周軼喆，鮑文龍，方天林

（1.國(guó)電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012）

0 引言

甩負(fù)荷試驗(yàn)是檢驗(yàn)火力發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的重要試驗(yàn)，其主要目的是檢查汽輪機(jī)DEH（數(shù)字電液控制）系統(tǒng)在機(jī)組甩負(fù)荷期間對(duì)轉(zhuǎn)速的控制特性。對(duì)于新建機(jī)組和控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造的機(jī)組，進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要[1-2]。

汽輪機(jī)組進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)斷路器斷開(kāi)，電功率瞬間降至0，機(jī)械功率大于電功率致使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升?？刂葡到y(tǒng)判斷機(jī)組甩負(fù)荷信號(hào)后觸發(fā)防超速保護(hù)，快速關(guān)閉汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)，切斷汽缸進(jìn)汽，抑制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升[3]。目前國(guó)內(nèi)主流汽輪機(jī)組防超速保護(hù)功能有LDA（甩負(fù)荷預(yù)測(cè)）功能、KU/LAW（負(fù)荷瞬時(shí)中斷/長(zhǎng)甩負(fù)荷）功能以及PLU（負(fù)荷-功率不平衡）保護(hù)功能[4-5]。

上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠（簡(jiǎn)稱(chēng)STP）生產(chǎn)的660 MW機(jī)組在進(jìn)行50%甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速飛升至3 162 r/min，超過(guò)DL 1270-2013《火力發(fā)電建設(shè)工程機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)導(dǎo)則》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“導(dǎo)則”）[6]所要求的50%甩負(fù)荷試驗(yàn)最大轉(zhuǎn)速不得超過(guò)額定轉(zhuǎn)速105%的限制值。本文通過(guò)對(duì)甩負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行分析，研究本次甩負(fù)荷試驗(yàn)中汽輪機(jī)最大飛升轉(zhuǎn)速超速的原因，對(duì)同類(lèi)型機(jī)組有一定的借鑒意義。

1 機(jī)組簡(jiǎn)介及甩負(fù)荷試驗(yàn)情況

1.1 機(jī)組簡(jiǎn)介

某STP 660 MW超超臨界汽輪機(jī)組為單軸、三缸兩排汽、七級(jí)抽汽、凝汽式機(jī)組，其DEH系統(tǒng)采用艾默生公司的ovation系統(tǒng)。該機(jī)組汽輪機(jī)高、中壓缸各配置兩只進(jìn)汽門(mén)及兩只調(diào)門(mén)，進(jìn)汽門(mén)及調(diào)門(mén)裝有兩個(gè)快關(guān)電磁閥。汽輪機(jī)進(jìn)汽門(mén)快關(guān)時(shí)，DEH系統(tǒng)發(fā)出快關(guān)信號(hào)至快關(guān)電磁閥的得失電回路，使快關(guān)電磁閥失電，進(jìn)汽門(mén)快關(guān)。

本機(jī)組采用的防超速保護(hù)主要有以下3種：

（1）KU/LAW防超速保護(hù)功能。KU功能的觸發(fā)需任意滿足以下兩種情況之一[7-8]：

1）機(jī)組處于較高負(fù)荷（如90%額定負(fù)荷）時(shí)，突然出現(xiàn)負(fù)荷變動(dòng)大于負(fù)荷變化率限制值（本機(jī)組設(shè)置為500 MW）。

2）機(jī)組處于較低負(fù)荷（如60%額定負(fù)荷）時(shí)，以下條件同時(shí)滿足：實(shí)際負(fù)荷小于2倍廠用電（本機(jī)組設(shè)置為104 MW）；負(fù)荷控制偏差大于2倍廠用電（本機(jī)組設(shè)置為104 MW）；實(shí)際負(fù)荷大于負(fù)荷負(fù)向限值（本機(jī)組限值為－26 MW）。

為保障電網(wǎng)穩(wěn)定，在以上條件滿足的情況下，本機(jī)組控制系統(tǒng)增加了延時(shí)80 ms觸發(fā)KU信號(hào)或轉(zhuǎn)速大于3 018 r/min時(shí)觸發(fā)KU信號(hào)的邏輯。KU信號(hào)觸發(fā)后，無(wú)負(fù)荷中斷信號(hào)c10被復(fù)位，轉(zhuǎn)速負(fù)荷控制器的負(fù)荷指令置零，DEH的流量指令瞬間降低，根據(jù)此流量計(jì)算出的閥位指令與實(shí)際開(kāi)度相差大于25%時(shí)觸發(fā)c20，控制系統(tǒng)發(fā)出調(diào)門(mén)快關(guān)指令，高、中壓調(diào)門(mén)快關(guān)電磁閥動(dòng)作使調(diào)門(mén)快速關(guān)閉。當(dāng)機(jī)組在甩負(fù)荷識(shí)別時(shí)間（本機(jī)組設(shè)置為2 s）內(nèi)，以上兩種狀態(tài)未復(fù)位，則系統(tǒng)發(fā)出LAW指令。

（2）OPC（超速保護(hù)控制）功能。OPC的觸發(fā)條件為發(fā)電機(jī)并網(wǎng)斷路器斷開(kāi)的同時(shí)滿足機(jī)組負(fù)荷大于30%額定負(fù)荷或汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大于3 018 r/min。OPC信號(hào)觸發(fā)調(diào)門(mén)快關(guān)電磁閥失電回路動(dòng)作，使快關(guān)電磁閥失電，調(diào)門(mén)快關(guān)。

（3）并網(wǎng)信號(hào)消失復(fù)位c10信號(hào)。為防止以上兩種防超速保護(hù)功能拒動(dòng)，增加了機(jī)組并網(wǎng)信號(hào)消失復(fù)位c10的邏輯，該邏輯后續(xù)動(dòng)作與KU觸發(fā)后相同。

1.2 甩負(fù)荷試驗(yàn)

該機(jī)組進(jìn)行50%甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)機(jī)組負(fù)荷為330 MW，主蒸汽壓力為15.8 MPa，再熱蒸汽壓力為2.6 MPa，機(jī)組處于鍋爐主控模式，旁路處于手動(dòng)模式。甩負(fù)荷倒計(jì)時(shí)10 s手動(dòng)停一臺(tái)磨煤機(jī)。甩負(fù)荷指令發(fā)出后，手動(dòng)斷開(kāi)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)斷路器。從發(fā)電機(jī)并網(wǎng)信號(hào)消失開(kāi)始計(jì)時(shí)：81 ms后高調(diào)門(mén)開(kāi)始關(guān)閉（關(guān)閉前高調(diào)門(mén)開(kāi)度31%），112 ms后中調(diào)門(mén)開(kāi)始關(guān)閉（關(guān)閉前中調(diào)門(mén)開(kāi)度100%），255 ms后高調(diào)門(mén)全關(guān)，688 ms后中調(diào)門(mén)全關(guān)。1.69 s后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高轉(zhuǎn)速3 162 r/min，27.6 s后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min。甩負(fù)荷后高、中壓調(diào)門(mén)全關(guān)，各抽汽逆止門(mén)全關(guān)。

該機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)程錄波曲線如圖1所示。

圖1 50%甩負(fù)荷試驗(yàn)錄波曲線

本次甩負(fù)荷試驗(yàn)最大飛升轉(zhuǎn)速超過(guò)導(dǎo)則所要求的額定轉(zhuǎn)速的105%。并且根據(jù)導(dǎo)則中機(jī)組甩負(fù)荷最大飛升轉(zhuǎn)速靜態(tài)預(yù)測(cè)公式，可計(jì)算預(yù)測(cè)機(jī)組甩負(fù)荷后汽輪機(jī)最大飛升轉(zhuǎn)速nmax：

式中：n0為汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速；Tv，Ta分別為蒸汽容積時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，其取值參考導(dǎo)則；φ為甩負(fù)荷相對(duì)值，即甩負(fù)荷初始功率與額定功率之比；αH，αL分別為高、中低壓缸功率比例系數(shù)，其取值可根據(jù)熱平衡圖計(jì)算得到，本機(jī)組取值為 αH=0.32，αL=0.68；tH1，tL1分別為高、 中壓調(diào)門(mén)快關(guān)動(dòng)作延時(shí)時(shí)間；tH2，tL2分別為高、中壓調(diào)門(mén)的凈關(guān)閉時(shí)間。

根據(jù)式（1）以及機(jī)組參數(shù)可求得預(yù)測(cè)最大飛升轉(zhuǎn)速為3 063.4 r/min，遠(yuǎn)小于機(jī)組實(shí)際甩負(fù)荷最大飛升轉(zhuǎn)速（3 162 r/min）。

2 甩負(fù)荷后汽輪機(jī)超速原因分析

根據(jù)甩負(fù)荷時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制過(guò)程判斷，影響甩負(fù)荷后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升的因素主要有[9]：（1）甩負(fù)荷判斷速度；（2）DEH控制器的響應(yīng)速度；（3）調(diào)門(mén)快關(guān)時(shí)間。因此，分別從上述3個(gè)方面對(duì)本次甩負(fù)荷試驗(yàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升過(guò)高的原因進(jìn)行檢查分析。

2.1 調(diào)門(mén)快關(guān)時(shí)間驗(yàn)證

為排除調(diào)門(mén)本體原因?qū)е滤ω?fù)荷后關(guān)閉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，機(jī)組熱態(tài)時(shí)進(jìn)行調(diào)門(mén)快關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 調(diào)門(mén)快關(guān)試驗(yàn)錄波曲線

由圖2可以看出，在調(diào)門(mén)快關(guān)過(guò)程中閥門(mén)開(kāi)度曲線平滑下降，無(wú)波動(dòng)，調(diào)門(mén)凈關(guān)閉時(shí)間在合理范圍內(nèi)。而且由甩負(fù)荷試驗(yàn)錄波曲線可以看出，在甩負(fù)荷后閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程曲線僅有一次拐點(diǎn)，無(wú)反復(fù)波動(dòng)，所以可以排除調(diào)門(mén)本身卡澀導(dǎo)致關(guān)閉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

針對(duì)甩負(fù)荷試驗(yàn)錄波曲線中調(diào)門(mén)關(guān)閉過(guò)程有明顯拐點(diǎn)的問(wèn)題，對(duì)汽輪機(jī)高中壓調(diào)門(mén)進(jìn)行指令關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，高調(diào)門(mén)指令關(guān)凈關(guān)閉時(shí)間為284 ms，中調(diào)門(mén)指令關(guān)凈關(guān)閉時(shí)間為1.01 s。將甩負(fù)荷試驗(yàn)曲線中調(diào)門(mén)拐點(diǎn)前后閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間與靜態(tài)時(shí)調(diào)門(mén)快關(guān)和指令關(guān)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)甩負(fù)荷過(guò)程中高調(diào)門(mén)全程為指令關(guān)，中調(diào)門(mén)拐點(diǎn)前（分別為51%和47%開(kāi)度）為指令關(guān)，拐點(diǎn)后為快關(guān)。由此，可以判斷中調(diào)門(mén)關(guān)閉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的原因是甩負(fù)荷信號(hào)發(fā)出后至調(diào)門(mén)開(kāi)始快關(guān)之間的延時(shí)過(guò)長(zhǎng)。

2.2 DEH系統(tǒng)響應(yīng)速度驗(yàn)證

該機(jī)組DEH柜的設(shè)計(jì)中，調(diào)門(mén)快關(guān)指令信號(hào)與調(diào)門(mén)快關(guān)電磁閥動(dòng)作回路分屬不同控制柜。調(diào)門(mén)快關(guān)指令發(fā)出后需經(jīng)柜間通信送至調(diào)門(mén)快關(guān)電磁閥動(dòng)作回路控制柜。而且，DEH中設(shè)置的快關(guān)指令信號(hào)廣播頻率為慢速（S）。

為判斷柜間通信頻率對(duì)調(diào)門(mén)快關(guān)的影響，將1號(hào)中調(diào)門(mén)閥位快關(guān)邏輯的通信改為快速（F），2號(hào)中調(diào)門(mén)通信頻率保持慢速不變，進(jìn)行甩負(fù)荷仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 修改廣播后甩負(fù)荷仿真試驗(yàn)錄波曲線

根據(jù)甩負(fù)荷仿真試驗(yàn)結(jié)果，快關(guān)指令發(fā)出開(kāi)始計(jì)時(shí)：24 ms后1號(hào)中調(diào)門(mén)開(kāi)始關(guān)閉；32 ms后2號(hào)中調(diào)門(mén)開(kāi)始關(guān)閉；104 ms后1號(hào)中調(diào)門(mén)開(kāi)始快關(guān)（此時(shí)1號(hào)中調(diào)門(mén)開(kāi)度88.7%）；266 ms后1號(hào)中調(diào)門(mén)全關(guān)；996 ms后2號(hào)中調(diào)門(mén)開(kāi)始快關(guān)（此時(shí)2號(hào)中調(diào)門(mén)開(kāi)度9.8%），1 049 ms后2號(hào)中調(diào)門(mén)全關(guān)。由此可以判斷柜間通信廣播頻率設(shè)置為慢速對(duì)調(diào)門(mén)快關(guān)延時(shí)有較大的影響。

在檢查OPC防超速保護(hù)邏輯時(shí)發(fā)現(xiàn)，OPC判斷邏輯中發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)信號(hào)同樣是通過(guò)柜間通信傳輸至OPC判斷邏輯。由于OPC信號(hào)無(wú)法通過(guò)錄波儀采集，且在甩負(fù)荷仿真試驗(yàn)中無(wú)法驗(yàn)證，因此只能通過(guò)DCS畫(huà)面監(jiān)視該功能是否觸發(fā)。

2.3 甩負(fù)荷判斷速度

機(jī)組控制系統(tǒng)防超速保護(hù)功能在機(jī)組實(shí)際甩負(fù)荷時(shí)發(fā)揮著非常重要的作用。本機(jī)組所采用的KU/LAW防超速保護(hù)功能能夠通過(guò)機(jī)組負(fù)荷變化判斷是否為甩負(fù)荷，提前進(jìn)行干預(yù)，防止汽輪機(jī)超速[10]。但是，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)有限公司相關(guān)規(guī)范要求，配備并投入PLU保護(hù)的并網(wǎng)火電機(jī)組（300 MW及以上等級(jí)機(jī)組），在電網(wǎng)發(fā)生發(fā)生單相或三相故障、保護(hù)裝置正確動(dòng)作、電廠送出線路未全部失去的情況下，PLU保護(hù)原則上不應(yīng)動(dòng)作。因此部分STP汽輪機(jī)組在KU信號(hào)觸發(fā)條件滿足的情況下，增加轉(zhuǎn)速大于3 018 r/min或延時(shí)80 ms的條件。在增加的這段延時(shí)內(nèi)，汽輪機(jī)進(jìn)汽所做的功推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高。根據(jù)式（2）可計(jì)算出增加延時(shí)后機(jī)組轉(zhuǎn)速的飛升量[11]。

式中：Pe為機(jī)械功率，此處按機(jī)組330 MW負(fù)荷計(jì)算；Pm為發(fā)電機(jī)電功率，甩負(fù)荷的瞬間降為0；t為新增延時(shí)；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，包括高、中、低壓轉(zhuǎn)子及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子， J=43 671 kg·m2； ω0、 ω1分別為汽輪機(jī)初始轉(zhuǎn)速和延時(shí)后轉(zhuǎn)子飛升轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式（2）計(jì)算得到在增加了80 ms延時(shí)判據(jù)后，延時(shí)內(nèi)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速飛升量為18.3 r/min。對(duì)比同類(lèi)型機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果[12-14]可知，增加延時(shí)判據(jù)不會(huì)直接導(dǎo)致汽輪機(jī)最大飛升轉(zhuǎn)速超過(guò)導(dǎo)則要求值3 150 r/min[15]。

3 甩負(fù)荷邏輯修改及驗(yàn)證

根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)的檢查分析，將調(diào)門(mén)快關(guān)指令及發(fā)電機(jī)并網(wǎng)信號(hào)柜間廣播頻率由慢速（S）修改為快速（F）。在該發(fā)電廠相同配置的2號(hào)機(jī)組進(jìn)行50%甩負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 邏輯修改后50%甩負(fù)荷試驗(yàn)錄波曲線

根據(jù)甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果，從發(fā)電機(jī)并網(wǎng)信號(hào)消失開(kāi)始計(jì)時(shí)：45 ms后1號(hào)、2號(hào)高調(diào)門(mén)開(kāi)始關(guān)閉（調(diào)門(mén)開(kāi)度42%）；85 ms后1號(hào)中調(diào)門(mén)開(kāi)始關(guān)閉（調(diào)門(mén)開(kāi)度100%）；98 ms后調(diào)門(mén)快關(guān)信號(hào)指令發(fā)出；124 ms后2號(hào)中調(diào)門(mén)開(kāi)始關(guān)閉（調(diào)門(mén)開(kāi)度100%）；174 ms后高調(diào)門(mén)開(kāi)始快關(guān)（調(diào)門(mén)開(kāi)度19%）；180 ms后1號(hào)中調(diào)門(mén)開(kāi)始快關(guān)（調(diào)門(mén)開(kāi)度85.8%）；190 ms后2號(hào)中調(diào)門(mén)開(kāi)始快關(guān)（調(diào)門(mén)開(kāi)度91.7%）；213 ms后高調(diào)門(mén)全關(guān)；340 ms后中調(diào)門(mén)全關(guān)；1 563 ms后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值3 108 r/min。

與圖1甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果相比可得到以下結(jié)論：（1）高調(diào)門(mén)關(guān)閉過(guò)程中出現(xiàn)快關(guān)階段；（2）中調(diào)門(mén)快關(guān)階段提前；（3）中調(diào)門(mén)關(guān)閉時(shí)間縮短至1號(hào)機(jī)組的1/2左右；（4）最大飛升轉(zhuǎn)速3 108 r/min，遠(yuǎn)低于1號(hào)機(jī)組最大飛升轉(zhuǎn)速。因此由本次試驗(yàn)結(jié)果可以判斷，通過(guò)修改柜間通信廣播頻率，可以減小調(diào)門(mén)快關(guān)的延時(shí)，使調(diào)門(mén)更早快關(guān)，避免甩負(fù)荷后大量蒸汽進(jìn)入導(dǎo)致轉(zhuǎn)速飛升過(guò)大。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某660 MW機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)轉(zhuǎn)速飛升過(guò)高原因分析，得出以下結(jié)論：

（1）調(diào)門(mén)快關(guān)指令柜間通信設(shè)置為慢速是調(diào)門(mén)快關(guān)延時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)并導(dǎo)致甩負(fù)荷最大飛升轉(zhuǎn)速達(dá)到3 162 r/min的主要原因。柜間通信頻率的快慢直接影響機(jī)組信號(hào)傳輸?shù)乃俣龋M(jìn)而影響機(jī)組對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為確保機(jī)組安全，控制系統(tǒng)中重要的保護(hù)信號(hào)傳輸速率應(yīng)設(shè)置為快速或采用硬接線的方式傳輸。

（2）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，為保證電網(wǎng)穩(wěn)定而在KU信號(hào)判斷邏輯中增加轉(zhuǎn)速大于3 018 r/min或延時(shí)80 ms的判據(jù)不會(huì)直接使汽輪機(jī)最大飛升轉(zhuǎn)速超過(guò)導(dǎo)則要求值。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，仍需密切關(guān)注該邏輯對(duì)機(jī)組甩負(fù)荷信號(hào)的判斷及響應(yīng)速度的影響。

（3）由于KU信號(hào)及OPC信號(hào)無(wú)組態(tài)端子輸出，因此無(wú)法接入錄波儀中進(jìn)行檢測(cè)分析。建議在以后進(jìn)行同類(lèi)型機(jī)組的甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)增加KU信號(hào)及OPC信號(hào)的端子輸出。