取消東汽機(jī)組PLU保護(hù)的可行性探討

過(guò)小玲，鄭渭建

（1.臺(tái)州發(fā)電廠，浙江 臺(tái)州 318016；2.浙江能源集團(tuán)公司技術(shù)中心，杭州 310504）

東方汽輪機(jī)廠（簡(jiǎn)稱(chēng)東汽）機(jī)組配置有功率－負(fù)荷不平衡（PLU）保護(hù)，其目的是：當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，快關(guān)高、中壓調(diào)節(jié)閥（CV與ICV），抑制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的飛升，避免汽輪機(jī)超速跳閘。目前浙能集團(tuán)下屬有15臺(tái)東汽機(jī)組設(shè)計(jì)有該保護(hù)，動(dòng)作條件是：表征機(jī)組負(fù)荷的參數(shù)（再熱器壓力或調(diào)節(jié)級(jí)壓力）和表征發(fā)電機(jī)組的參數(shù)（發(fā)電機(jī)電流或發(fā)電機(jī)功率）之差>40%，且發(fā)電機(jī)電流（功率）的減少超過(guò)40%，時(shí)間超過(guò)10 ms。但實(shí)現(xiàn)該功能的硬件設(shè)備有所不同，如浙江蘭溪和嘉興發(fā)電廠的機(jī)組使用的數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）是日立的系統(tǒng)，PLU保護(hù)由3塊專(zhuān)用模件實(shí)現(xiàn)判斷；浙江臺(tái)州和安徽鳳臺(tái)發(fā)電廠的機(jī)組PLU保護(hù)由DEH控制器實(shí)現(xiàn)；浙江北侖發(fā)電廠機(jī)組由東芝DEH固化程序判斷實(shí)現(xiàn)。

隨著電網(wǎng)網(wǎng)架的不斷擴(kuò)大及容量的上升，通過(guò)發(fā)電機(jī)組快速保護(hù)協(xié)助改善電力系統(tǒng)故障時(shí)的動(dòng)態(tài)特性這個(gè)作用已是微乎其微。因此，國(guó)內(nèi)三大主流汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)快關(guān)調(diào)門(mén)保護(hù)的目的，只純粹是抑制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的飛升，降低轉(zhuǎn)速飛升幅度，避免汽輪機(jī)超速跳閘。

由于運(yùn)行中，PLU保護(hù)發(fā)生多次誤動(dòng)作導(dǎo)致機(jī)組跳閘事件，引發(fā)了專(zhuān)業(yè)人員就機(jī)組是否有必要設(shè)計(jì)PLU保護(hù)的討論，就此問(wèn)題作一分析和探討。

1 PLU保護(hù)動(dòng)作案例與存在問(wèn)題的分析

浙江電網(wǎng)曾發(fā)生3次機(jī)組PLU保護(hù)誤動(dòng)作，2次導(dǎo)致機(jī)組跳閘，省外也有多次類(lèi)似情況發(fā)生，筆者對(duì)其中的一些典型案例進(jìn)行分析，從中引出了PLU保護(hù)應(yīng)用中存在的問(wèn)題。

1.1 PLU保護(hù)動(dòng)作案例分析

例1：電網(wǎng)系統(tǒng)故障沖擊導(dǎo)致2臺(tái)機(jī)組PLU保護(hù)同時(shí)誤動(dòng)作跳機(jī)。某發(fā)電廠9，10號(hào)機(jī)組故障運(yùn)行中負(fù)荷同時(shí)突降；機(jī)組逆功率保護(hù)動(dòng)作，10號(hào)發(fā)變組跳閘，主變220 kV開(kāi)關(guān)跳閘；接著9號(hào)機(jī)組主燃料跳閘（MFT），汽機(jī)跳閘，主變220 kV開(kāi)關(guān)跳閘。事件發(fā)生后，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)因電網(wǎng)系統(tǒng)故障沖擊，9，10號(hào)機(jī)組汽機(jī)PLU保護(hù)同時(shí)誤動(dòng)作。

例2：更換發(fā)變組功率因數(shù)變送器，引起功率負(fù)荷不平衡，PLU保護(hù)誤動(dòng)作。某發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行中突然跳閘，鍋爐、汽機(jī)無(wú)異?，F(xiàn)象。事后檢查發(fā)現(xiàn)由于電試班進(jìn)行1號(hào)發(fā)變組功率因數(shù)變送器更換工作，導(dǎo)致送DEH的A，C相發(fā)電機(jī)電流失去，引起負(fù)荷功率不平衡，PLU保護(hù)誤動(dòng)作，自動(dòng)強(qiáng)制關(guān)閉高中壓調(diào)門(mén)，造成1號(hào)鍋爐MFT機(jī)組跳閘。

例3：線路B相接地故障引起PLU誤動(dòng)作，全廠甩負(fù)荷1 180 MW。某發(fā)電廠1條500 kV出線B相發(fā)生永久性接地故障，引起4，5號(hào)機(jī)組DEH系統(tǒng)PLU信號(hào)動(dòng)作，致使2臺(tái)機(jī)組高壓調(diào)門(mén)快關(guān)，負(fù)荷在3.6 s內(nèi)分別減至16 MW和12 MW。1.5 s后PLU信號(hào)消失，5號(hào)機(jī)組的高壓調(diào)門(mén)均漸開(kāi)至5%左右，負(fù)荷隨即恢復(fù)至23 MW；4號(hào)機(jī)組的負(fù)荷因高排逆止門(mén)故障未能隨高壓調(diào)門(mén)的開(kāi)啟而增加，13.5 s后發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組解列。PLU保護(hù)動(dòng)作后全廠甩負(fù)荷1 180 MW。事后檢查發(fā)現(xiàn)B相發(fā)生永久性接地故障時(shí)，三相電流相位發(fā)生了較大偏移，三相電流整流后的疊加值發(fā)生較大的幅值變化，導(dǎo)致PLU動(dòng)作。

1.2 PLU保護(hù)應(yīng)用中的問(wèn)題

上述3例均系PLU保護(hù)誤動(dòng)作，而且保護(hù)誤動(dòng)的后果嚴(yán)重，往往會(huì)引起幾臺(tái)機(jī)組同時(shí)跳閘，甚至可能引起全廠失電。保護(hù)設(shè)置存在以下問(wèn)題:

（1）PLU保護(hù)設(shè)計(jì)考慮不夠全面、過(guò)于謹(jǐn)慎，增加了保護(hù)不必要?jiǎng)幼鞯目赡苄浴?/p>

（2）從保護(hù)的取信看，無(wú)論是發(fā)電機(jī)電流或功率信號(hào)，在電網(wǎng)瞬間故障或電氣側(cè)短路時(shí)，電氣信號(hào)很可能瞬間受到影響，實(shí)際信號(hào)達(dá)到保護(hù)觸發(fā)值，從熱工保護(hù)的可靠性角度出發(fā)難以防范。

（3）目前的電網(wǎng)網(wǎng)架實(shí)際已足夠大，當(dāng)電網(wǎng)瞬間故障時(shí)，其自身能夠快速動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，不需要通過(guò)發(fā)電機(jī)組的保護(hù)來(lái)改善電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性，保護(hù)的誤動(dòng)作反而影響電網(wǎng)穩(wěn)定。

2 東汽機(jī)組PLU保護(hù)必要性分析

從三大主流機(jī)組的防超速保護(hù)設(shè)計(jì)情況看，負(fù)荷下跌預(yù)測(cè)和調(diào)門(mén)快關(guān)這兩項(xiàng)保護(hù)在甩負(fù)荷工況下實(shí)際上功能是重疊的。機(jī)組負(fù)荷下跌預(yù)測(cè)保護(hù)取得的是發(fā)電機(jī)主斷路器開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，當(dāng)機(jī)組脫網(wǎng)時(shí)，負(fù)荷下跌預(yù)測(cè)就能快速、可靠地觸發(fā)保護(hù)；而功率（電流）信號(hào)涉及模擬量采集，在一些臨界工況下并不一定能夠觸發(fā)保護(hù)，反而存在保護(hù)拒動(dòng)的可能。相反在機(jī)組沒(méi)有脫網(wǎng)，而電網(wǎng)故障的情況下，發(fā)電機(jī)主斷路器開(kāi)關(guān)信號(hào)比功率（電流）信號(hào)就要可靠的多，系統(tǒng)誤動(dòng)的概率幾乎是零。從這點(diǎn)看：針對(duì)甩負(fù)荷工況，如果設(shè)計(jì)了負(fù)荷下跌預(yù)測(cè)保護(hù)，則PLU保護(hù)完全可以取消。

如果在機(jī)組甩負(fù)荷工況下，機(jī)組沒(méi)有設(shè)計(jì)負(fù)荷下跌預(yù)測(cè)保護(hù)，就直接取消PLU保護(hù)，機(jī)組的防超速保護(hù)靠機(jī)組的調(diào)速性能和后續(xù)的保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)是否可行，可根據(jù)嘉興發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組100%甩負(fù)荷試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)討論：

（1）汽機(jī)轉(zhuǎn)速：在甩負(fù)荷后23.5 ms機(jī)組轉(zhuǎn)速開(kāi)始飛升，轉(zhuǎn)速在1.17 s內(nèi)從3 000 r/min迅速上升至3 195 r/min。

（2）PLU信號(hào)在甩負(fù)荷49 ms后開(kāi)始動(dòng)作，甩負(fù)荷69 ms后高調(diào)門(mén)開(kāi)始關(guān)閉，又經(jīng)138 ms后關(guān)至0，隨后始終保持全關(guān)狀態(tài)。甩負(fù)荷80 ms后中調(diào)門(mén)開(kāi)始關(guān)閉，經(jīng)213 ms后關(guān)至0。

（3）加速度限制保護(hù)（ACC）信號(hào)在甩負(fù)荷263 ms后開(kāi)始動(dòng)作，此時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速3 052 r/min，ACC總共反復(fù)動(dòng)作了7次。

綜上分析：如果PLU直接取消，ACC保護(hù)會(huì)提前動(dòng)作（如果PLU取消，ACC保護(hù)動(dòng)作也要快關(guān)高調(diào)門(mén)），但快關(guān)調(diào)門(mén)保護(hù)至少要比原來(lái)遲緩60 r/min轉(zhuǎn)速的飛升時(shí)間，考慮到初期的轉(zhuǎn)速飛升快，則最高轉(zhuǎn)速至少要上升至3 245 r/min；如果靠高中壓調(diào)門(mén)快關(guān)保護(hù)（OPC）動(dòng)作，則遲緩時(shí)間更長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速飛升更高。從分析的數(shù)據(jù)看，針對(duì)甩負(fù)荷工況而言，這個(gè)數(shù)據(jù)不太理想。但機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中很少會(huì)存在甩負(fù)荷工況，因?yàn)榘l(fā)變組保護(hù)跳閘后，同時(shí)也往往會(huì)觸發(fā)汽機(jī)跳閘保護(hù)。

在發(fā)電機(jī)組仍然并網(wǎng)，而電網(wǎng)側(cè)有出線跳閘，但仍然有其他出線和聯(lián)絡(luò)線正常運(yùn)行時(shí)，以目前的電網(wǎng)構(gòu)架看，電網(wǎng)頻率不可能存在大幅上升（一次調(diào)頻動(dòng)作）。因此PLU保護(hù)就沒(méi)有必要?jiǎng)幼鳎痛斯r而言，PLU保護(hù)可以取消。

當(dāng)在發(fā)電機(jī)組仍然并網(wǎng)，而電網(wǎng)側(cè)出線、聯(lián)絡(luò)線全部跳閘這種極端工況（孤網(wǎng)運(yùn)行），且機(jī)組本身設(shè)計(jì)有負(fù)荷快速切回（FCB）功能時(shí)，需要機(jī)組能夠快速穩(wěn)定并維持廠用電，則PLU保護(hù)有存在的必要性。如果機(jī)組本身沒(méi)有設(shè)計(jì)FCB功能，當(dāng)出現(xiàn)這種極端工況時(shí)，分以下2種情況：

（1）如果機(jī)組設(shè)計(jì)有零功率切機(jī)保護(hù)，此保護(hù)會(huì)動(dòng)作，聯(lián)鎖跳汽機(jī)，這種工況下PLU保護(hù)可以取消。

（2）如果機(jī)組沒(méi)有零功率切機(jī)保護(hù)，將PLU保護(hù)取消，主要考慮的是汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速飛升和發(fā)電機(jī)以及廠用輔機(jī)高頻運(yùn)轉(zhuǎn)的承載力，由于發(fā)電機(jī)還處于運(yùn)行狀態(tài)，該工況汽機(jī)轉(zhuǎn)速的飛升情況肯定比甩負(fù)荷的工況要好。根據(jù)蘭溪發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組的FCB試驗(yàn)來(lái)看：在負(fù)荷435 MW，轉(zhuǎn)速最高至3 104 r/min時(shí)，假設(shè)在這種極端工況下，機(jī)組沒(méi)有設(shè)計(jì)PLU保護(hù)，但后續(xù)的OPC保護(hù)也存在，機(jī)組的轉(zhuǎn)速仍然可控。因此，在這種極端工況下PLU保護(hù)也不一定需要存在。

PLU保護(hù)的設(shè)計(jì)存在誤動(dòng)的可能性較大，當(dāng)PLU動(dòng)作后，由于目前絕大多數(shù)機(jī)組沒(méi)有設(shè)計(jì)FCB功能，機(jī)組往往因?yàn)閿_動(dòng)大而導(dǎo)致MFT保護(hù)或逆功率保護(hù)動(dòng)作，影響機(jī)組和電網(wǎng)的可靠性。同時(shí)在發(fā)電機(jī)運(yùn)行的情況下，汽輪機(jī)進(jìn)行快關(guān)控制時(shí)，負(fù)載突變，使汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和聯(lián)軸節(jié)螺栓都受到一個(gè)很大的沖擊扭矩，引起很大的應(yīng)力。另外，在汽輪機(jī)快關(guān)時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率總有些振蕩，若此功率振蕩的周期與轉(zhuǎn)子的扭振頻率相近或合拍，則會(huì)引起轉(zhuǎn)子的扭振共振，使轉(zhuǎn)子損壞。即使電功率的振蕩頻率與扭振頻率不合拍，若轉(zhuǎn)子扭振頻率與工作頻率相近時(shí)，沖擊負(fù)荷也會(huì)引起轉(zhuǎn)子扭振，使應(yīng)力增大，這些都是在采用PLU保護(hù)時(shí)應(yīng)該考慮的問(wèn)題。

3 結(jié)論

根據(jù)東汽機(jī)組目前PLU保護(hù)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，結(jié)合同類(lèi)機(jī)組的防超速保護(hù)設(shè)計(jì)情況，可得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)同時(shí)設(shè)計(jì)有負(fù)荷下跌預(yù)測(cè)功能和PLU保護(hù)的機(jī)組，PLU保護(hù)可以取消。

（2）對(duì)同時(shí)設(shè)計(jì)有 PLU 和 OPC（ACC）保護(hù)的機(jī)組，如機(jī)組不具備FCB功能，建議取消PLU保護(hù)，并增加ACC保護(hù)動(dòng)作后快關(guān)高調(diào)門(mén)的邏輯。

（3）對(duì)設(shè)計(jì)有PLU保護(hù)且機(jī)組具備FCB功能，建議保留PLU保護(hù)，但觸發(fā)條件增加轉(zhuǎn)速高判斷的必要條件（3 018 r/min）。

（4）對(duì)僅設(shè)計(jì)PLU保護(hù)，機(jī)組也不具備FCB功能的機(jī)組，從可靠性角度出發(fā)，建議保留PLU保護(hù)，但觸發(fā)條件增加轉(zhuǎn)速高判斷的必要條件（3 018 r/min）。

[1]孫長(zhǎng)生，朱北恒.提高電廠熱控系統(tǒng)可靠性技術(shù)研究[J].中國(guó)電力，2009，42（2）:56-59.

[2]丁俊宏，孫長(zhǎng)生.浙江省火電廠汽輪機(jī)ETS系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)分析[J].浙江電力，2010，29（12）:51-54.

[3]朱松強(qiáng).功率負(fù)荷不平衡模塊（PLU）誤動(dòng)原因分析[J].浙江電力，2005，24（12）:43-44.