某630 MW通流改造機組甩負荷試驗超速原因分析及處理

謝昌亞 陳凱亮 楊趙輝 吳 昕

（1.國網冀北電力有限公司電力科學研究院（華北電力科學研究院有限責任公司）；2.華北電力科學研究院有限責任公司西安分公司）

大型發電機組甩負荷試驗是檢驗機組調節系統動態特性的重要試驗，也是考核配套設備動態調節性能最直接的手段［1～3］，常規的做法是：機組帶一定負荷，突然斷開發電機主開關，機組解列，測取汽輪發電機轉子轉速飛升的過程，計算相關動態特性參數［4，5］。 由于試驗涉及汽輪機、鍋爐、電氣、熱工及化學等多個專業，并對汽輪機壽命有減損，因此存在一定的風險［6］。試驗的主要目的是考查甩負荷后控制系統對機組轉速飛升的控制能力［7］，尤其是甩100%額定負荷時要確保機組最大飛升轉速低于危急保安器動作值［8］。 對同一臺機組來說， 在閥門嚴密性試驗合格的前提下，甩負荷后機組轉速飛升的程度主要取決于發電 機 解 列 至 調 節 汽 閥 完 全 關 閉 的 時 間［9，10］，影 響該時間的因素按照甩負荷試驗時機組的控制動作過程，又可分為甩負荷信號判斷的準確性和速率［11］、DEH系統的響應速率［12］和調節汽閥關閉的速率［13］3個方面。 在甩負荷試驗之前，需保證閥門關閉時間符合要求，因此在正常情況下，甩負荷試驗時調節汽閥的凈關閉時間一般均滿足要求，由于閥門本體結構和液壓油系統異常導致甩負荷試驗失敗的案例并不多見；由于DEH系統的響應速率異常， 諸如DEH柜與ETS柜之間信號傳輸速率慢、快關指令信號掃描周期長等原因造成甩負荷后機組轉速飛升過高的情況時有發生，一般解決方法為增加柜間硬接線、縮短信號傳輸速率及 信 號 掃 描 周 期 等［14～17］；甩 負 荷 預 測 功 能 中 發 電機解列信號判斷緩慢的案例也鮮有報道，而該信號的判斷速率對甩負荷試驗至關重要。 筆者介紹一起由于發電機兩個出口開關閉合狀態信號的掃描周期配置不同且其中5013開關掃描周期配置不合理導致50%甩負荷試驗機組轉速飛升過高的案例，對于發電機具有多個出口開關的機組具有重要的參考價值。

某廠1號機組通過提高鍋爐蒸汽參數、 汽輪機通流改造及乏汽濕式冷卻改為直接空冷冷卻等綜合升級手段，達到提高通流效率、降低機組發電煤耗的目的。 改造后的機組采用上海汽輪機廠N630-16.7/596/596型亞臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、凝汽式汽輪機；其調節系統為數字式電液調節系統， 配置有2個高壓調節汽閥（CV）和2個中壓調節汽閥（IV）。 新投產或汽輪機調節系統經重大改造的機組均應進行甩負荷試驗，并且凝汽式、背壓式汽輪機甩負荷試驗，應按甩50%和100%額定負荷兩級進行。 當甩50%額定負荷后，若第1次飛升轉速超過105%額定轉速，則應中斷試驗，查明原因且具備條件后，重新進行50%甩負荷試驗。 該機組在進行50%甩負荷試驗時，轉速最高飛升至3 220 r/min，飛升轉速過高，嚴重影響機組安全。 筆者從機組的超速保護控制邏輯與控制原理、 模擬甩負荷試驗和50%甩負荷試驗過程3方面對該問題進行分析。

1 超速保護控制邏輯與控制原理

大容量汽輪機組轉子具有相對較小的轉動慣量和轉子飛升時間常數［18，19］，發電機并網開關斷開時，為抑制轉速的過度飛升引入了超速保護控制OPC，它能立即強行關閉調節汽閥，復位后交由調節系統控制。 我國首批引進型機組，提出采用并網開關跳閘及轉速103%觸發OPC，得到廣泛認同，許多機組的DEH借鑒了這一思想［20］。 該廠1號機組超速保護控制邏輯（圖1）不僅采用了上汽廠西門子機型廣泛應用的調門指令與反饋偏差大觸發調門快關即C20邏輯， 還保留了上述傳統的甩負荷預判功能。

圖1 超速保護控制邏輯示意圖

圖1a所示的是該機組采用 “發電機并網信號，取非”與“機組功率大于200 MW，下降沿延時1 s”，觸發1 s甩負荷脈沖信號；圖1b表示的是當前調門流量指令減去通過閥門流量管理函數F（x） 反算出的調門反饋對應的調門流量指令小于-25%時則觸發C20邏輯［21］；圖1c為甩負荷和C20信號觸發調門快速關閉的邏輯示意圖， 其中“A”和“B”模塊是對機組運行狀態的判斷，此處做了簡化處理，不贅述其具體內容，當機組運行時“A”和“B”模塊是保持“1”狀態，從而保證甩負荷和C20信號可觸發調門快速關閉， 并且為了保證OPC動作時間， 在調門快關前加入了下降沿延時模塊，該機組延時時間設置為1 s。綜上，該機組的OPC主要控制策略是： 當機組功率大于200 MW時，若發電機并網信號消失，則會觸發1 s甩負荷脈沖信號；調門流量指令與反饋對應的流量指令偏差大于25%時觸發C20；甩負荷和C20信號觸發調門快關，并將調門總指令清零。OPC復位后交由DEH按照轉速回路PID參數從當前轉速值恢復同步目標轉速。

該機組控制系統沒有獨立的OPC電磁閥，而是在每個調門上均設置了快關電磁閥，調門快關指令作用到每個調門的快關電磁閥，從而泄去安全油，實現調門快速關閉。

2 模擬甩負荷試驗

在機組調試期間，一般需要在混合仿真的狀態下進行模擬甩負荷試驗，模擬甩負荷試驗的目的主要有兩個：一是檢驗超速保護控制邏輯的可靠性，確保在甩負荷工況下高中壓調節汽閥能夠快速關閉并保持一定時間；二是實測從發電機解列至調節汽閥完全關閉所需要的時間，一般來說該時間與閥門關閉時間測試中測得的時間相差不大，當時間過長時，需要查明原因進行處理，使其在合理范圍內，從而保證甩負荷試驗的安全性。

2.1 發電機解列信號判斷

從圖1可看出，發電機解列的判斷是由“發電機并網信號，取非”來實現。 1號機組設有兩個并網開關——5012和5013， 任一開關閉合時1號機組均處于并網運行狀態，正常運行時開關5012和5013均閉合。 為了避免因熱工信號出現故障引起機組運行狀態判斷失誤，“發電機出口開關5012閉合”信號和“發電機出口開關5013閉合”信號均向DEH系統傳送3個開關量接點，正常狀態下，某一發電機出口開關閉合時， 對應的3個接點開關均會被觸發，當任意一個發電機出口開關閉合狀態的開關量接點滿足“三取二”條件時，則判斷機組處于并網狀態。 綜上可知，只有當發電機出口開關5013和5012均處于斷開狀態時，DEH系統才會判斷發電機處于解列狀態，如圖2所示。

圖2 發電機并網信號邏輯示意圖

2.2 模擬甩負荷試驗及其結果

進行兩次模擬甩負荷試驗，高速錄波儀測得的各測點趨勢如圖3、4所示。 采用高速錄波儀，測取的信號有：發電機出口開關5012閉合（接點1）、高壓調節汽閥快關指令信號、中壓調節汽閥快關指令信號、高壓調節汽閥CV1閥位反饋、高壓調節汽閥CV2閥位反饋、 中壓調節汽閥IV1閥位反饋及中壓調節汽閥IV2閥位反饋等。在機組混合仿真狀態下，在DEH系統中將“發電機出口開關5012閉合（接點2）”強置為“1”，用短接線在控制柜端子排上將 “發電機出口開關5012閉合 （接點1）”短接，從而實現機組并網狀態。 試驗時，機組仿真功率大于200 MW時，將上述短接線斷開，DEH系統判斷發電機解列，觸發OPC保護動作，調節汽閥快速關閉。

圖3 第1次模擬甩負荷試驗測點趨勢

圖4 第2次模擬甩負荷試驗測點趨勢

從5012開關分閘至OPC動作以及調節汽閥完全關閉的時間見表1。 由表1可知， 兩次試驗從5012開關分閘至調節汽閥全關時間最長為273.8 ms，滿足甩負荷試驗的要求。

表1 模擬甩負荷試驗結果

3 50%甩負荷試驗

3.1 試驗過程

50%甩負荷試驗前發電機出口開關5012和5013均處于閉合狀態， 并進行了相關準備工作：潤滑油油泵聯啟試驗、汽封備用汽源暖管、汽泵汽源切換至輔助蒸汽、高壓及低壓旁路管道預暖等［22］，高速錄波儀做好錄波準備，解除發電機跳閘聯跳汽輪機、鍋爐MFT聯跳汽輪機及功率負荷不平衡等保護。

試驗前，機組負荷315 MW，主汽壓力9.7 MPa，主汽溫度542.7 ℃， 再熱壓力1.9 MPa， 再熱溫度522.8 ℃。

11時45分17秒， 操作員首先在DCS顯示界面拉開發電機出口開關5012；11時47分39秒， 操作員拉開發電機出口開關5013，發電機解列，超速保護控制OPC動作正常，高中壓調節汽閥快關，高排逆止門快關，高排通風閥開始開啟，汽輪機轉速最高飛升至3 220 r/min；11時48分14秒，高中壓調節汽閥開始逐漸開啟、 調節轉速；11時49分01秒，機組轉速重新穩定3 000 r/min，試驗結束。

試驗（第1次）前后各主要參數見表2。

表2 第1次50%甩負荷試驗過程主要參數

3.2 分析與處理

由于機組轉速最高飛升至3 220 r/min超過了105%額定轉速，需要中止試驗，查明原因。高速錄波儀采集到的部分測點趨勢如圖5所示。 由于接線問題，錄波儀所測得的2個開關接點信號均為發電機出口開關5012的接點，并且操作人員在斷開5013開關之前才開始錄波，此時5012開關已經分閘，因此沒有采集到發電機出口開關5012和5013的分合趨勢變化。

但是從圖5可看出， 機組轉速開始飛升至超速保護控制OPC動作時的時間間隔和轉速開始飛升至調節汽閥全關的時間間隔，具體數據見表3。由表3可知， 從機組轉速開始飛升時至超速保護控制OPC動作時的時間為818.3 ms， 該時間能夠反映OPC動作的延遲時間， 且遠遠大于模擬甩負荷試驗時實測的延遲時間。 參考文獻［23］的結論：甩負荷時刻與采樣時刻的偏差帶來的延遲時間可使轉速飛升更高， 一般如果延時100 ms，約增加30 r/min的轉速飛升。 可見，試驗結果與該結論基本一致。

圖5 第1次50%甩負荷試驗測點趨勢

表3 第1次50%甩負荷試驗各階段時間間隔ms

按照2.2節中敘述的試驗方法針對發電機出口開關5013閉合接點進行6次模擬甩負荷試驗，試驗結果見表4。 由表4可知， 發電機出口開關5013分閘至OPC 動作時間間隔較長，遠遠大于模擬甩負荷試驗中測得的時間， 因此懷疑DEH 系統中“發電機出口開關5013 閉合接點”信號的掃描周期設置不合理。

表4 模擬試驗結果

對控制系統信號掃描周期配置進行檢查，發現發電機出口開關5013閉合接點信號處于控制系統內的慢速任務區Task2，配置的掃描周期為1 000 ms， 發電機出口開關5012閉合信號配置的掃描周期為50 ms，如圖6所示。

圖6 信號掃描周期配置示意圖

綜上， 確認50%甩負荷試驗中機組轉速飛升過高是由于發電機出口開關5013閉合信號的掃描周期過長， 造成發電機解列后超速保護控制OPC觸發緩慢、調節汽閥快關不及時導致的。將發電機出口開關5013閉合信號配置的掃描周期改為50 ms后，重新模擬甩負荷試驗，試驗結果列于表5。 可見，OPC動作的延遲時間明顯縮短。

表5 修改掃描周期后模擬試驗結果

之后機組重新進行50%甩負荷試驗， 試驗過程各階段時間間隔見表6。 由表6可知，機組轉速最高飛升至3 106 r/min，試驗成功。

表6 第2次50%甩負荷試驗各階段時間間隔 ms

對比表3和表6可以看出， 第2次甩負荷試驗閥門關閉總時間比第1次甩負荷試驗平均縮短713 ms，OPC動作延遲時間縮短了738 ms，轉子轉速飛升下降114 r/min。

4 結論及建議

4.1 機組50%甩負荷試驗轉子轉速飛升至3 220 r/min， 主要是由發電機出口開關5013信號掃描周期配置為1 000 ms， 造成OPC動作延遲時間過長所致，將該時間縮短至50 ms后，使得第2次50%甩負荷試驗成功進行。

4.2 由于試驗前進行的靜態模擬甩負荷試驗只是用“發電機出口開關5012閉合”信號消失作為發電機解列觸發的條件，未先發現“發電機出口開關5013閉合”信號掃描周期過長的問題，這存在很大風險， 甩負荷試驗時容易造成機組超速，輕則試驗失敗，重則可致機組損壞。 因此要考慮到所有可能觸發OPC動作的情況， 尤其是具有多個并網開關的機組， 對不同開關要分別進行試驗，利于排除安全隱患，保證超速保護控制邏輯的可靠性和安全性。

4.3 在本案例中，OPC 動作延遲時間增大了738 ms，轉子飛升轉速增加了114 r/min。 在機組調試期間前，需嚴格按照相關標準對機組重要的控制邏輯信號所配置的掃描周期進行檢查，合理設置各信號的掃描周期。