西門子汽輪機(jī)調(diào)門快關(guān)問題分析

許銳鋒

(河南恩湃高科集團(tuán)有限公司，鄭州 450052)

1 問題的提出

某電廠2×660 MW汽輪機(jī)組是上海汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)德國(guó)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(jī)。機(jī)組配置2個(gè)高主閥、2個(gè)高調(diào)閥、2個(gè)中主閥、2個(gè)中調(diào)閥及1個(gè)補(bǔ)汽閥。汽輪機(jī)數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(DEH)由上海汽輪機(jī)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(jī)控制策略，通過Ovation軟硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)的控制。機(jī)組一直穩(wěn)定運(yùn)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(jī)組帶負(fù)荷401.8 MW，汽輪機(jī)調(diào)門快關(guān)，功率降至0 MW，接著閥門開到一個(gè)小開度，功率升至45 MW，最后閥門又關(guān)至0%，再熱器保護(hù)動(dòng)作，鍋爐主燃料跳閘(MFT)，汽輪機(jī)跳閘，發(fā)電機(jī)解列。在此過程中，機(jī)組控制方式由協(xié)調(diào)方式變?yōu)闄C(jī)跟隨，最后切為轉(zhuǎn)速控制，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速基本在3 000 r/min。

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

2 原因分析

2.1 汽輪機(jī)調(diào)門快關(guān)引起的一系列回路動(dòng)作

兩次跳閘事故都是由汽輪機(jī)調(diào)門關(guān)閉引起的。調(diào)門快關(guān)后機(jī)組功率迅速降為0 MW，由于實(shí)際功率與設(shè)定功率偏差大，機(jī)組控制方式由協(xié)調(diào)功率控制切為機(jī)跟隨壓力控制。此時(shí)，機(jī)組維持當(dāng)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(gè)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(shí)目標(biāo)功率為0 MW，目標(biāo)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，而實(shí)際功率為45 MW，實(shí)際轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，PID調(diào)節(jié)器入口為負(fù)偏差，因此閥門又關(guān)至0%。由于高、低壓旁路在手動(dòng)，高、低壓旁路閥未開，而且鍋爐燃料量較高，因此延時(shí)10 s后再熱器保護(hù)動(dòng)作，鍋爐MFT。直流爐由于蓄熱容量小，一般設(shè)計(jì)鍋爐跳閘直接聯(lián)跳汽輪機(jī)。汽輪機(jī)跳閘后，通過主汽門關(guān)閉信號(hào)聯(lián)跳發(fā)電機(jī)，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(fù)荷驟減而出現(xiàn)甩負(fù)荷時(shí)，為了保護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定所采取的保護(hù)措施[1]。另外，在汽輪發(fā)電機(jī)組保護(hù)動(dòng)作時(shí)，快關(guān)調(diào)門，防止超速或?qū)崿F(xiàn)緊急停機(jī)。此功能一般通過DEH快速回路實(shí)現(xiàn)。此機(jī)組汽輪機(jī)控制采用西門子DEH，其設(shè)計(jì)的調(diào)門快關(guān)條件有：汽輪機(jī)任一保護(hù)動(dòng)作、閥位反饋故障及調(diào)門指令變化大。事故發(fā)生之前，機(jī)組未出現(xiàn)跳閘條件且各個(gè)調(diào)閥位置反饋都正常。通過歷史趨勢(shì)圖可以看出，每次調(diào)門快關(guān)前，實(shí)際功率都有一定程度的波動(dòng)，因此可以斷定調(diào)門快關(guān)跟功率信號(hào)波動(dòng)有關(guān)。功率信號(hào)波動(dòng)觸發(fā)甩負(fù)荷信號(hào)，從而使汽輪機(jī)調(diào)門指令快速下降。

2.3 功率信號(hào)與調(diào)門指令的關(guān)系

西門子DEH甩負(fù)荷識(shí)別回路通過兩個(gè)方面判斷。(1)功率變化速率監(jiān)視：通過速率識(shí)別功能塊對(duì)實(shí)際功率進(jìn)行監(jiān)視，如果實(shí)際功率下降速度超過14.584 MW/50 ms，延時(shí)0.5 s，產(chǎn)生電網(wǎng)瞬間中斷信號(hào)KU；(2)功率下降幅度監(jiān)視：如果實(shí)際功率下降到小于2倍廠用電負(fù)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(hào)KU。西門子DEH甩負(fù)荷識(shí)別回路邏輯如圖1所示。

由西門子公司《汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)說明書》可知：功率信號(hào)波動(dòng)過快或者波動(dòng)幅度過大產(chǎn)生電網(wǎng)故障信號(hào)KU，觸發(fā)汽輪機(jī)甩負(fù)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(fù)荷識(shí)別回路邏輯

2.4 影響功率信號(hào)變化的原因

(1)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，其輸出功率P取決于汽輪機(jī)輸入到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的機(jī)械功率。當(dāng)汽輪機(jī)調(diào)門增大即汽輪機(jī)輸入功率增大時(shí)，發(fā)電機(jī)功率隨之增大；反之，發(fā)電機(jī)功率隨著減小。

綜上所述，影響發(fā)電機(jī)功率變化的因素有汽輪機(jī)調(diào)門開度、系統(tǒng)母線電壓、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流以及信號(hào)干擾。

3 問題探討

3.1 調(diào)門快關(guān)不應(yīng)該引起汽輪機(jī)跳閘

根據(jù)西門子公司《汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)說明書》，在這兩次事故中，功率波動(dòng)速度超過預(yù)設(shè)值后，產(chǎn)生KU脈沖信號(hào)，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(jī)組直接由協(xié)調(diào)方式的功率調(diào)節(jié)切換為機(jī)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(yùn)行，此時(shí)滿足甩負(fù)荷幅值條件，并且在規(guī)定的延時(shí)時(shí)間2 s內(nèi)沒有恢復(fù)到原來負(fù)荷，因此機(jī)組控制方式切到帶轉(zhuǎn)速控制的負(fù)荷運(yùn)行，最后出現(xiàn)了2.1章節(jié)所述的跳閘結(jié)果。常規(guī)機(jī)組出現(xiàn)類似KU故障信號(hào)時(shí)，汽輪機(jī)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(huì)影響調(diào)門開度。

3.2 甩負(fù)荷識(shí)別判斷回路的合理性

電力系統(tǒng)故障部分甩負(fù)荷時(shí)，同步發(fā)電機(jī)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(huì)使電機(jī)失去穩(wěn)定而與電網(wǎng)解列。因此，在部分甩負(fù)荷的瞬間，應(yīng)暫時(shí)減低汽輪機(jī)的輸入功率，以保護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定[1]。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開關(guān)解列甩全負(fù)荷時(shí)，通過負(fù)荷下跌預(yù)測(cè)功能檢測(cè)某些參數(shù)的變化，快速關(guān)閉汽輪機(jī)調(diào)門，防止汽輪機(jī)超速。常規(guī)機(jī)組甩負(fù)荷判斷條件有：發(fā)電機(jī)并網(wǎng)斷路器解列、功率不平衡。當(dāng)發(fā)電機(jī)解列時(shí)，若機(jī)組負(fù)荷大于30%額定負(fù)荷，快關(guān)所有調(diào)門，汽輪機(jī)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(jī)機(jī)械功率與發(fā)電機(jī)有功功率不平衡。汽輪機(jī)機(jī)械功率通過中壓缸排汽壓力或中壓缸進(jìn)汽壓力表征；發(fā)電機(jī)有功功率直接用有功功率或用發(fā)電機(jī)電流表征。當(dāng)汽輪機(jī)功率大于發(fā)電機(jī)功率30%時(shí)，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(fù)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(jī)功率變動(dòng)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(dāng)系統(tǒng)電壓、勵(lì)磁電流波動(dòng)以及信號(hào)干擾引起功率波動(dòng)時(shí)[3]，速率變化略偏大信號(hào)就有可能被觸發(fā)。另外，Ovation系統(tǒng)速率監(jiān)視功能塊時(shí)間單位為其所在任務(wù)區(qū)的處理周期，即在一個(gè)處理周期內(nèi)功率變化量(此機(jī)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(hào)極易被觸發(fā)。

4 解決措施

4.1 甩負(fù)荷識(shí)別回路修改

在發(fā)電機(jī)實(shí)際功率變化速率過快條件中增加發(fā)電機(jī)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(dāng)電網(wǎng)故障導(dǎo)致負(fù)荷信號(hào)波動(dòng)時(shí)，如果發(fā)電機(jī)未解列，只要汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)超過預(yù)設(shè)值，則觸發(fā)甩負(fù)荷信號(hào)，防止功率信號(hào)由于其他原因誤動(dòng)而造成假甩負(fù)荷。

4.2 協(xié)調(diào)控制方式切機(jī)跟隨條件修改

西門子控制策略有別于常規(guī)設(shè)計(jì)，其甩負(fù)荷動(dòng)作通過功率控制回路的設(shè)定值前饋實(shí)現(xiàn)，由于壓力控制回路實(shí)時(shí)跟蹤功率回路，因此，甩負(fù)荷信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，功率回路及壓力回路輸出指令基本全是0%。在甩負(fù)荷信號(hào)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(kuò)大了事故，很容易導(dǎo)致跳機(jī)。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(shí)，使調(diào)門快關(guān)后繼續(xù)維持負(fù)荷控制，從而回到先前開度。當(dāng)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(fù)荷導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功率無法恢復(fù)到原來值時(shí)，機(jī)組控制方式直接從負(fù)荷控制切到轉(zhuǎn)速控制，維持機(jī)組安全。

4.3 功率信號(hào)維護(hù)

機(jī)組功率易受到電網(wǎng)系統(tǒng)的干擾，小電網(wǎng)或者靠近負(fù)荷中心點(diǎn)尤為明顯，因此在電網(wǎng)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，要密切關(guān)注此機(jī)組的運(yùn)行情況。另外，全面檢查功率信號(hào)測(cè)量回路以及加固接線端子，并使信號(hào)電纜屏蔽層可靠單端接地，防止信號(hào)受到干擾。

5 結(jié)束語

調(diào)門快關(guān)的目的是保護(hù)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定以及防止汽輪機(jī)超速，但信號(hào)或邏輯處理不當(dāng)卻容易導(dǎo)致機(jī)組跳閘，而且速度極快，使運(yùn)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(jī)組跳閘的原因，并通過修改甩負(fù)荷識(shí)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(jī)組再次發(fā)生類似事故，保證了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

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