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张宝/文 浙江电科院 0 引言 大型汽轮机是热力发电厂最重要的旋转设备，出于安全、稳定运行的需要，汽轮机的转速时刻都要处于可控的范围之内，因此，在汽轮机发展的各个阶段，防超速功能都是极其重要。汽轮机在正常并网运行期间发生超速的可能性较小，一旦发生外部电网故障、造成机组被动甩负荷或因试验、信号故障造成机组主动甩负荷的情况，汽轮机是否超速，取决防超速功能是否设计合理与是否被正确执行。 使汽轮机转速时刻都处于可控范围之内，是对汽轮机数字电液调节控制系统（简称“DEH”系统）最基本的要求，因此众多DEH生产商针对不同型式的汽轮机设计了相应的防超速功能，均已取得了良好的效果[1]。针对新投产或调节系统经重大改造的汽轮机而言，通过甩负荷试验来检验其动态调节性能是否合格、其防超速功能是否可靠，是一项行之有效的措施[2]。国内多台机组在甩负荷试验时出现汽轮机转速瞬间过高飞升的问题，事后查明均为防超速功能失效所致。 1 典型汽轮机的防超速功能 广义上讲，一切有助于抑制汽轮机转速飞升的措施均可以看作汽轮机防超速功能，但如前所述，在汽轮机甩负荷瞬间转速最容易失控飞升，此时的防超速功能就显的尤其重要，因此本文以下所讨论的汽轮机防超速功能，也正是指甩负荷瞬间汽轮机的转速飞升抑制功能。目前，国内主流汽轮机控制系统中，汽轮机防超速功能的设计主要有甩负荷预测（load drop anticipation，简称“LDA”）功能、功率-负荷不平衡(power-load imbalance，简称“PLU”）功能以及负荷瞬时中断控制（KU）或长甩负荷（LAW）功能。就目前国内三大汽轮机厂（东汽、上汽与哈汽）300MW及以上容量的汽轮机配套DEH看，东汽机组多采用PLU功能，上汽与哈汽机组多采用LDA功能，近年来投产的上汽-西门子型超超临界汽轮机多采用KU与LDA功能。 2 LDA功能及其失效案例 2.1 典型的LDA功能设计 LDA功能一般借助汽轮机超速控制(overspeed protection control,简称“OPC”)功能试验。OPC功能动作时， OPC电磁阀失电动作，汽轮机所有调节阀快速关闭。在此基础上，典型的LDA功能设计为以下两个措施同时使用： （1）机组解列瞬间，如果此时的中缸排汽压力大于30%额定值时，OPC动作2秒，高压调节阀和中压调节阀同时关闭，高压调节阀在汽轮机转速降到额定转速后以下时开启，中压调节阀在首次OPC动作后再延时2秒后开启；以上所述的时间可以进行优化[3]。 （2）转速超过103%额定转速时，OPC动作，转速降到102%额定转速以下时，OPC恢复，如此可能反复多次，最终使汽轮机维持在额定转速。 图1为具有LDA功能汽轮机的典型甩负荷试验曲线，甩负荷瞬间过程大致可描述为：并网信号消失，转速飞升，10ms到50ms后OPC功能动作，再过约50ms后高、中压调节阀开始快关。这一过程正确执行，可基本保证甩负荷后汽轮机不超速。 2.2 LDA功能失效案例 某上汽N600-16.7/537/537型汽轮机，采用上海新华DEH-IIIA型数字式电液调节控制系统，使用LDA功能来抑制甩负荷后的转速飞升。在50%甩负荷时，转速飞升到3151r/min，与同类机型相比明显偏高[4]，图2为甩50%负荷瞬间过程曲线。 事后查明，造成上述异常的原因为：因并网信号虚接，上述LDA功能中措施1未按设计要求动作，甩负荷瞬间，高、中压调节阀未立即快关，而是在汽轮机转速上升到103%额定转速时，OPC才动作。调门快关动作滞后，导致大量蒸汽进入汽轮机，造成甩负荷后飞升转速偏高。 分析认为，图2中汽轮机转子开始飞升后延时约110ms高调门开始关闭，是DEH中转速控制回路作用的结果。另外，一般OPC功能动作时，同时会设计有将调节阀开度指令强制置为0的控制逻辑，通过伺服阀来关闭各调节阀。上述故障消除后，进行100%甩负荷试验，转速最高值为3158r/min，属正常范围。 无独有偶，某上汽600MW汽轮机在进行50%负荷试验时，转速最高飞升到3280 r/min；事后查明，甩负荷试验过程中，该汽轮机OPC功能没有动作，LDA功能完全失效，甩负荷后的转速只通过转速回路来调节，导致转速飞升过高。 以上两个案例说明， DEH转速调节回路在抑制甩负荷后汽轮机转速飞升方面有一定作用，但不足以保证汽轮机不超速；LDA功能正确动作可以确保甩负荷后汽轮机的转速飞升不超允许范围； 准确判断防超速功能触发时机是它被正确执行的前提条件。 3 PLU功能及其失效案例 3.1 典型的PLU功能设计 PLU功能是根据瞬间功率变化来判断机组是否甩负荷，并通过快关所有调节阀来实现对汽轮机甩负荷后超速的抑制，国内在东汽引进日立系列汽轮机上应用多。PLU功能一般与加速度限制（ACC）功能配合使用，来共同抑制汽轮机在甩负荷时转速飞升，典型设计如下： （1）PLU功能：再热器出口压力与发电机电流之间的偏差超过设定值并且发电机电流的减少超过40%/10ms时，功率－负荷不平衡继电器动作，迅速关闭汽轮机所有调节阀3秒，抑制汽轮机的超速。一段时间后，中压调节阀恢复由伺服阀控制，并最终维持汽轮机在额定转速。 （2）ACC功能：当汽轮机转速大于3060 r/min、加速度大于49(r/min)/s时，加速度继电器（ACC RELAY）动作，快速关闭中压调节阀2.5秒，从而抑制汽轮机的转速飞升。 图3为具有PLU功能汽轮机的典型甩负荷试验曲线，甩负荷瞬间过程大致可描述为：并网信号消失，转速飞升，约30ms到50ms后PLU功能动作，高、中压调节阀快关。这一过程正确执行，也可保证甩负荷后汽轮机不超速。 3.2 PLU功能失效案例 某东汽N600-24.2/566/566型汽轮机，采用日本日立HIACS-5000M型DEH系统，采用PLU功能来抑制甩负荷后的转速飞升。在50%甩负荷时，转速飞升到3237r/min，明显偏高，图4为甩50%负荷瞬间过程曲线。 事后查明，造成上述异常的原因为：因#2中压调节阀快关电磁阀就地电源插头脱落，甩负荷试验时没有快关。甩负荷时的记录曲线（图4）正巧没有将#2中调门接入，在事后为查找原因进行仿真试验时发现了这一问题。问题解决后，重新进行50%甩负荷试验，最高转速3079r/min；进行100%甩负荷试验，最高转速3192r/min；均在正常范围。 实际上，类似的机组在进行甩负荷试验时，中压调节阀无法正常关闭的案例也发生过。一台日本东芝公司里早期生产的600MW亚临界汽轮机在DEH改造后进行100%甩负荷试验时，超速保护动作，最高转速到3405r/min[5]。事后查明，均压室内压力突降导致中压调节阀快关过程中存在开度反弹，从而使得汽轮机甩负荷后转速飞升过高。 以上案例充分说明，汽轮机甩负荷试验要严格按规定要求分级进行，100%甩负荷试验必须在50%甩负荷试验结果合格后进行；甩负荷试验时，应将所有调节阀的开度信号接入快速记录仪；调节阀的快速可靠关闭是防超速功能正常发挥作用的重要保证。 4 KU和LAW功能及其失效案例 4.1 典型的KU和LAW功能设计 目前，上海汽轮机厂引进的西门子超超临界汽轮机一般采用KU与LAW功能来完成对机组甩负荷后的转速飞升抑制，DEH系统根据功率信号的变化判断是否发出KU或LAW信号。典型设计是以下两种情况下，系统会发出KU信号[6]： （1）当前负荷为较高负荷（如：90%额定负荷）时，如果突然出现负荷干扰大于负荷跳变限值GPLSP（约70%额定负荷）； （2）当前负荷为较低负荷（如：60%额定负荷）时，则以下条件应同时满足： a、实际负荷小于2倍厂用电； b、负荷控制偏差大于2倍厂用电； c、实际负荷大于负荷负向限值； 机组带负荷运行时，如果发生瞬时负荷中断，则负荷中断信号KU被送到转速负荷调节模件，使调节汽门关小。如果在负荷干扰识别时间（一般为2s）内，上述两种情况消失并回到正常状态，则系统不会发出甩负荷信号（LAW），如果以上两种情况继续存在，则发出甩负荷信号，改变转速负荷调节模件的工作状态，使目标转速设定值、延时转速设定值维持在额定转速。 图5为具有KU与LAW功能汽轮机的典型甩负荷试验曲线。从多台机组的试验情况看，DEH中的KU信号与LAW信号无法接入数据记录仪，试验过程未能记录到这两个信号，KU与LAW功能动作情况可从高、中压调节阀动作情况推测。此时，甩负荷瞬间过程大致可描述为：并网信号消失，转速飞升，约30ms到50ms后调节阀开始减小，KU功能动作，约100ms到200ms后，高、中压调节阀快关。 4.2 KU功能失效案例 某上汽-西门子660MW超超临界汽轮机，DEH系统采用 Ovation公司设备，使用KU与LAW功能来抑制甩负荷后的转速飞升。在50%甩负荷时，转速飞升到3126r/min，明显偏高，图6为该机组甩50%负荷瞬间过程曲线。 事后查明，造成转速飞升偏高原因为：甩负荷后，高压调节阀没有按设计要求快关。通过查看DEH历史记录发现，高压调节阀快关电磁阀没有接收到快关指令，其原因是：KU功能触发、高调阀流量指令置最小值后，“高调阀流量控制指令与反馈偏差大于40%时触发快关”这个条件在50%甩负荷试验时没有满足，而同类型机组该值一般设置为25%，此处设置为40%明显偏大。将该值修改为25%，进行100%甩负荷试验，转速最高为3191 r/min，与同类型机组基本一致。 另一台同类型机组50%甩负荷试验，转速最高值为3098r/min，属正常范围，但100%甩负荷试验时，转速最高值为3320r/min，汽轮机超速保护动作[7]。事后查明，该机组DEH中调节阀快关触发逻辑页扫描周期模式是慢速，处理器负荷率和网络通讯速度的随机性，使得快关指令发出到电磁阀动作时间在80ms到850ms间随机变化，从而导致50%甩负荷试验结果正常，而100%甩负荷试验失败。该机组处理方法为：增加并网信号消失、高中压调节阀跳闸电磁阀失电1秒逻辑；并将相关站间通讯点的扫描频率由慢速改为快速；整改后多次测试，结果正常。 以上案例充分说明，汽轮机防超速功能相关定值修改要慎重，如要进行修改，应进行必要的测试，以确保修改不会影响防超速功能正常发挥作用。 5 结论 国内近年来虽未发生恶性汽轮机超速事故，但转速瞬间失控飞升的情况仍时有发生，安全隐患不容忽视。在DEH控制系统改造或改型后、汽轮机液压调节系统改造后、防超速功能逻辑或定值修改后、甩负荷前静态仿真试验未进行等情况下进行甩负荷试验，防超速功能失效事件多发。因此，应慎重对待DEH系统改造与定值修改工作，在甩负荷试验之前应通过静态试验对防超速功能进行检查。 对一台汽轮机而言，应根据机型特点从以上三种典型的防超速功能中选择一种即可，冗余配置反而会增加误动的可能，改造机组应尤其注意这一问题。就甩负荷瞬间而言，如果LDA、PLU以及KU等防超速功能故障判断正确、控制器响应迅速、逻辑执行到位、汽轮机阀门快关动作正常，并经过静态仿真试验验证，基本可保证甩负荷时汽轮机不会发生超速事故。 参考文献 [1] 田丰.我国600MW等级汽轮机甩负荷试验现状分析[J].汽轮机技术,2010,52 (3):221-224. [2] DL1270-2013,火力发电建设工程机组甩负荷试验导则[S].北京:中国电力出版社,2014. [3] 胡洲.采用高压缸启动方式机组OPC功能试验研究[J].热力发电, 2013,42(9):81-86. [4] 张宝,徐熙瑾,沈全义.甩负荷预测功能失效时的甩负荷试验[J].汽轮机技术, 2006,48(2):124-126. [5] 童小忠,张宝,周轶喆,等. 汽轮机再热调节阀快关过程异常分析及处理 [J].热力发电, 2009,48 (11):53-56. [6] 俞成立.1000MW汽轮机组甩负荷试验分析[J].华东电力,2007,35(6):32-34. [7] 王学根.某超超临界660MW燃煤机组FCB试验不成功原因分析及改进[J].华东电力,2014 ,42 (7):1503-1505. 还可以参考以下文献： 4、浙江院“汽轮机转速飞升抑制关键技术研究”项目通过成果鉴定 |
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