謝燕雄,張?zhí)郑?鵬
(神華神東電力重慶萬州港電有限責任公司,重慶 404027)
功率-負荷不平衡保護誤動作的分析與改進
謝燕雄,張?zhí)?,?鵬
(神華神東電力重慶萬州港電有限責任公司,重慶 404027)
分析了某火電廠超超臨界機組功率-負荷不平衡(PLU)保護原理和誤動作事件,發(fā)現(xiàn)PLU保護設(shè)計中存在不合理之處,提出改進建議并加以實施,有效避免了汽輪機超速故障,保護了汽輪機及電網(wǎng)的安全運行。
汽輪機;功率-負荷不平衡;超速
針對大型汽輪發(fā)電機組甩負荷時的超速風險,特別是運行機組甩部分負荷工況,即機組與電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)的“發(fā)電機并網(wǎng)”信號正常,但由于外部線路故障、電網(wǎng)故障或者其他原因,導致機組實際送出的功率瞬間大幅度下降時,汽輪機存在嚴重的超速風險,在汽輪機DEH控制系統(tǒng)中,一般設(shè)置功率-負荷不平衡(PLU)保護。
某火電廠1號、2號1 050 MW超超臨界機組分別于2015年2月、9月通過168 h試運轉(zhuǎn)入商業(yè)運營。2015-04-15,1號機組在運行中發(fā)生過功率-負荷不平衡(PLU)保護誤動作事件,高、中壓調(diào)門3次開關(guān),造成機組負荷從(-30)-1 050 MW波動了3次,直接威脅機組及電網(wǎng)的安全運行。
1.1 PLU保護原理
功率-負荷不平衡(PLU)保護的動作條件:中壓缸進汽壓力/額定中壓缸進汽壓力(785PSI)-實際發(fā)電機負荷/額定負荷(1 050 MW)>0.4。
汽輪機功率由中壓缸第1級入口蒸汽壓力來表征,輸入信號為4-20 mA,3個測點獨立取樣。
發(fā)電機功率信號:從發(fā)電機機端電流互感器(CT)和電壓互感器(PT)取得三相電流、電壓信號,經(jīng)3塊功率變送器計算后得到。再將該功率信號送
到汽輪機TP800保護模件。
汽輪機TP800保護模件由ABB公司生產(chǎn),每臺機組配置3塊,每塊卡件分別接收1個中壓缸第1級入口蒸汽壓力信號和1個發(fā)電機功率信號。該保護采用“3取2”判據(jù),當任何1塊卡件故障或任何1個信號故障時,保護均不會誤動作。
1.2 PLU保護邏輯框圖
PLU保護邏輯程序固化在汽輪機TP800保護模件中,PLU保護邏輯如圖1所示。
1.3 PLU動作過程
當汽輪機TP800保護模件檢測到功率-負荷不平衡并達到整定值時,PLU保護在15 ms內(nèi)動作,快速關(guān)閉高、中壓調(diào)節(jié)閥,2 s后PLU保護返回,汽輪機高、中壓調(diào)節(jié)閥恢復(fù)伺服調(diào)節(jié),并立即按保護動作前的閥位指令開啟汽輪機高、中壓調(diào)節(jié)閥,或根據(jù)運行人員指令控制機組負荷。
關(guān)于快速關(guān)閉高、中壓調(diào)節(jié)閥2 s后又重新開啟至原閥位的動作要求,是基于下列2種原因設(shè)計而成的。
(1) PLU保護動作,立即全關(guān)汽輪機高、中壓調(diào)節(jié)閥,如發(fā)電機出口開關(guān)實際上沒有分閘,需快速打開汽輪機高、中壓調(diào)節(jié)閥,避免發(fā)電機變“電動機”運行,或者引起發(fā)變組逆功率保護動作使機組跳閘。
(2) 若電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時性故障,故障快速消除后,為保證電網(wǎng)有功功率平衡,汽輪機高、中壓調(diào)節(jié)閥必須及時打開,確保電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。
圖1 PLU保護邏輯示意
2015-04-15T10:14,該火電廠1號機組正常運行,發(fā)電機有功功率911 MW,CCS控制方式,AGC投入,汽輪機1號、2號高壓調(diào)節(jié)閥開度均為47.7 %,中壓調(diào)節(jié)閥開度均為100 %。
因工作人員誤斷開了發(fā)電機出口1號PT的測量繞組的二次空開,導致所有功率變送器測量用的電壓信號瞬時變?yōu)?,汽輪機TP800保護模件的3個功率信號也瞬時變?yōu)?。這符合PLU保護動作條件,故PLU動作。
10:14:39,機組負荷由911 MW突降為0,汽輪機TP800保護模件中的功率-負荷不平衡PLU保護第1次動作,全部關(guān)閉汽輪機高、中壓調(diào)節(jié)閥,機前主汽壓力由23.7 MPa突升至26.6 MPa,動作持續(xù)2 s。
10:14:41,PLU保護返回,汽輪機高、中壓調(diào)節(jié)閥自動恢復(fù)伺服控制,并快速開啟至原開度。
10:14:44,由于TP800保護模件的3個功率信號仍為0, PLU保護第2次動作,第2次全部關(guān)閉汽輪機高、中壓調(diào)節(jié)閥。
10:14:46,PLU保護第2次動作返回后,汽輪機高、中壓調(diào)節(jié)閥自動恢復(fù)伺服控制,并快速開啟至原開度。
10:14:49,PLU由于TP800保護模件的3個功率信號仍為0,保護第3次動作,第3次全部關(guān)閉汽輪機高、中壓調(diào)節(jié)閥。
10:14:51,PLU保護第3次動作返回后,汽輪機高、中壓調(diào)節(jié)閥自動恢復(fù)伺服控制,并快速開啟至原開度。
10:14:52,工作人員重新合上發(fā)電機出口1號PT的測量繞組的二次空開,發(fā)電機有功功率恢復(fù)正常,PLU保護動作停止,運行人員手動調(diào)整機組參數(shù)維持機組穩(wěn)定。從DCS系統(tǒng)查閱得知,主變高壓側(cè)有功功率從(-30)-1 050 MW波動了3次,直接威脅機組和電網(wǎng)的安全運行。
3.1 PLU保護功率變送器電壓采樣不合理
根據(jù)歐洲電工標準化委員會制定的SIL3安全標準,PLU采用“3取2”判據(jù)設(shè)計,以避免信號誤發(fā)導致保護誤動。但實際配置中,所有測量用的電壓信號均取自發(fā)電機出口1號PT的測量繞組,當該組PT故障或發(fā)生二次回路斷線等情況時,送至汽輪機TP800保護模件的3個功率信號同時受到影響,造成PLU保護誤判斷。
3.2 PLU保護動作判據(jù)不充分
作為防止汽輪機超速的手段,若僅依靠單一電功率測量信號判斷機械功率和電功率不平衡,并作為PLU保護動作的依據(jù),則在出現(xiàn)因類似本次事件引起的功率信號失真時,在汽輪機和電網(wǎng)運行正常情況下,PLU保護即發(fā)生誤動,將引起機組功率大幅波動。
3.3 TP800保護模件無法判斷有功功率信號故障
PLU保護設(shè)計的初衷是:當PLU動作機組避開超速風險后,恢復(fù)汽輪機DEH伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。但因汽輪機TP800保護模件無法對發(fā)電機有功功率信號故障進行判斷,導致因功率信號故障時PLU保護多次動作,直到重新合上發(fā)電機出口1 號PT的測量繞組的二次空開,發(fā)電機有功功率恢復(fù), PLU保護才停止動作。
3.4 功率變送器的時間常數(shù)難以滿足要求
根據(jù)行業(yè)標準,一般功率變送器的時間常數(shù)要求小于400 ms,實際在240-400 ms,延時較長,難以滿足系統(tǒng)故障快速響應(yīng)的要求。
4.1 改進PLU保護采樣
4.1.1 采用快速智能響應(yīng)型功率變送器
快速智能響應(yīng)型功率變送器的響應(yīng)時間可縮短至40 ms,能有效解決一般功率變送器響應(yīng)時間長的問題,滿足電網(wǎng)暫態(tài)故障的快速響應(yīng)要求。因此,將原來為汽輪機TP800保護模件提供功率信號的3只普通功率變送器更換為智能功率變送器。
快速智能響應(yīng)型功率變送器具有2組電流、電壓間切換及斷線識別功能。正常運行中,該智能功率變送器采用PT和CT的測量用繞組的電壓、電流信號進行功率計算。當發(fā)生電網(wǎng)事故時,發(fā)電機有功功率發(fā)生突變,此時該智能功率變送器自動切換至PT和CT的保護用繞組的電壓、電流信號進行功率計算,解決電網(wǎng)故障情況下的暫態(tài)特性問題。同時,該智能功率變送器具有自動識別PT、CT斷線的功能,能解決PT、CT斷線時PLU的誤動作問題。
4.1.2 改進智能功率變送器采樣回路
(1) 智能功率變送器電源回路分別采用獨立的UPS供電。
(2) 智能功率變送器電流采樣回路分別引入發(fā)電機機端2組CT的二次繞組(一組測量繞組,另一組保護繞組)。
(3) 智能功率變送器電壓采樣回路分別引入發(fā)電機機端2組PT不同的二次繞組(一組測量繞組,另一組保護繞組),PT二次空開采用單極空開。改進后的發(fā)電機出口PT接線如圖2所示。
(4) 各智能功率變送器送至DEH的信號電纜獨立布置。
4.2 增加轉(zhuǎn)速信號閉鎖條件
為防止PLU保護誤動,在PLU動作回路中串聯(lián)轉(zhuǎn)速動作接點。當PLU保護動作、轉(zhuǎn)速動作判據(jù)同時滿足時,PLU保護才能出口。
根據(jù)仿真實驗結(jié)果確定PLU動作轉(zhuǎn)速為3 030 r/min,當汽輪機轉(zhuǎn)速達到此動作轉(zhuǎn)速時,轉(zhuǎn)速動作輸出接點閉合。只有當汽輪機機械功率與電功率不平衡(大于0.4)且機組實際轉(zhuǎn)速達到3 030 r/min值時,PLU保護才會動作出口,避免PLU保護誤動。同時,在PLU出口回路中引入機組出口開關(guān)合閘位置接點,只有當機組并網(wǎng)運行且以上2個條件同時滿足時,PLU保護才會動作,從而防止PLU誤動。
此外,為確保PLU保護動作的可靠性,將汽輪機TP800保護模件中的轉(zhuǎn)速判斷的控制周期縮短。修改后的PLU保護動作原理如圖3所示。
汽輪機PLU保護是ETS系統(tǒng)的一項重要保護,也是DEH系統(tǒng)防止超速控制功能的一部分,雖然比較簡單,卻往往容易被忽略?,F(xiàn)對PLU保護誤動作進行了分析,并提出了相應(yīng)的改進方法,這對提高PLU保護可靠性、防止汽輪機組超速、抑制電網(wǎng)振蕩、迅速恢復(fù)機組功率、防止事故擴大,有一定的借鑒意義。
圖2 改進后的發(fā)電機出口PT接線示意
圖3 改進后的PLU保護動作原理示意
1 徐衍會,賀仁睦,孔祥云.調(diào)速系統(tǒng)超速保護控制對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響[J].現(xiàn)代電力,2006,23(6):6-9.
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3 朱松強.功率負荷不平衡模塊(PLU)誤動原因分析[J].浙江電力,2005,72(4):44-45.
4 過小玲,鄭渭建.取消東汽機組PLU保護的可行性探討[J].浙江電力,2012,31(1):56-58.
2016-09-16。
謝燕雄(1983-),男,助理工程師,主要從事火電廠集控運行工作,email:442440378@qq.com。
張?zhí)?1973-),男,高級工程師,主要從事運行管理工作。
余 鵬(1982-),男,工程師,主要從事火電廠汽機運行管理工作。