(fā)。

條件2，低負(fù)荷時(shí)的判斷依據(jù)：DEH側(cè)所獲得的電功率下跌到104 MW以下，與負(fù)荷控制偏差大于104 MW，表明此時(shí)機(jī)組發(fā)生了甩負(fù)荷，并不是正常停機(jī)。同時(shí)機(jī)組已并網(wǎng)，且功率大于-26 MW，則表示不存在逆功率現(xiàn)象。

3 原因分析

3.1 電氣專業(yè)檢查分析

3.1.1 電氣量分析

當(dāng)線路側(cè)故障導(dǎo)致真實(shí)甩負(fù)荷事件發(fā)生時(shí)，由于定子電流（感性）瞬間衰減，電樞反應(yīng)去磁作用消失，加之電動(dòng)轉(zhuǎn)矩消失導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上升，兩者疊加導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出口電壓及主變高壓側(cè)電壓均會(huì)上升，而此次過程中發(fā)電機(jī)及主變出口側(cè)電壓上升幅度有限，且發(fā)電機(jī)始終保持同步運(yùn)行狀態(tài)，所以，從故障時(shí)電氣側(cè)的數(shù)據(jù)變化可以初步判斷，線路側(cè)（負(fù)載側(cè)）出現(xiàn)甩負(fù)荷的可能性較低。

而且，從異常發(fā)生時(shí)間段內(nèi)機(jī)組零功率切機(jī)保護(hù)并未報(bào)警及動(dòng)作來看，也可以將線路側(cè)（負(fù)載側(cè)）甩負(fù)荷故障排除。根據(jù)RCS-985UP發(fā)電機(jī)零功率切機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作邏輯，簡而言之，需要滿足機(jī)組負(fù)荷大于整定值（25%額定負(fù)荷）以及主變正序電壓突增定值大于整定值（4.2 V），機(jī)端正序電壓突增定值大于整定值（4.0 V），發(fā)電機(jī)頻率突增定值大于整定值（0.28 Hz，頻率定值50.56 Hz）三者其中任一條件。而此次“甩負(fù)荷”不同于常規(guī)意義上的系統(tǒng)側(cè)甩負(fù)荷，發(fā)電機(jī)仍處于同步運(yùn)行狀態(tài)，且故障錄波器顯示，機(jī)端電壓及主變高壓側(cè)電壓上升幅度均不大，發(fā)電機(jī)出口相電壓二次側(cè)有效值在56.3 V至58.3 V之間波動(dòng)，時(shí)間持續(xù)100 ms，可見，不管是電壓還是頻率變化量，均不滿足零功率切機(jī)保護(hù)動(dòng)作要求，所以此次大幅度快速甩負(fù)荷過程中，零功率切機(jī)保護(hù)未動(dòng)作。

3.1.2 智能變送器運(yùn)行狀況

目前，國內(nèi)多數(shù)電廠在電氣側(cè)選用的功率變送器為國產(chǎn)三相三線制功率變送器。響應(yīng)時(shí)間一般為250 ms左右，正常在測(cè)量機(jī)組以及系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電功率信號(hào)時(shí)，不會(huì)存在任何問題。但是當(dāng)功率突變時(shí)，由于響應(yīng)能力的制約，例如電流量發(fā)生大幅突增，導(dǎo)致測(cè)量CT速飽和，其輸出就可能會(huì)產(chǎn)生信號(hào)畸變。因測(cè)量原理與制作工藝的差異，目前市場(chǎng)上的功率變送器動(dòng)態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確度差別較大，部分變送器難以滿足汽門快控功能對(duì)功率測(cè)量的要求，不適合在此功能下使用[2]。為此，該機(jī)組已在之前利用停機(jī)檢修期間，將發(fā)電機(jī)變送器、電度表屏內(nèi)原功率變送器全部替換為智能變送器。智能變送器內(nèi)有測(cè)量CT與保護(hù)CT兩套CT，當(dāng)系統(tǒng)電流量發(fā)生大幅擾動(dòng)時(shí)，能夠自動(dòng)將智能變送器由測(cè)量CT輸出切至保護(hù)CT輸出，避免了測(cè)量CT由于速飽和而導(dǎo)致輸出信號(hào)畸變。屏內(nèi)布置三只發(fā)電機(jī)智能變送器、一只主變和勵(lì)磁變智能變送裝置和一只高廠變智能變送裝置。

發(fā)電機(jī)變送器的功率輸出信號(hào)：P1至DCS、P2至DEH（分別各三個(gè)測(cè)點(diǎn)）。

正常運(yùn)行時(shí)，智能變送器由測(cè)量CT完成參數(shù)的計(jì)算，其工作范圍為0.05In～1.2In；當(dāng)系統(tǒng)瞬間波動(dòng)時(shí)，將由測(cè)量CT切換至保護(hù)CT，其工作范圍為0.05In～20In；20 s后若系統(tǒng)無異常則切回測(cè)量CT繼續(xù)工作。

記錄表明，21：28：21.670，因負(fù)荷變動(dòng)較大，出現(xiàn)負(fù)序電流，觸發(fā)智能變送裝置CT切換，時(shí)間軸顯示發(fā)生在快速甩負(fù)荷后負(fù)荷恢復(fù)調(diào)整階段，如圖1所示。

圖1 智能變送器切換記錄

3.1.3 故障錄波數(shù)據(jù)記錄

21：28：20.958 6之后啟動(dòng)的故障錄波顯示，如圖2所示，機(jī)組負(fù)荷平穩(wěn)，并未出現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)，推斷在錄波之前發(fā)生負(fù)荷變化。

圖2 故障錄波數(shù)據(jù)記錄

3.1.4 PMU數(shù)據(jù)記錄

記錄顯示，21：28：20.910—21：28：20.950期間發(fā)生系統(tǒng)波動(dòng)，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行情況以及極端雷雨天氣，判斷該時(shí)間段500 kV系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)，由機(jī)組智能變送裝置同時(shí)感受到，分別將功率暫態(tài)量發(fā)送至DEH系統(tǒng)。

3.2 熱工專業(yè)檢查分析

熱工專業(yè)檢查情況，經(jīng)調(diào)閱DEH系統(tǒng)歷史曲線發(fā)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷信號(hào)在21：28：22從正常負(fù)荷（600 MW左右）突降至0 MW，持續(xù)時(shí)間約1.5 s。

調(diào)閱DEH系統(tǒng)歷史報(bào)警信號(hào)發(fā)現(xiàn)，21：28：21.211，報(bào)警LOAD REG（快速甩負(fù)荷）觸發(fā)；21：28：21.260，高、中壓調(diào)門快關(guān)指令（FST CLS）觸發(fā)；21：28：21.911，高、中壓調(diào)門關(guān)閉信號(hào)（CLOSED）來，如圖3所示。

圖3 DEH側(cè)數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)我廠本次機(jī)組甩負(fù)荷動(dòng)作條件，KU邏輯判斷中的負(fù)荷條件2需滿足：

（1）實(shí)際負(fù)荷大于-26 MW；

（2）實(shí)際負(fù)荷小于104 MW；

（3）負(fù)荷控制偏差大于104 MW；

（4）機(jī)組已并網(wǎng)。

其中，DEH所獲取的機(jī)組有功功率信號(hào)來自于發(fā)電機(jī)智能變送器，所以，若此時(shí)該變送器提供了錯(cuò)誤的信號(hào)，則能夠滿足負(fù)荷條件2，使得DEH執(zhí)行甩負(fù)荷動(dòng)作。

3.3 綜合分析

根據(jù)上述電氣與熱工數(shù)據(jù)、現(xiàn)象以及動(dòng)作行為分析，再結(jié)合機(jī)組DEH相關(guān)邏輯，系統(tǒng)瞬間甩負(fù)荷（KU）邏輯有兩個(gè)或門條件：

（1）瞬時(shí)降低的負(fù)荷量超過甩負(fù)荷識(shí)別限值GPLSP（728 MW）且轉(zhuǎn)速大于3 012 r/min；

（2）同時(shí)滿足下面4個(gè)條件：發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，實(shí)際負(fù)荷低于兩倍廠用電負(fù)荷限值GP2EB（104 MW），實(shí)際負(fù)荷高于逆功率值GPNEG（-26 MW），負(fù)荷設(shè)定值PSW與實(shí)際負(fù)荷PEL的差值大于兩倍廠用電負(fù)荷限值GP2EB（104 MW）。

瞬間甩負(fù)荷（KU）信號(hào)觸發(fā)后，延時(shí)150 ms發(fā)7 s脈沖信號(hào)復(fù)位。綜合DEH系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)及歷史數(shù)據(jù)記錄判斷：機(jī)組21：28：21.211瞬間甩負(fù)荷（KU）動(dòng)作是由實(shí)際負(fù)荷低于兩倍廠用電負(fù)荷限值GP2EB（104 MW）觸發(fā)，推斷21：28：20.411—21：28：21.211期間，電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)，由機(jī)組智能變送裝置捕捉到，并將該功率暫態(tài)量發(fā)送至DEH系統(tǒng)，而該功率信號(hào)低于104 MW，從而觸發(fā)瞬間甩負(fù)荷動(dòng)作。

4 DEH其他相關(guān)邏輯優(yōu)化

經(jīng)了解，國內(nèi)某同類型1 000 MW機(jī)組也曾發(fā)生發(fā)電機(jī)功率信號(hào)波動(dòng)造成KU甩負(fù)荷動(dòng)作，調(diào)門關(guān)閉，發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致機(jī)組跳閘的事件。為此，根據(jù)上述事故原因分析，對(duì)KU保護(hù)邏輯進(jìn)行優(yōu)化，保持西門子DEH的原控制邏輯思想不變，考慮真實(shí)甩負(fù)荷對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速控制的影響[3]，為確保機(jī)組DEH系統(tǒng)甩負(fù)荷邏輯正確動(dòng)作并避免保護(hù)拒動(dòng)，結(jié)合相關(guān)電廠同類型機(jī)組優(yōu)化后的甩負(fù)荷邏輯，并咨詢制造廠專家意見，決定對(duì)機(jī)組DEH系統(tǒng)甩負(fù)荷邏輯進(jìn)行如下修改：

（1）取消現(xiàn)有邏輯中瞬間甩負(fù)荷（KU）條件1中主機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速大于3 012 r/min的判斷；

（2）增加瞬間甩負(fù)荷（KU）條件1、2任一滿足的同時(shí)主機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速大于3 018 r/min的判斷，觸發(fā)瞬間甩負(fù)荷（KU）動(dòng)作。具體邏輯圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后DEH系統(tǒng)甩負(fù)荷邏輯

5 結(jié)語

本文通過案例分析，得出相關(guān)結(jié)論：對(duì)于優(yōu)化前的西門子1 000 MW汽輪機(jī)DEH瞬間甩負(fù)荷（KU）邏輯而言，在電氣故障工況下，功率變送器可能將電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的畸變暫態(tài)量電功率信號(hào)送入DEH控制系統(tǒng)，從而可能直接引起瞬間甩負(fù)荷誤動(dòng)。在西門子1 000 MW汽輪機(jī)DEH設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀況，結(jié)合國內(nèi)某同類型1 000 MW機(jī)組曾發(fā)生發(fā)電機(jī)功率信號(hào)波動(dòng)造成KU甩負(fù)荷動(dòng)作，調(diào)門關(guān)閉，發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致機(jī)組跳閘的相關(guān)案例，決定優(yōu)化西門子1 000 MW汽輪機(jī)跳閘保護(hù)，使保護(hù)邏輯與機(jī)組運(yùn)行情況有機(jī)結(jié)合，從而消除了現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中可能存在的安全隱患，提高了西門子1 000 MW汽輪機(jī)保護(hù)的可靠性。