取消东汽机组PLU保护的可行性探讨

2012-01-26过小玲郑渭建

浙江电力 2012年1期

过小玲，郑渭建

（1.台州发电厂，浙江台州 318016；2.浙江能源集团公司技术中心，杭州 310504）

东方汽轮机厂（简称东汽）机组配置有功率－负荷不平衡（PLU）保护，其目的是：当机组甩负荷时，快关高、中压调节阀（CV与ICV），抑制汽轮机转速的飞升，避免汽轮机超速跳闸。目前浙能集团下属有15台东汽机组设计有该保护，动作条件是：表征机组负荷的参数（再热器压力或调节级压力）和表征发电机组的参数（发电机电流或发电机功率）之差>40%，且发电机电流（功率）的减少超过40%，时间超过10 ms。但实现该功能的硬件设备有所不同，如浙江兰溪和嘉兴发电厂的机组使用的数字电液控制系统（DEH）是日立的系统，PLU保护由3块专用模件实现判断；浙江台州和安徽凤台发电厂的机组PLU保护由DEH控制器实现；浙江北仑发电厂机组由东芝DEH固化程序判断实现。

随着电网网架的不断扩大及容量的上升，通过发电机组快速保护协助改善电力系统故障时的动态特性这个作用已是微乎其微。因此，国内三大主流汽轮机厂设计快关调门保护的目的，只纯粹是抑制汽轮机转速的飞升，降低转速飞升幅度，避免汽轮机超速跳闸。

由于运行中，PLU保护发生多次误动作导致机组跳闸事件，引发了专业人员就机组是否有必要设计PLU保护的讨论，就此问题作一分析和探讨。

1 PLU保护动作案例与存在问题的分析

浙江电网曾发生3次机组PLU保护误动作，2次导致机组跳闸，省外也有多次类似情况发生，笔者对其中的一些典型案例进行分析，从中引出了PLU保护应用中存在的问题。

1.1 PLU保护动作案例分析

例1：电网系统故障冲击导致2台机组PLU保护同时误动作跳机。某发电厂9，10号机组故障运行中负荷同时突降；机组逆功率保护动作，10号发变组跳闸，主变220 kV开关跳闸；接着9号机组主燃料跳闸（MFT），汽机跳闸，主变220 kV开关跳闸。事件发生后，经检查后发现因电网系统故障冲击，9，10号机组汽机PLU保护同时误动作。

例2：更换发变组功率因数变送器，引起功率负荷不平衡，PLU保护误动作。某发电厂1号机组正常运行中突然跳闸，锅炉、汽机无异常现象。事后检查发现由于电试班进行1号发变组功率因数变送器更换工作，导致送DEH的A，C相发电机电流失去，引起负荷功率不平衡，PLU保护误动作，自动强制关闭高中压调门，造成1号锅炉MFT机组跳闸。

例3：线路B相接地故障引起PLU误动作，全厂甩负荷1 180 MW。某发电厂1条500 kV出线B相发生永久性接地故障，引起4，5号机组DEH系统PLU信号动作，致使2台机组高压调门快关，负荷在3.6 s内分别减至16 MW和12 MW。1.5 s后PLU信号消失，5号机组的高压调门均渐开至5%左右，负荷随即恢复至23 MW；4号机组的负荷因高排逆止门故障未能随高压调门的开启而增加，13.5 s后发电机逆功率保护动作，机组解列。PLU保护动作后全厂甩负荷1 180 MW。事后检查发现B相发生永久性接地故障时，三相电流相位发生了较大偏移，三相电流整流后的叠加值发生较大的幅值变化，导致PLU动作。

1.2 PLU保护应用中的问题

上述3例均系PLU保护误动作，而且保护误动的后果严重，往往会引起几台机组同时跳闸，甚至可能引起全厂失电。保护设置存在以下问题:

（1）PLU保护设计考虑不够全面、过于谨慎，增加了保护不必要动作的可能性。

（2）从保护的取信看，无论是发电机电流或功率信号，在电网瞬间故障或电气侧短路时，电气信号很可能瞬间受到影响，实际信号达到保护触发值，从热工保护的可靠性角度出发难以防范。

（3）目前的电网网架实际已足够大，当电网瞬间故障时，其自身能够快速动态稳定，不需要通过发电机组的保护来改善电网的动态特性，保护的误动作反而影响电网稳定。

2 东汽机组PLU保护必要性分析

从三大主流机组的防超速保护设计情况看，负荷下跌预测和调门快关这两项保护在甩负荷工况下实际上功能是重叠的。机组负荷下跌预测保护取得的是发电机主断路器开关的状态，当机组脱网时，负荷下跌预测就能快速、可靠地触发保护；而功率（电流）信号涉及模拟量采集，在一些临界工况下并不一定能够触发保护，反而存在保护拒动的可能。相反在机组没有脱网，而电网故障的情况下，发电机主断路器开关信号比功率（电流）信号就要可靠的多，系统误动的概率几乎是零。从这点看：针对甩负荷工况，如果设计了负荷下跌预测保护，则PLU保护完全可以取消。

如果在机组甩负荷工况下，机组没有设计负荷下跌预测保护，就直接取消PLU保护，机组的防超速保护靠机组的调速性能和后续的保护来实现是否可行，可根据嘉兴发电厂3号机组100%甩负荷试验的数据来讨论：

（1）汽机转速：在甩负荷后23.5 ms机组转速开始飞升，转速在1.17 s内从3 000 r/min迅速上升至3 195 r/min。

（2）PLU信号在甩负荷49 ms后开始动作，甩负荷69 ms后高调门开始关闭，又经138 ms后关至0，随后始终保持全关状态。甩负荷80 ms后中调门开始关闭，经213 ms后关至0。

（3）加速度限制保护（ACC）信号在甩负荷263 ms后开始动作，此时机组转速3 052 r/min，ACC总共反复动作了7次。

综上分析：如果PLU直接取消，ACC保护会提前动作（如果PLU取消，ACC保护动作也要快关高调门），但快关调门保护至少要比原来迟缓60 r/min转速的飞升时间，考虑到初期的转速飞升快，则最高转速至少要上升至3 245 r/min；如果靠高中压调门快关保护（OPC）动作，则迟缓时间更长，转速飞升更高。从分析的数据看，针对甩负荷工况而言，这个数据不太理想。但机组实际运行中很少会存在甩负荷工况，因为发变组保护跳闸后，同时也往往会触发汽机跳闸保护。

在发电机组仍然并网，而电网侧有出线跳闸，但仍然有其他出线和联络线正常运行时，以目前的电网构架看，电网频率不可能存在大幅上升（一次调频动作）。因此PLU保护就没有必要动作，就此工况而言，PLU保护可以取消。

当在发电机组仍然并网，而电网侧出线、联络线全部跳闸这种极端工况（孤网运行），且机组本身设计有负荷快速切回（FCB）功能时，需要机组能够快速稳定并维持厂用电，则PLU保护有存在的必要性。如果机组本身没有设计FCB功能，当出现这种极端工况时，分以下2种情况：

（1）如果机组设计有零功率切机保护，此保护会动作，联锁跳汽机，这种工况下PLU保护可以取消。

（2）如果机组没有零功率切机保护，将PLU保护取消，主要考虑的是汽轮机的转速飞升和发电机以及厂用辅机高频运转的承载力，由于发电机还处于运行状态，该工况汽机转速的飞升情况肯定比甩负荷的工况要好。根据兰溪发电厂3号机组的FCB试验来看：在负荷435 MW，转速最高至3 104 r/min时，假设在这种极端工况下，机组没有设计PLU保护，但后续的OPC保护也存在，机组的转速仍然可控。因此，在这种极端工况下PLU保护也不一定需要存在。

PLU保护的设计存在误动的可能性较大，当PLU动作后，由于目前绝大多数机组没有设计FCB功能，机组往往因为扰动大而导致MFT保护或逆功率保护动作，影响机组和电网的可靠性。同时在发电机运行的情况下，汽轮机进行快关控制时，负载突变，使汽轮发电机转子和联轴节螺栓都受到一个很大的冲击扭矩，引起很大的应力。另外，在汽轮机快关时，发电机输出功率总有些振荡，若此功率振荡的周期与转子的扭振频率相近或合拍，则会引起转子的扭振共振，使转子损坏。即使电功率的振荡频率与扭振频率不合拍，若转子扭振频率与工作频率相近时，冲击负荷也会引起转子扭振，使应力增大，这些都是在采用PLU保护时应该考虑的问题。