某630 MW通流改造机组甩负荷试验超速原因分析及处理

谢昌亚 陈凯亮 杨赵辉 吴 昕

（1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院（华北电力科学研究院有限责任公司）；2.华北电力科学研究院有限责任公司西安分公司）

大型发电机组甩负荷试验是检验机组调节系统动态特性的重要试验，也是考核配套设备动态调节性能最直接的手段［1～3］，常规的做法是：机组带一定负荷，突然断开发电机主开关，机组解列，测取汽轮发电机转子转速飞升的过程，计算相关动态特性参数［4，5］。 由于试验涉及汽轮机、锅炉、电气、热工及化学等多个专业，并对汽轮机寿命有减损，因此存在一定的风险［6］。试验的主要目的是考查甩负荷后控制系统对机组转速飞升的控制能力［7］，尤其是甩100%额定负荷时要确保机组最大飞升转速低于危急保安器动作值［8］。 对同一台机组来说， 在阀门严密性试验合格的前提下，甩负荷后机组转速飞升的程度主要取决于发电 机 解 列 至 调 节 汽 阀 完 全 关 闭 的 时 间［9，10］，影 响该时间的因素按照甩负荷试验时机组的控制动作过程，又可分为甩负荷信号判断的准确性和速率［11］、DEH系统的响应速率［12］和调节汽阀关闭的速率［13］3个方面。 在甩负荷试验之前，需保证阀门关闭时间符合要求，因此在正常情况下，甩负荷试验时调节汽阀的净关闭时间一般均满足要求，由于阀门本体结构和液压油系统异常导致甩负荷试验失败的案例并不多见；由于DEH系统的响应速率异常， 诸如DEH柜与ETS柜之间信号传输速率慢、快关指令信号扫描周期长等原因造成甩负荷后机组转速飞升过高的情况时有发生，一般解决方法为增加柜间硬接线、缩短信号传输速率及 信 号 扫 描 周 期 等［14～17］；甩 负 荷 预 测 功 能 中 发 电机解列信号判断缓慢的案例也鲜有报道，而该信号的判断速率对甩负荷试验至关重要。 笔者介绍一起由于发电机两个出口开关闭合状态信号的扫描周期配置不同且其中5013开关扫描周期配置不合理导致50%甩负荷试验机组转速飞升过高的案例，对于发电机具有多个出口开关的机组具有重要的参考价值。

某厂1号机组通过提高锅炉蒸汽参数、 汽轮机通流改造及乏汽湿式冷却改为直接空冷冷却等综合升级手段，达到提高通流效率、降低机组发电煤耗的目的。 改造后的机组采用上海汽轮机厂N630-16.7/596/596型亚临界、一次中间再热、四缸四排汽、单轴、凝汽式汽轮机；其调节系统为数字式电液调节系统， 配置有2个高压调节汽阀（CV）和2个中压调节汽阀（IV）。 新投产或汽轮机调节系统经重大改造的机组均应进行甩负荷试验，并且凝汽式、背压式汽轮机甩负荷试验，应按甩50%和100%额定负荷两级进行。 当甩50%额定负荷后，若第1次飞升转速超过105%额定转速，则应中断试验，查明原因且具备条件后，重新进行50%甩负荷试验。 该机组在进行50%甩负荷试验时，转速最高飞升至3 220 r/min，飞升转速过高，严重影响机组安全。 笔者从机组的超速保护控制逻辑与控制原理、 模拟甩负荷试验和50%甩负荷试验过程3方面对该问题进行分析。

1 超速保护控制逻辑与控制原理

大容量汽轮机组转子具有相对较小的转动惯量和转子飞升时间常数［18，19］，发电机并网开关断开时，为抑制转速的过度飞升引入了超速保护控制OPC，它能立即强行关闭调节汽阀，复位后交由调节系统控制。 我国首批引进型机组，提出采用并网开关跳闸及转速103%触发OPC，得到广泛认同，许多机组的DEH借鉴了这一思想［20］。 该厂1号机组超速保护控制逻辑（图1）不仅采用了上汽厂西门子机型广泛应用的调门指令与反馈偏差大触发调门快关即C20逻辑， 还保留了上述传统的甩负荷预判功能。

图1 超速保护控制逻辑示意图

图1a所示的是该机组采用 “发电机并网信号，取非”与“机组功率大于200 MW，下降沿延时1 s”，触发1 s甩负荷脉冲信号；图1b表示的是当前调门流量指令减去通过阀门流量管理函数F（x） 反算出的调门反馈对应的调门流量指令小于-25%时则触发C20逻辑［21］；图1c为甩负荷和C20信号触发调门快速关闭的逻辑示意图， 其中“A”和“B”模块是对机组运行状态的判断，此处做了简化处理，不赘述其具体内容，当机组运行时“A”和“B”模块是保持“1”状态，从而保证甩负荷和C20信号可触发调门快速关闭， 并且为了保证OPC动作时间， 在调门快关前加入了下降沿延时模块，该机组延时时间设置为1 s。综上，该机组的OPC主要控制策略是： 当机组功率大于200 MW时，若发电机并网信号消失，则会触发1 s甩负荷脉冲信号；调门流量指令与反馈对应的流量指令偏差大于25%时触发C20；甩负荷和C20信号触发调门快关，并将调门总指令清零。OPC复位后交由DEH按照转速回路PID参数从当前转速值恢复同步目标转速。

该机组控制系统没有独立的OPC电磁阀，而是在每个调门上均设置了快关电磁阀，调门快关指令作用到每个调门的快关电磁阀，从而泄去安全油，实现调门快速关闭。

2 模拟甩负荷试验

在机组调试期间，一般需要在混合仿真的状态下进行模拟甩负荷试验，模拟甩负荷试验的目的主要有两个：一是检验超速保护控制逻辑的可靠性，确保在甩负荷工况下高中压调节汽阀能够快速关闭并保持一定时间；二是实测从发电机解列至调节汽阀完全关闭所需要的时间，一般来说该时间与阀门关闭时间测试中测得的时间相差不大，当时间过长时，需要查明原因进行处理，使其在合理范围内，从而保证甩负荷试验的安全性。

2.1 发电机解列信号判断

从图1可看出，发电机解列的判断是由“发电机并网信号，取非”来实现。 1号机组设有两个并网开关——5012和5013， 任一开关闭合时1号机组均处于并网运行状态，正常运行时开关5012和5013均闭合。 为了避免因热工信号出现故障引起机组运行状态判断失误，“发电机出口开关5012闭合”信号和“发电机出口开关5013闭合”信号均向DEH系统传送3个开关量接点，正常状态下，某一发电机出口开关闭合时， 对应的3个接点开关均会被触发，当任意一个发电机出口开关闭合状态的开关量接点满足“三取二”条件时，则判断机组处于并网状态。 综上可知，只有当发电机出口开关5013和5012均处于断开状态时，DEH系统才会判断发电机处于解列状态，如图2所示。

图2 发电机并网信号逻辑示意图

2.2 模拟甩负荷试验及其结果

进行两次模拟甩负荷试验，高速录波仪测得的各测点趋势如图3、4所示。 采用高速录波仪，测取的信号有：发电机出口开关5012闭合（接点1）、高压调节汽阀快关指令信号、中压调节汽阀快关指令信号、高压调节汽阀CV1阀位反馈、高压调节汽阀CV2阀位反馈、 中压调节汽阀IV1阀位反馈及中压调节汽阀IV2阀位反馈等。在机组混合仿真状态下，在DEH系统中将“发电机出口开关5012闭合（接点2）”强置为“1”，用短接线在控制柜端子排上将 “发电机出口开关5012闭合 （接点1）”短接，从而实现机组并网状态。 试验时，机组仿真功率大于200 MW时，将上述短接线断开，DEH系统判断发电机解列，触发OPC保护动作，调节汽阀快速关闭。

图3 第1次模拟甩负荷试验测点趋势

图4 第2次模拟甩负荷试验测点趋势

从5012开关分闸至OPC动作以及调节汽阀完全关闭的时间见表1。 由表1可知， 两次试验从5012开关分闸至调节汽阀全关时间最长为273.8 ms，满足甩负荷试验的要求。

表1 模拟甩负荷试验结果

3 50%甩负荷试验

3.1 试验过程

50%甩负荷试验前发电机出口开关5012和5013均处于闭合状态， 并进行了相关准备工作：润滑油油泵联启试验、汽封备用汽源暖管、汽泵汽源切换至辅助蒸汽、高压及低压旁路管道预暖等［22］，高速录波仪做好录波准备，解除发电机跳闸联跳汽轮机、锅炉MFT联跳汽轮机及功率负荷不平衡等保护。

试验前，机组负荷315 MW，主汽压力9.7 MPa，主汽温度542.7 ℃， 再热压力1.9 MPa， 再热温度522.8 ℃。

11时45分17秒， 操作员首先在DCS显示界面拉开发电机出口开关5012；11时47分39秒， 操作员拉开发电机出口开关5013，发电机解列，超速保护控制OPC动作正常，高中压调节汽阀快关，高排逆止门快关，高排通风阀开始开启，汽轮机转速最高飞升至3 220 r/min；11时48分14秒，高中压调节汽阀开始逐渐开启、 调节转速；11时49分01秒，机组转速重新稳定3 000 r/min，试验结束。

试验（第1次）前后各主要参数见表2。

表2 第1次50%甩负荷试验过程主要参数

3.2 分析与处理

由于机组转速最高飞升至3 220 r/min超过了105%额定转速，需要中止试验，查明原因。高速录波仪采集到的部分测点趋势如图5所示。 由于接线问题，录波仪所测得的2个开关接点信号均为发电机出口开关5012的接点，并且操作人员在断开5013开关之前才开始录波，此时5012开关已经分闸，因此没有采集到发电机出口开关5012和5013的分合趋势变化。

但是从图5可看出， 机组转速开始飞升至超速保护控制OPC动作时的时间间隔和转速开始飞升至调节汽阀全关的时间间隔，具体数据见表3。由表3可知， 从机组转速开始飞升时至超速保护控制OPC动作时的时间为818.3 ms， 该时间能够反映OPC动作的延迟时间， 且远远大于模拟甩负荷试验时实测的延迟时间。 参考文献［23］的结论：甩负荷时刻与采样时刻的偏差带来的延迟时间可使转速飞升更高， 一般如果延时100 ms，约增加30 r/min的转速飞升。 可见，试验结果与该结论基本一致。

图5 第1次50%甩负荷试验测点趋势

表3 第1次50%甩负荷试验各阶段时间间隔ms

按照2.2节中叙述的试验方法针对发电机出口开关5013闭合接点进行6次模拟甩负荷试验，试验结果见表4。 由表4可知， 发电机出口开关5013分闸至OPC 动作时间间隔较长，远远大于模拟甩负荷试验中测得的时间， 因此怀疑DEH 系统中“发电机出口开关5013 闭合接点”信号的扫描周期设置不合理。

表4 模拟试验结果

对控制系统信号扫描周期配置进行检查，发现发电机出口开关5013闭合接点信号处于控制系统内的慢速任务区Task2，配置的扫描周期为1 000 ms， 发电机出口开关5012闭合信号配置的扫描周期为50 ms，如图6所示。

图6 信号扫描周期配置示意图

综上， 确认50%甩负荷试验中机组转速飞升过高是由于发电机出口开关5013闭合信号的扫描周期过长， 造成发电机解列后超速保护控制OPC触发缓慢、调节汽阀快关不及时导致的。将发电机出口开关5013闭合信号配置的扫描周期改为50 ms后，重新模拟甩负荷试验，试验结果列于表5。 可见，OPC动作的延迟时间明显缩短。

表5 修改扫描周期后模拟试验结果

之后机组重新进行50%甩负荷试验， 试验过程各阶段时间间隔见表6。 由表6可知，机组转速最高飞升至3 106 r/min，试验成功。

表6 第2次50%甩负荷试验各阶段时间间隔 ms

对比表3和表6可以看出， 第2次甩负荷试验阀门关闭总时间比第1次甩负荷试验平均缩短713 ms，OPC动作延迟时间缩短了738 ms，转子转速飞升下降114 r/min。

4 结论及建议

4.1 机组50%甩负荷试验转子转速飞升至3 220 r/min， 主要是由发电机出口开关5013信号扫描周期配置为1 000 ms， 造成OPC动作延迟时间过长所致，将该时间缩短至50 ms后，使得第2次50%甩负荷试验成功进行。

4.2 由于试验前进行的静态模拟甩负荷试验只是用“发电机出口开关5012闭合”信号消失作为发电机解列触发的条件，未先发现“发电机出口开关5013闭合”信号扫描周期过长的问题，这存在很大风险， 甩负荷试验时容易造成机组超速，轻则试验失败，重则可致机组损坏。 因此要考虑到所有可能触发OPC动作的情况， 尤其是具有多个并网开关的机组， 对不同开关要分别进行试验，利于排除安全隐患，保证超速保护控制逻辑的可靠性和安全性。

4.3 在本案例中，OPC 动作延迟时间增大了738 ms，转子飞升转速增加了114 r/min。 在机组调试期间前，需严格按照相关标准对机组重要的控制逻辑信号所配置的扫描周期进行检查，合理设置各信号的扫描周期。