百萬機組甩負荷過程的探究

國能寧夏鴛鴦湖發(fā)電有限公司 呂國

1 機組概況及邏輯設(shè)置

1.1 機組概況

東方汽輪機廠生產(chǎn)的某1100MW 等級汽輪機為超超臨界間接空冷凝汽式汽輪機，設(shè)有八級回熱抽汽，配置單臺的汽動給水泵，用于機組的正常運行及啟動。旁路系統(tǒng)采用40%BMCR容量的高、低壓旁路系統(tǒng)，兩根主汽管道引出后匯合成一路進入高壓旁路，經(jīng)減溫減壓后接至再熱冷段蒸汽管道，減溫水取自高壓加熱器入口。低壓旁路從熱再熱蒸汽兩根管分別接出，經(jīng)減溫減壓后接至凝汽器，低旁減溫水取自凝結(jié)水系統(tǒng)。汽輪機DEH系統(tǒng)采用ABB Symphony Plus控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)具有可靠性高、兼容性強、冗余合理的汽輪機轉(zhuǎn)速/負荷控制器的特點。

1.2 汽輪機甩負荷邏輯設(shè)置

甩負荷工況下，汽輪機調(diào)節(jié)閥關(guān)閉過程中，流入的新蒸汽和積聚在汽缸、管道等腔室內(nèi)的蒸汽會繼續(xù)膨脹做功進而引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速飛升[1]。由于大容量高參數(shù)汽輪機的轉(zhuǎn)子時間常數(shù)較小，而汽缸的容積時間常數(shù)較大[2]。在發(fā)生甩負荷時，汽輪機的轉(zhuǎn)速飛升較快，若僅依靠轉(zhuǎn)速反饋作用，最高轉(zhuǎn)速極有可能超過額定轉(zhuǎn)速110%，發(fā)生汽輪機折斷。

具體甩負荷超速限制邏輯為：當負荷在額定負荷的15%～40%區(qū)間時，甩負荷保護動作，DEH 加速度繼電器動作，立即關(guān)閉中壓調(diào)節(jié)閥，同時將目標轉(zhuǎn)速強置為3000r/min，轉(zhuǎn)速下降后，中壓調(diào)節(jié)閥恢復至伺服閥控制，最終使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速，以便事故消除后能夠迅速并網(wǎng)。當負荷超過40%額定負荷時，甩負荷保護動作，DEH 功率-負荷不平衡繼電器動作，迅速關(guān)閉高壓調(diào)節(jié)閥和中壓調(diào)節(jié)閥，同時將目標轉(zhuǎn)速強置為3000r/min，一段時間后，高壓調(diào)節(jié)閥和中壓調(diào)節(jié)閥恢復至伺服閥控制，最終使汽輪機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速，以便事故消除后能迅速并網(wǎng)。

2 機組甩試驗目的及方法的選取

甩負荷試驗可以在甩負荷過程中，測取動態(tài)過程中調(diào)速的過渡曲線，驗證調(diào)節(jié)系統(tǒng)和超速保護控制系統(tǒng)OPC 的品質(zhì)，計算特征值和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。試驗期間可以同步測取發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓靜差率和電壓調(diào)差率等重要數(shù)據(jù)。

甩負荷試驗方法包括常規(guī)法和測功法。在汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)考核試驗、機組新投產(chǎn)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)重大改造后的機組應該規(guī)定采用常規(guī)法進行甩負荷試驗，已獲得軸系轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的機組可以采用測功法進行甩負荷試驗。常規(guī)法甩負荷是指拉開發(fā)電機出口雙開關(guān)后，機組與電網(wǎng)解列，甩去全部或部分負荷的情況下，記錄曲線測測取汽輪機動態(tài)特征參數(shù)。測功法相比常規(guī)法相對簡單，在機組不與電網(wǎng)解列，突然關(guān)閉汽輪機進汽閥的情況下，測取發(fā)電機有功功率變化的過渡過程，經(jīng)計算獲得轉(zhuǎn)速飛升曲線。

對比兩種方法，常規(guī)法試驗更準確直觀，但試驗準備工作量大，對系統(tǒng)要求嚴格，機組預備性試驗必須達到要求。而測功法試驗無須與電網(wǎng)解列，試驗簡潔安全，并且試驗可直接進行，它對預備性試驗要求不是十分嚴格，本文以常規(guī)法甩負荷為例進行研究探討。

3 甩負荷試驗準備、試驗步驟及結(jié)果分析。

常規(guī)法甩負荷試驗分為甩50%負荷及甩100%負荷兩部分。機組甩50%額定負荷后汽輪機最高飛升轉(zhuǎn)速不超過105%額定轉(zhuǎn)速，并能維持機組空負荷運行。機組甩100%額定負荷后汽輪機最大飛升轉(zhuǎn)速應不使機械超速和電超速保護動作，并能維持機組空負荷運行。

3.1 甩負荷試驗準備

兩次試驗前的準備工作要求及檢查工作大致相同。甩負荷試驗前，除需滿足機組甩負荷試驗導則試驗條件中規(guī)定的38 條外，還需要注意以下幾點。一是高排通風閥以及發(fā)電機AVR 控制保持“自動”方式。二是廠用電應切換備用變壓器供電。三是發(fā)變組保護柜內(nèi)聯(lián)跳滅磁開關(guān)壓板退出，發(fā)電機過電壓保護時間應該取消延時。四是退出發(fā)電機聯(lián)跳汽輪機保護及鍋爐MFT聯(lián)跳汽輪機保護。五是提前運行汽輪機油泵,兩臺EH油泵，軸封及小機汽源已切換。六是高低旁開啟5%暖管隨時投運。七是除氧器水位宜維持低位運行。八是高低旁暖管投入后，宜將高低旁減溫水自動投入，以快速響應高低旁路減溫效果，防止旁路后溫度超溫，造成快關(guān)現(xiàn)象。

3.2 甩負荷試驗步驟

完成試驗前準備工作后，按照下列步驟開始進行甩負荷試驗。一是高低旁開啟5%進行暖管。二是發(fā)出“距甩負荷還有10s”的通報時，啟動高速記錄儀記錄數(shù)據(jù)。三是手動拉開發(fā)電機出口開關(guān)，發(fā)電機手動解列。四是檢查汽輪機轉(zhuǎn)速飛升不超過3300r/min,試驗人員可以無須手動干預，檢查高排逆止門聯(lián)鎖關(guān)閉，高排通風閥聯(lián)鎖開啟。五是檢查汽輪機各閥門動作正常，轉(zhuǎn)速飛升不超過規(guī)定值，發(fā)電機電壓不超過額定值130%，汽輪機轉(zhuǎn)速能夠迅速穩(wěn)定在3000r/min。六是手動鍋爐MFT。七是手動汽輪機打閘，并立即手動拉開滅磁開關(guān)。八是重新快速點火，恢復機組并網(wǎng)。

3.3 機組甩50%負荷

該廠甩50% 負荷時主蒸汽壓力最高升至21.27MPa，再熱蒸汽壓力因低旁開啟持續(xù)下降，低旁A側(cè)最大開度為5.20%、B側(cè)最大開度為3.89%。最高飛升轉(zhuǎn)速為3107r/min，調(diào)門動作1 次，整個動態(tài)調(diào)節(jié)過程調(diào)節(jié)曲線平穩(wěn)，經(jīng)30.57s 后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。并網(wǎng)信號消失后，高調(diào)門、中壓調(diào)門延時0.119s 開始關(guān)閉，轉(zhuǎn)速延時0.05s 開始飛升，經(jīng)過1.952s 達到最高轉(zhuǎn)速3107r/min；CV1 電磁閥延時0.046s 動作，帶電時間為15.98s；轉(zhuǎn)速最低降至2999r/min，高壓調(diào)門關(guān)閉后轉(zhuǎn)速升高70r/min，定速后中壓調(diào)門穩(wěn)定在18.31%。發(fā)電機機端電壓由28.31kV 上升至29.6kV，機端出現(xiàn)的最大電壓未超過甩負荷前機端電壓的1.15倍振蕩次數(shù)0.5次。

甩50%負荷試驗過程中，也可以不進行鍋爐MFT 操作。印尼國華爪哇項目通過#1、#2 機組甩負荷對比分析，制定了嚴謹?shù)臏蕚涔ば?，合理操作流程，完善邏輯控制，實現(xiàn)了#2機組甩負荷期間鍋爐不滅火，機組能夠迅速并網(wǎng)帶負荷的目標[3-4]，為百萬機組甩負荷試驗提供巨大參考意義。試驗前，將主再熱蒸汽溫度控制在較低水平，以便于后續(xù)汽輪機打閘后，汽溫調(diào)節(jié)。將輔汽供汽、軸封供汽小機供汽及#2高加加熱提前切換至臨機供汽，高低旁后減溫水調(diào)門自動，發(fā)電機解列后，立即手動控制各磨運行，快速開啟高低旁，滿足系統(tǒng)再次并網(wǎng)需要?？焖匍_啟高低旁后，可能導致凝汽器壓力升高，從而損壞內(nèi)部銅管。高低加解列后給水溫度將驟降，應合理采取提前退出高低加控制給水溫度的措施。為保證氣溫，鍋爐宜在干態(tài)下運行，此時的水冷壁安全將受到一定威脅，因此必須根據(jù)機組特性綜合評估是否長期保持鍋爐運行。

3.4 機組甩100%負荷

該廠甩100% 負荷后主蒸汽壓力最高升至30.98MPa，再熱蒸汽壓力最高升至5.69MPa，低旁最大開度為5.0%。最高飛升轉(zhuǎn)速為3213r/min，調(diào)門動作1 次，整個動態(tài)調(diào)節(jié)過程調(diào)節(jié)曲線平穩(wěn)，經(jīng)48.11s后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。

并網(wǎng)信號消失后，高調(diào)門、中調(diào)門延時0.122s開始關(guān)閉，轉(zhuǎn)速延時0.057s 開始飛升，經(jīng)過2.190s達到最高轉(zhuǎn)速3213r/min；CV1 電磁閥延時0.047s動作， 帶電時間為33.67s；轉(zhuǎn)速最低降至2995r/min，高壓調(diào)門關(guān)閉后轉(zhuǎn)速升高117r/min，定速后中壓調(diào)門穩(wěn)定在7.57%。

發(fā)電機機端電壓由27.24kV 上升至27.49kV，機端出現(xiàn)的最大電壓未超過甩負荷前機端電壓的1.15倍，振蕩次數(shù)0.5次。

4 甩負荷過程中的特性參數(shù)計算

4.1 動態(tài)超調(diào)量Φ

動態(tài)超調(diào)量Φ計算如下式（1）：

則Φ為7.10%。

4.2 轉(zhuǎn)子初始加速度an

在數(shù)據(jù)采集曲線上查得在初始階段0.149s 內(nèi)轉(zhuǎn)速上升了52r/min，則轉(zhuǎn)子初始加速度如式（2）：

則加速度an為348.99r/(min·s)。

4.3 轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Ta

轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Ta如式（3）：

則轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Ta為8.5962s。

4.4 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J如式（4）：

式（4）中：P0為發(fā)電機功率；ω0為初始轉(zhuǎn)速角速度；η為發(fā)電機效率。

則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J為87350kg·m2。

4.5 蒸汽容積時間常數(shù)Tv

高壓調(diào)門關(guān)閉后，機組轉(zhuǎn)速繼續(xù)飛升117r/min，則蒸汽容積時間常數(shù)如式（5）：

則蒸汽容積時間常數(shù)Tv為0.3353s。

4.6 電壓靜差率ε

電壓靜差率ε計算如式（6）：

式（6）中：U0為甩負荷后機端電壓；U1為甩負荷前機端電壓；Un為額定機端電壓。

則ε為0.926%。

4.7 電壓調(diào)差率D

電壓調(diào)差率D計算如式（7）：

式（7）中：U0為甩負荷后機端電壓；U1為甩負荷前機端電壓；Un為額定機端電壓；In為額定定子電流值；IQ為甩負荷前無功電流。

則電壓調(diào)差率D為4.238%。

4.8 甩負荷最大飛升轉(zhuǎn)速Δnmax

甩負荷最大飛升轉(zhuǎn)速Δnmax計算如式（8），

式（8）中：n0為額定工作轉(zhuǎn)速；αH、αI為高、中低壓缸功率比率系數(shù)；tH1、tI為高中壓缸調(diào)節(jié)閥延遲時間；TH1、TI為高中低壓缸調(diào)節(jié)閥的當量關(guān)閉時間。通過甩50%試驗的數(shù)據(jù)可以計算出甩滿負荷時最大飛升轉(zhuǎn)速Δnmax為195r/min,小于實際進行甩100%試驗的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

本文將東方汽輪機廠的1100MW超超臨界機組與常規(guī)機組對比，介紹該機組甩負荷控制邏輯設(shè)置情況以及實際試驗情況。

本文詳細介紹某廠甩負荷試驗的前期準備工作、試驗注意事項及可能出現(xiàn)的問題分析，可供今后同類型機組的甩負荷試驗時參考作比較，同時證明該機組主輔機動態(tài)特性良好，調(diào)節(jié)系統(tǒng)品質(zhì)優(yōu)良，能夠精確控制機組空負荷運行。對比甩負荷試驗過程中參數(shù)變化情況，通過計算得到了相關(guān)特征參數(shù)，可以利用甩50%負荷得到特征參數(shù)，推算出機組甩100%負荷飛升轉(zhuǎn)速。在理論與試驗相結(jié)合的方法下，對國內(nèi)五臺不同類型機組甩負荷轉(zhuǎn)速飛升進行計算，計算值與實測值偏差均正偏差，因此在進行甩50%負荷試驗后，可以推算得出甩100%負荷試驗的飛升轉(zhuǎn)速滿足110%額定轉(zhuǎn)速以下，出于保護設(shè)備的目的，可以不進行甩100%負荷試驗。