許銳鋒

(河南恩湃高科集團有限公司，鄭州 450052)

1 問題的提出

某電廠2×660 MW汽輪機組是上海汽輪機有限公司引進德國西門子公司技術(shù)生產(chǎn)的N660-25/600/600型、超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機。機組配置2個高主閥、2個高調(diào)閥、2個中主閥、2個中調(diào)閥及1個補汽閥。汽輪機數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(DEH)由上海汽輪機有限公司成套供貨，使用Ovation控制系統(tǒng)。DEH采用西門子汽輪機控制策略，通過Ovation軟硬件平臺實現(xiàn)對汽輪機的控制。機組一直穩(wěn)定運行，然而在2013年11月份接連兩次發(fā)生突發(fā)性跳閘事故。

第1次事故：11-05 T 06:06:22，機組帶負荷401.8 MW，汽輪機調(diào)門快關(guān)，功率降至0 MW，接著閥門開到一個小開度，功率升至45 MW，最后閥門又關(guān)至0%，再熱器保護動作，鍋爐主燃料跳閘(MFT)，汽輪機跳閘，發(fā)電機解列。在此過程中，機組控制方式由協(xié)調(diào)方式變?yōu)闄C跟隨，最后切為轉(zhuǎn)速控制，汽輪機轉(zhuǎn)速基本在3 000 r/min。

第2次事故：11-26 T 20:34:22，機組帶負荷615.0 MW，汽輪機調(diào)門突發(fā)快關(guān)，過程與第1次事故類同，最后機組跳閘。

2 原因分析

2.1 汽輪機調(diào)門快關(guān)引起的一系列回路動作

兩次跳閘事故都是由汽輪機調(diào)門關(guān)閉引起的。調(diào)門快關(guān)后機組功率迅速降為0 MW，由于實際功率與設(shè)定功率偏差大，機組控制方式由協(xié)調(diào)功率控制切為機跟隨壓力控制。此時，機組維持當前主蒸汽壓力，隨著調(diào)門全關(guān)，主蒸汽壓力上升，閥門逐漸開大。但在閥門重新開啟過程中，控制方式又切為轉(zhuǎn)速控制。在西門子控制策略中，轉(zhuǎn)速控制與功率控制使用同一個比例-積分-微分(PID)調(diào)節(jié)器，其入口偏差為轉(zhuǎn)速偏差與功率偏差之和，此時目標功率為0 MW，目標轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，而實際功率為45 MW，實際轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，PID調(diào)節(jié)器入口為負偏差，因此閥門又關(guān)至0%。由于高、低壓旁路在手動，高、低壓旁路閥未開，而且鍋爐燃料量較高，因此延時10 s后再熱器保護動作，鍋爐MFT。直流爐由于蓄熱容量小，一般設(shè)計鍋爐跳閘直接聯(lián)跳汽輪機。汽輪機跳閘后，通過主汽門關(guān)閉信號聯(lián)跳發(fā)電機，使并網(wǎng)開關(guān)解列。

2.2 調(diào)門快關(guān)原因

調(diào)門快關(guān)是在電力系統(tǒng)故障或系統(tǒng)負荷驟減而出現(xiàn)甩負荷時，為了保護電力系統(tǒng)穩(wěn)定所采取的保護措施[1]。另外，在汽輪發(fā)電機組保護動作時，快關(guān)調(diào)門，防止超速或?qū)崿F(xiàn)緊急停機。此功能一般通過DEH快速回路實現(xiàn)。此機組汽輪機控制采用西門子DEH，其設(shè)計的調(diào)門快關(guān)條件有：汽輪機任一保護動作、閥位反饋故障及調(diào)門指令變化大。事故發(fā)生之前，機組未出現(xiàn)跳閘條件且各個調(diào)閥位置反饋都正常。通過歷史趨勢圖可以看出，每次調(diào)門快關(guān)前，實際功率都有一定程度的波動，因此可以斷定調(diào)門快關(guān)跟功率信號波動有關(guān)。功率信號波動觸發(fā)甩負荷信號，從而使汽輪機調(diào)門指令快速下降。

2.3 功率信號與調(diào)門指令的關(guān)系

西門子DEH甩負荷識別回路通過兩個方面判斷。(1)功率變化速率監(jiān)視：通過速率識別功能塊對實際功率進行監(jiān)視，如果實際功率下降速度超過14.584 MW/50 ms，延時0.5 s，產(chǎn)生電網(wǎng)瞬間中斷信號KU；(2)功率下降幅度監(jiān)視：如果實際功率下降到小于2倍廠用電負荷104 MW以及與功率設(shè)定值偏差大于104 MW，產(chǎn)生電網(wǎng)瞬間中斷信號KU。西門子DEH甩負荷識別回路邏輯如圖1所示。

由西門子公司《汽輪機調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)說明書》可知：功率信號波動過快或者波動幅度過大產(chǎn)生電網(wǎng)故障信號KU，觸發(fā)汽輪機甩負荷，從而把調(diào)門指令快速置為0%，緊急關(guān)閉閥門。

圖1 西門子DEH甩負荷識別回路邏輯

2.4 影響功率信號變化的原因

(1)發(fā)電機正常運行時，其輸出功率P取決于汽輪機輸入到發(fā)電機轉(zhuǎn)軸的機械功率。當汽輪機調(diào)門增大即汽輪機輸入功率增大時，發(fā)電機功率隨之增大；反之，發(fā)電機功率隨著減小。

綜上所述，影響發(fā)電機功率變化的因素有汽輪機調(diào)門開度、系統(tǒng)母線電壓、發(fā)電機勵磁電流以及信號干擾。

3 問題探討

3.1 調(diào)門快關(guān)不應(yīng)該引起汽輪機跳閘

根據(jù)西門子公司《汽輪機調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)說明書》，在這兩次事故中，功率波動速度超過預(yù)設(shè)值后，產(chǎn)生KU脈沖信號，使調(diào)門快速關(guān)閉，但調(diào)門快關(guān)后，由于功率偏差大機組直接由協(xié)調(diào)方式的功率調(diào)節(jié)切換為機跟隨的主蒸汽壓力調(diào)節(jié)，因此閥門沒有回到先前的開度，隨后功率維持在45 MW左右的低水平運行，此時滿足甩負荷幅值條件，并且在規(guī)定的延時時間2 s內(nèi)沒有恢復(fù)到原來負荷，因此機組控制方式切到帶轉(zhuǎn)速控制的負荷運行，最后出現(xiàn)了2.1章節(jié)所述的跳閘結(jié)果。常規(guī)機組出現(xiàn)類似KU故障信號時，汽輪機調(diào)門也快速關(guān)閉，但隨后1～2 s又快速開啟，調(diào)門回到原來開度，期間功率控制與壓力控制之間的切換不會影響調(diào)門開度。

3.2 甩負荷識別判斷回路的合理性

電力系統(tǒng)故障部分甩負荷時，同步發(fā)電機由于輸入、輸出功率的不平衡引起與電網(wǎng)的失步，使功角加大，過大的功角會使電機失去穩(wěn)定而與電網(wǎng)解列。因此，在部分甩負荷的瞬間，應(yīng)暫時減低汽輪機的輸入功率，以保護電力系統(tǒng)的穩(wěn)定[1]。發(fā)電機并網(wǎng)開關(guān)解列甩全負荷時，通過負荷下跌預(yù)測功能檢測某些參數(shù)的變化，快速關(guān)閉汽輪機調(diào)門，防止汽輪機超速。常規(guī)機組甩負荷判斷條件有：發(fā)電機并網(wǎng)斷路器解列、功率不平衡。當發(fā)電機解列時，若機組負荷大于30%額定負荷，快關(guān)所有調(diào)門，汽輪機控制器切到轉(zhuǎn)速控制并維持3 000 r/min。功率不平衡即汽輪機機械功率與發(fā)電機有功功率不平衡。汽輪機機械功率通過中壓缸排汽壓力或中壓缸進汽壓力表征；發(fā)電機有功功率直接用有功功率或用發(fā)電機電流表征。當汽輪機功率大于發(fā)電機功率30%時，快關(guān)高中壓調(diào)門1～2 s，隨后調(diào)門回到先前位置。西門子公司DEH甩負荷判斷為：油開關(guān)解列以及2.3章節(jié)所提到的發(fā)電機功率變動速率過快、下降幅值過大。其中，功率下降幅值過大判斷與常規(guī)功率不平衡判斷類似。而功率下降速率判斷則不同，它的靈敏性較高，當系統(tǒng)電壓、勵磁電流波動以及信號干擾引起功率波動時[3]，速率變化略偏大信號就有可能被觸發(fā)。另外，Ovation系統(tǒng)速率監(jiān)視功能塊時間單位為其所在任務(wù)區(qū)的處理周期，即在一個處理周期內(nèi)功率變化量(此機組處理周期設(shè)置為50 ms)，這樣使它的靈敏性更高，因此功率變化速率過大信號極易被觸發(fā)。

4 解決措施

4.1 甩負荷識別回路修改

在發(fā)電機實際功率變化速率過快條件中增加發(fā)電機轉(zhuǎn)速限制。轉(zhuǎn)速定值可根據(jù)所在電網(wǎng)頻率變化范圍而定。當電網(wǎng)故障導(dǎo)致負荷信號波動時，如果發(fā)電機未解列，只要汽輪機轉(zhuǎn)速波動超過預(yù)設(shè)值，則觸發(fā)甩負荷信號，防止功率信號由于其他原因誤動而造成假甩負荷。

4.2 協(xié)調(diào)控制方式切機跟隨條件修改

西門子控制策略有別于常規(guī)設(shè)計，其甩負荷動作通過功率控制回路的設(shè)定值前饋實現(xiàn)，由于壓力控制回路實時跟蹤功率回路，因此，甩負荷信號出現(xiàn)時，功率回路及壓力回路輸出指令基本全是0%。在甩負荷信號消失后，功率回路前饋恢復(fù)到原來值，調(diào)門指令也跟著回到原來值，但若期間切換到壓力控制回路，調(diào)門指令則完全由壓力調(diào)節(jié)器控制，其根據(jù)主汽壓力變化升高或降低，不能快速回到原來開度，這樣就擴大了事故，很容易導(dǎo)致跳機。據(jù)此在功率偏差大且協(xié)調(diào)方式(主要控制功率)條件中增加3 s延時，使調(diào)門快關(guān)后繼續(xù)維持負荷控制，從而回到先前開度。當并網(wǎng)斷路器出口開關(guān)站出現(xiàn)故障或者電網(wǎng)發(fā)生真正甩負荷導(dǎo)致發(fā)電機功率無法恢復(fù)到原來值時，機組控制方式直接從負荷控制切到轉(zhuǎn)速控制，維持機組安全。

4.3 功率信號維護

機組功率易受到電網(wǎng)系統(tǒng)的干擾，小電網(wǎng)或者靠近負荷中心點尤為明顯，因此在電網(wǎng)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)波動時，要密切關(guān)注此機組的運行情況。另外，全面檢查功率信號測量回路以及加固接線端子，并使信號電纜屏蔽層可靠單端接地，防止信號受到干擾。

5 結(jié)束語

調(diào)門快關(guān)的目的是保護電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定以及防止汽輪機超速，但信號或邏輯處理不當卻容易導(dǎo)致機組跳閘，而且速度極快，使運行人員來不及分析和干預(yù)。經(jīng)過一步步分析，最終查出調(diào)門快關(guān)機組跳閘的原因，并通過修改甩負荷識別回路以及功率偏差大切協(xié)調(diào)功率調(diào)節(jié)條件，提高了邏輯的可靠性，有效防止了機組再次發(fā)生類似事故，保證了機組穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]高愛民.電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(第五冊)[M].北京:中國電力出版社，2004.

[2]華東六省一市電機工程(電力)學會.電氣設(shè)備及其系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，1999.

[3]楊聯(lián)聯(lián).系統(tǒng)擾動對發(fā)電機組的影響及應(yīng)對措施[C]//全國火電600 MWe級機組能效對標及競賽第十四屆年會論文集.昆明：中國電力企業(yè)聯(lián)合會，中國能源化學工會，2010.