過小玲,鄭渭建
(1.臺州發(fā)電廠,浙江 臺州 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(簡稱東汽)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,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臺東汽機(jī)組設(shè)計有該保護(hù),動作條件是: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40%,時間超過10 ms。但實現(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塊專用模件實現(xiàn)判斷;浙江臺州和安徽鳳臺發(fā)電廠的機(jī)組PLU保護(hù)由DEH控制器實現(xiàn);浙江北侖發(fā)電廠機(jī)組由東芝DEH固化程序判斷實現(xiàn)。
隨著電網(wǎng)網(wǎng)架的不斷擴(kuò)大及容量的上升,通過發(fā)電機(jī)組快速保護(hù)協(xié)助改善電力系統(tǒng)故障時的動態(tài)特性這個作用已是微乎其微。因此,國內(nèi)三大主流汽輪機(jī)廠設(shè)計快關(guān)調(diào)門保護(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)生多次誤動作導(dǎo)致機(jī)組跳閘事件,引發(fā)了專業(yè)人員就機(jī)組是否有必要設(shè)計PLU保護(hù)的討論,就此問題作一分析和探討。
浙江電網(wǎng)曾發(fā)生3次機(jī)組PLU保護(hù)誤動作,2次導(dǎo)致機(jī)組跳閘,省外也有多次類似情況發(fā)生,筆者對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)用中存在的問題。
例1:電網(wǎng)系統(tǒng)故障沖擊導(dǎo)致2臺機(jī)組PLU保護(hù)同時誤動作跳機(jī)。某發(fā)電廠9,10號機(jī)組故障運(yùn)行中負(fù)荷同時突降;機(jī)組逆功率保護(hù)動作,10號發(fā)變組跳閘,主變220 kV開關(guān)跳閘;接著9號機(jī)組主燃料跳閘(MFT),汽機(jī)跳閘,主變220 kV開關(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號機(jī)組汽機(jī)PLU保護(hù)同時誤動作。
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)誤動作。某發(fā)電廠1號機(jī)組正常運(yùn)行中突然跳閘,鍋爐、汽機(jī)無異?,F(xiàn)象。事后檢查發(fā)現(xiàn)由于電試班進(jìn)行1號發(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)誤動作,自動強(qiáng)制關(guān)閉高中壓調(diào)門,造成1號鍋爐MFT機(jī)組跳閘。
例3:線路B相接地故障引起PLU誤動作,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號機(jī)組DEH系統(tǒng)PLU信號動作,致使2臺機(jī)組高壓調(diào)門快關(guān),負(fù)荷在3.6 s內(nèi)分別減至16 MW和12 MW。1.5 s后PLU信號消失,5號機(jī)組的高壓調(diào)門均漸開至5%左右,負(fù)荷隨即恢復(fù)至23 MW;4號機(jī)組的負(fù)荷因高排逆止門故障未能隨高壓調(diào)門的開啟而增加,13.5 s后發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動作,機(jī)組解列。PLU保護(hù)動作后全廠甩負(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,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動作。
上述3例均系PLU保護(hù)誤動作,而且保護(hù)誤動的后果嚴(yán)重,往往會引起幾臺機(jī)組同時跳閘,甚至可能引起全廠失電。保護(hù)設(shè)置存在以下問題:
(1)PLU保護(hù)設(shè)計考慮不夠全面、過于謹(jǐn)慎,增加了保護(hù)不必要動作的可能性。
(2)從保護(hù)的取信看,無論是發(fā)電機(jī)電流或功率信號,在電網(wǎng)瞬間故障或電氣側(cè)短路時,電氣信號很可能瞬間受到影響,實際信號達(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)架實際已足夠大,當(dāng)電網(wǎng)瞬間故障時,其自身能夠快速動態(tài)穩(wěn)定,不需要通過發(fā)電機(jī)組的保護(hù)來改善電網(wǎng)的動態(tài)特性,保護(hù)的誤動作反而影響電網(wǎng)穩(wěn)定。
從三大主流機(jī)組的防超速保護(hù)設(shè)計情況看,負(fù)荷下跌預(yù)測和調(diào)門快關(guān)這兩項保護(hù)在甩負(fù)荷工況下實際上功能是重疊的。機(jī)組負(fù)荷下跌預(yù)測保護(hù)取得的是發(fā)電機(jī)主斷路器開關(guān)的狀態(tài),當(dāng)機(jī)組脫網(wǎng)時,負(fù)荷下跌預(yù)測就能快速、可靠地觸發(fā)保護(hù);而功率(電流)信號涉及模擬量采集,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)拒動的可能。相反在機(jī)組沒有脫網(wǎng),而電網(wǎng)故障的情況下,發(fā)電機(jī)主斷路器開關(guān)信號比功率(電流)信號就要可靠的多,系統(tǒng)誤動的概率幾乎是零。從這點看:針對甩負(fù)荷工況,如果設(shè)計了負(fù)荷下跌預(yù)測保護(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)組沒有設(shè)計負(fù)荷下跌預(yù)測保護(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)來實現(xiàn)是否可行,可根據(jù)嘉興發(fā)電廠3號機(jī)組100%甩負(fù)荷試驗的數(shù)據(jù)來討論:
(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信號在甩負(fù)荷49 ms后開始動作,甩負(fù)荷69 ms后高調(diào)門開始關(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)門開始關(guān)閉,經(jīng)213 ms后關(guān)至0。
(3)加速度限制保護(hù)(ACC)信號在甩負(fù)荷263 ms后開始動作,此時機(jī)組轉(zhuǎn)速3 052 r/min,ACC總共反復(fù)動作了7次。
綜上分析:如果PLU直接取消,ACC保護(hù)會提前動作(如果PLU取消,ACC保護(hù)動作也要快關(guān)高調(diào)門),但快關(guān)調(diào)門保護(hù)至少要比原來遲緩60 r/min轉(zhuǎn)速的飛升時間,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)門快關(guān)保護(hù)(OPC)動作,則遲緩時間更長,轉(zhuǎn)速飛升更高。從分析的數(shù)據(jù)看,針對甩負(fù)荷工況而言,這個數(shù)據(jù)不太理想。但機(jī)組實際運(yùn)行中很少會存在甩負(fù)荷工況,因為發(fā)變組保護(hù)跳閘后,同時也往往會觸發(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,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)頻動作)。因此PLU保護(hù)就沒有必要動作,就此工況而言,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)計有負(fù)荷快速切回(FCB)功能時,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)組本身沒有設(shè)計FCB功能,當(dāng)出現(xiàn)這種極端工況時,分以下2種情況:
(1)如果機(jī)組設(shè)計有零功率切機(jī)保護(hù),此保護(hù)會動作,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號機(jī)組的FCB試驗來看:在負(fù)荷435 MW,轉(zhuǎn)速最高至3 104 r/min時,假設(shè)在這種極端工況下,機(jī)組沒有設(shè)計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)計存在誤動的可能性較大,當(dāng)PLU動作后,由于目前絕大多數(shù)機(jī)組沒有設(shè)計FCB功能,機(jī)組往往因為擾動大而導(dǎo)致MFT保護(hù)或逆功率保護(hù)動作,影響機(jī)組和電網(wǎng)的可靠性。同時在發(fā)電機(jī)運(yùn)行的情況下,汽輪機(jī)進(jìn)行快關(guān)控制時,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,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,沖擊負(fù)荷也會引起轉(zhuǎn)子扭振,使應(yīng)力增大,這些都是在采用PLU保護(hù)時應(yīng)該考慮的問題。
根據(jù)東汽機(jī)組目前PLU保護(hù)設(shè)計的現(xiàn)狀,結(jié)合同類機(jī)組的防超速保護(hù)設(shè)計情況,可得出如下結(jié)論:
(1)對同時設(shè)計有負(fù)荷下跌預(yù)測功能和PLU保護(hù)的機(jī)組,PLU保護(hù)可以取消。
(2)對同時設(shè)計有 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)動作后快關(guān)高調(diào)門的邏輯。
(3)對設(shè)計有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)對僅設(shè)計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)。
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