1 000 MW超超臨界機組出線故障引起汽輪機轉速偏高原因分析與處理

徐 飛,方世清

(1. 安慶皖江發(fā)電有限責任公司, 安徽 安慶 246000;2. 神皖能源有限責任公司, 安徽 合肥 230011)

為了考核汽輪機調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性進行整套機組啟動前的甩負荷試驗,試驗分為甩50%、100%額定負荷兩個階段進行.若機組甩50%額定負荷后轉速超調量大于5%,或有危及機組安全運行現(xiàn)象或隱患出現(xiàn),則不可進行100%甩負荷試驗.機組甩100%負荷后,最高飛升轉速不使用超速(定值3 300 r/min)保護動作.試驗中,突然斷開發(fā)電機主開關,使機組與電網(wǎng)解列,在甩去全部負荷的情況下記錄相關曲線,評判試驗結果.試驗及調試的目的是為了在機組投入商業(yè)運行后,如遇甩負荷情況發(fā)生,確保汽輪機最高飛升轉速不超過3 300 r/min.

1 甩負荷試驗概述

安慶電廠二期2×1 000 MW超超臨界燃煤機組分別于2015年5月31日和6月19日完成168 h試運行并轉入商業(yè)運行.汽輪機采用上海汽輪機廠引進的西門子N1000-28/600/620型一次中間再熱、四缸、四排汽、單軸、凝汽式汽輪機.汽輪機DEH和ETS系統(tǒng)均采用艾默生Ovation控制系統(tǒng),能夠實現(xiàn)對汽輪發(fā)電機組的轉速控制、負荷控制和危急遮斷保護.

2019年6月10日,#4機組整套機組在50%甩負荷試驗時,汽輪機轉子的最高飛升轉速為3 089 r/min,超調量為2.97%,發(fā)電機最高電壓27.3 kV,甩50%負荷試驗成功.6月10日20:30,#4機組負荷1 000 MW,主蒸汽壓力27.74 MPa,主蒸汽溫度593 ℃,再熱蒸汽壓力5.37 MPa,再熱蒸汽溫度606 ℃.鍋爐主控、協(xié)調、給水、風量、爐膛負壓等均投自動,電氣跳汽輪機保護壓板解除,發(fā)電機出口電壓27.08 kV.21:20,開始做甩100%負荷試驗,手動斷開發(fā)電機主斷路器2704開關,瞬間將100%負荷甩至0,發(fā)電機開關斷開3 s后,汽輪機轉速飛升至最高轉速3 207 r/min.在此過程中,甩負荷最低轉速為2 987 r/min,75 s后汽機輪轉速穩(wěn)定在3 000 r/min,轉速超調量為6.9%,發(fā)電機最高電壓27.46 kV,試驗數(shù)據(jù)表明,甩100%負荷試驗成功,#4機組調節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性良好,能滿足機組正常運行期間甩負荷所有要求.

2 500 kV送出線路故障情況

2.1 線路故障前相關情況

2019年2月10日安慶地區(qū)雨夾雪,氣溫0 ℃,東北風3—4級.13:50,#3機組負荷750 MW、#4機組負荷750 MW由自動發(fā)電控制系統(tǒng)(AGC)投入,機組運行正常.電廠500 kV送出線路安雙5375線、安嶺5376線運行,5001開關、5002開關、5003開關、5004開關運行,形成四角合環(huán)運行,見圖1;13:57,因500 kV線路覆冰嚴重,#3、#4機組退出AGC,手動降負荷至400 MW并保持;22:07:05,#3號主變至安嶺5376線的5002開關、#4主變至安嶺5376線的5003開關C相跳閘,重合閘動作不成功,經(jīng)查為500 kV安嶺5376線路C相接地故障;22:50:57,華東網(wǎng)調對500 kV安嶺5376線路強送電,未成功,將安嶺5376線路轉冷備用;2月11日00:46,將#3主變至安嶺5376線的5002開關、#4主變至安嶺5376線的5003開關從備用改為運行,500 kV系統(tǒng)四角形合環(huán)運行,安嶺5376線路仍保持冷備用,#3、#4機組負荷僅通過500 kV安雙5375單線路送出;09:17,#3、#4機組取消負荷限制,負荷分別由400 MW升至700 MW;10:20,#4機組AGC投入,負荷700 MW,機組運行正常.

圖1 #3、#4機組電氣主接線簡圖

2.2 線路故障后機組動作情況

2019年2月11日10:32:26,電廠500 kV送出由于安雙5375線路A相接地故障跳閘.10:32:27,汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)側實際負荷由700 MW增至750 MW,調門微關(負荷設定值為699 MW,轉速由2 999.6 r/min降至2 996.1 r/min,轉速負荷控制器輸出由68.29降至66.22,高壓調門1由28.9%降至27.5%,高壓調門2由28.9%降至28.7%,中壓調門1和中壓調門2為100%);10:32:28,DEH側實際負荷由750 MW降至38.8 MW,調門關閉中(負荷設定值為699 MW,轉速由2 996.1 r/min升至3 127.1 r/min,轉速負荷控制器輸出由66.22降至18.91,高壓調門1由27.5%降至17.7%,高壓調門2由28.7%降至18.7%,中壓調門1由100%降至78.1%,中壓調門2由100%降至76.5%);10:32:29,DEH側實際負荷由38.8 MW降至35.9 MW,調門全關(轉速由3 127.1 r/min升至3 208 r/min,轉速負荷控制器輸出由18.91降至-64.2,此時由于SHUTDOWN快關指令已發(fā)出,高壓調門和中壓調門快關電磁閥失電,高壓調門和中壓調門快速關至0);10:32:30,DEH側實際負荷由35.9 MW降至25.56 MW,轉速由3 208 r/min升至3 214 r/min,高壓調門、中壓調門保持在0%;10:32:39,鍋爐主燃料跳閘(MFT)并聯(lián)跳汽輪機.

3 甩負荷轉速偏高原因分析

本次事件70%甩負荷過程中汽輪機調速系統(tǒng)動作正常,轉速上升后各主汽門、調門關閉動作正常,線路跳閘3 s后汽輪機轉速最高升至3 214 r/min,比基建調試期甩100%負荷試驗時最高轉速3 207 r/min高出7 r/min.針對異常現(xiàn)象,對本次事件和基建調試甩負荷工況的區(qū)別以及DEH甩負荷邏輯的功能、邏輯執(zhí)行順序、邏輯點的組態(tài)等方面進行分析和檢查.

3.1 DEH甩負荷邏輯介紹及分析

3.1.1 DEH甩負荷邏輯介紹

上海汽輪機廠的1 000 MW超超臨界機組設置了甩負荷功能,主要是通過功率不平衡引起閥門反饋和指令偏差,將流量快關保護信號(即C20)送到汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)(ETS),使調門動作,快關電磁閥,快速抑制轉速飛升.

甩負荷分為瞬時負荷中斷短甩(KU)和長甩(LAW)兩種,邏輯圖見圖2,其中LAW才是真正意義上的甩負荷.瞬時負荷中斷KU保護是用于電網(wǎng)負荷波動或者甩部分負荷的情況下抑制汽輪機轉速飛升,此時汽輪機組還是并網(wǎng)狀態(tài).

圖2 KU和LAW邏輯圖

當汽輪機實際轉速大于3 018 r/min,下列兩個條件滿足任一條時瞬時負荷中斷KU觸發(fā):

1) 當負荷較高時, 突然出現(xiàn)負荷變化大于負荷跳變限值GPLSPQU(定值:800 MW);

2) 當前為較低負荷, 以下條件應同時滿足:① 實際負荷小于2倍廠用電(定值:104 MW);② 負荷控制偏差大于2倍廠用電(定值:104 MW);③ 實際負荷大于負荷負向逆功率限值(定值:-26 MW);④ 機組處于并網(wǎng)狀態(tài)[1],具體邏輯為并網(wǎng)信號經(jīng)過5 s的上升延時,再經(jīng)過3 s的下降延時,即表示機組已并網(wǎng)超過5 s,且3 s前還處于并網(wǎng)狀態(tài).

瞬時負荷中斷KU條件滿足時將觸發(fā)RS觸發(fā)器的SET位,同時經(jīng)過150 ms延時后發(fā)出一個7 s的脈沖信號對RS觸發(fā)器進行復位,即KU信號觸發(fā)時間為150 ms,且在復位后7 s內(nèi)不會再次觸發(fā)[2].

3.1.2 甩負荷過程比較和分析

本次事件甩負荷過程中,當負荷較高時,歷史數(shù)據(jù)中未發(fā)現(xiàn)觸發(fā)信號負荷變化大于負荷跳變限值GPLSPQU,如圖3所示,不能確定是否觸發(fā).由于KU歷史采樣時間間隔為1 s,且KU觸發(fā)后150 ms就復位,歷史趨勢中未能采樣到KU動作記錄.

圖3 KU觸發(fā)條件同時滿足

KU觸發(fā)后,無負荷中斷信號,C10被復位,有效負荷設定PS-PSW被置為“0”,再通過PI負荷/轉速前饋作用于轉速負荷控制器(NPR),DEH系統(tǒng)流量指令快速降低.在快速降低過程中,高壓調門、中壓調門指令流量與反饋偏差小于-0.25時,觸發(fā)高壓調門、中壓調門流量快關保護信號C20,C20信號觸發(fā)高壓調門、中壓調門SHUTDOWN指令,高壓調門、中壓調門跳閘電磁閥失電,調門快速關閉.

本次事件中,由于是電網(wǎng)線路故障,機組與電網(wǎng)之間的發(fā)電機主開關2704并沒有脫開,即油開關始終是閉合的,150 ms后KU復位,DEH系統(tǒng)再次進入負荷控制方式,負荷目標值跟蹤實際負荷,直至2 s后觸發(fā)LAW,機組進入轉速控制方式,轉速目標3 000 r/min.而機組整套啟動前的甩負荷試驗時是直接將發(fā)電機主開關2704脫開,機組直接進入轉速控制方式,轉速目標3 000 r/min.在兩種工況下,DEH 邏輯執(zhí)行的差異也是本次事件中甩負荷轉速偏高的原因之一.

3.2 DEH邏輯組態(tài)問題及分析

針對異?，F(xiàn)象,對事件機組DEH組態(tài)進行檢查.事件機組DEH系統(tǒng)采用的是艾默生公司的Ovation系統(tǒng),DEH、ETS一體化布置,高壓調門和中壓調門流量快關SHUTDOWN指令皆采用柜間通訊點,無硬回路接線.甩負荷控制回路位于DEH控制器(Drop 42控制器)TASK 3任務區(qū),任務區(qū)掃描時間為50 ms,調門跳閘電磁閥回路位于ETS控制器(Drop 41控制器)TASK 3任務區(qū),任務區(qū)掃描時間為20 ms,即高壓調門和中壓調門在DEH控制器(Drop 42控制器)中進行流量快關判斷后采用站間廣播通訊方式送至ETS控制器(Drop 41控制器)跳閘電磁閥回路,對事件機組邏輯組態(tài)檢查后發(fā)現(xiàn)高壓調門和中壓調門SHUTDOWN指令信號的廣播Frequency和OPP Rate設置是S(slow).

點的組態(tài)廣播Frequency和OPP Rate設置有S(slow)和F(fast)兩個選項.查閱Ovation系統(tǒng)相關資料,點的組態(tài)廣播Frequency和OPP Rate設置成S時每1 s廣播一次,設置成F時每0.1 s廣播一次.

調門SHUTDOWN點的組態(tài)廣播通訊速率會影響調門跳閘電磁閥失電的速度,從而影響甩負荷時調門關閉速度,導致甩負荷時轉速偏高.

4 甩負荷仿真試驗

為驗證調門SHUTDOWN點的組態(tài)廣播通訊速率快慢對甩負荷時調門關閉速度的影響,事件機組停機期間進行了甩負荷仿真試驗.

4.1 試驗條件

1) 機組主汽門調門回裝完畢,主汽門調門快關試驗合格,DEH靜態(tài)試驗合格；

2) 將機組左右兩側調門SHUTDOWN指令Frequency和OPP Rate分別設置成S和F,即#1高壓調門SHUTDOWN指令、#1中壓調門SHUTDOWN指令Frequency和OPP Rate設置成S，#2高壓調門VP卡SHUTDOWN指令、#2中壓調門SHUTDOWN指令Frequency和OPP Rate設置成F；

3) 將仿真試驗中涉及到的重要測點數(shù)據(jù)采樣周期由1 s更改為0.1 s,并下裝完畢,方便數(shù)據(jù)記錄；

4) 機組高中壓調門SHUTDOWN指令和高中壓調門反饋分別接入錄波儀.

4.2 試驗過程

所有試驗條件具備后,進行DEH系統(tǒng)仿真試驗,仿真試驗分別模擬以下兩種工況:1) 機組負荷700 MW,高壓調門開度36%,中壓調門開度100%工況下,將實際負荷強制為0 MW(事件工況);2) 機組負荷700 MW,高壓調門開度36%,中壓調門開度100%工況下,將發(fā)電機出口開關強制為分開(整套啟動前甩負荷工況).分別記錄從SHUTDOWN指令觸發(fā)到調門關閉的時間.

4.3 試驗結果

1) 實際負荷強制為0 MW(事件工況)時，調門關閉時間對比如表1所示.機組仿真試驗帶負荷至700 MW,#1、#2高壓調門開度36%,#1、#2中壓調門開度100%，模擬電網(wǎng)故障時的工況,將實際負荷強制為0 MW,KU動作,轉速目標切至3 000 r/min,負荷目標切至0 MW,通過負荷轉速控制器的輸出將調門流量下調,閥門開始關閉,關閉過程中觸發(fā)流量快關保護信號C20,觸發(fā)調門SHUTDOWN指令,調門跳閘電磁閥失電,閥門快速關閉,KU在0.15 s后復位,數(shù)據(jù)記錄顯示#2高壓、中壓調門(F)SHUTDOWN指令觸發(fā)時間比#1高壓、中壓調門(S)快約100 ms,KU在0.15 s復位后,負荷轉速控制器繼續(xù)運行在負荷回路,直至2 s后觸發(fā)LAW,切至轉速回路；

表1 0 MW工況下調門關閉時間對比

2) 發(fā)電機出口開關強制為分開(整套啟動前甩負荷工況)時，調門關閉時間對比如表2所示.機組仿真試驗帶負荷至700 MW,#1、#2高壓調門開度36%,#1、#2中壓調門開度100%，模擬整套啟動前甩負荷工況,將發(fā)電機出口開關2704斷開,DEH系統(tǒng)直接切至轉速回路,負荷目標0 MW,轉速目標3 000 r/min,通過負荷轉速控制器的輸出將調門流量指令下降,高壓、中壓調門開始關閉,關閉過程中觸發(fā)流量快關保護信號C20,觸發(fā)調門SHUTDOWN指令,調門跳閘電磁閥失電,閥門快速關閉,數(shù)據(jù)記錄顯示#2高壓、中壓調門(F)SHUTDOWN指令觸發(fā)時間比#1高壓、中壓調門(S)分別快約200、500 ms.

表2 發(fā)電機出口開關強制為分開

4.4 試驗結果分析

1) 調門SHUTDOWN指令廣播Frequency和OPP Rate設置的快慢會影響閥門關閉速度.兩種工況下,#2高壓、中壓調門明顯比#1高壓、中壓調門關閉速度快,說明調門SHUTDOWN指令廣播Frequency和OPP Rate設置的快慢會影響閥門關閉速度.

2) 調門SHUTDOWN指令廣播Frequency和OPP Rate設置改為F會使拐點提前,閥門關閉速度加快.從圖4仿真試驗波形圖中可以發(fā)現(xiàn),#1中壓調門和#2中壓調門關閉過程中都有明顯的拐點,從邏輯動作順序來看,可以假設,拐點前為調門伺服閥作用動作區(qū)域,拐點后為跳閘電磁閥失電動作區(qū)域,在SHTUDOWN指令Frequency和OPP Rate改為F后,拐點提前,閥門關閉速度加快.

圖4 仿真試驗波形圖

5 優(yōu)化措施

依據(jù)對此次電網(wǎng)線路問題造成機組跳閘甩負荷過程中轉速偏高的異?，F(xiàn)象所做的分析及仿真試驗結果,提出兩條優(yōu)化措施:

1) 上海汽輪機廠的超超臨界機組尤其是DEH、ETS系統(tǒng)一體化后的機組,DEH控制器(Drop 42控制器)高壓、中壓調門SHTUDOWN指令的Frequency和OPP Rate設置應由S修改為F,保證柜間通訊能快速廣播,加快ETS控制器(Drop 41控制器)跳閘電磁閥回路接收指令的速度;

2) 在DEH控制器(Drop 42控制器)高壓、中壓調門SHTUDOWN指令和ETS控制器(Drop 41控制器)跳閘電磁閥回路之間增加閥門流量快關保護硬回路信號(由Drop 42控制器送至Drop 41控制器SOE卡件),通過網(wǎng)絡通訊和硬回路雙重作用確保甩負荷時跳閘電磁閥的及時響應.

6 結語

大型汽輪機組均設置了比較完善的甩負荷功能,上海汽輪機廠的超超臨界機組引進的德國西門子技術百萬機組DEH控制系統(tǒng)甩負荷控制邏輯較為成熟,甩負荷可靠性得到了驗證.隨著電網(wǎng)運行可靠性的增加,機組在實際運行過程中發(fā)生甩負荷的概率較小,未能引起熱控人員足夠的重視.本文案例介紹的DEH甩負荷控制邏輯中存在的問題,可能是同類型采用Ovation系統(tǒng)的上海汽輪機廠的超超臨界機組存在的共性問題,可為其他同類型機組提供參考.