DEH 中OPC 功能響應(yīng)時間的改進(jìn)探討

崔 鵬

1 汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）中設(shè)置OPC 的必要性和基本原理

當(dāng)電廠的超高壓斷路器由于外電網(wǎng)的某些故障跳閘后，發(fā)電機(jī)負(fù)荷驟減至廠用電負(fù)荷，由于核電廠汽輪機(jī)一般不進(jìn)行調(diào)峰，因此設(shè)計(jì)上主調(diào)節(jié)閥“惰性較大”，汽輪機(jī)在故障初期很短的一段時間內(nèi)負(fù)荷水平基本不變，導(dǎo)致汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)負(fù)荷嚴(yán)重不平衡，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的動力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所受阻力，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必然會急劇上升。因此在汽輪機(jī)甩負(fù)荷時，OPC 必須立即動作，關(guān)閉主調(diào)門以減小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的超調(diào)量。

核電廠汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動機(jī)通常采用電液轉(zhuǎn)換器四通滑閥控制。機(jī)組在發(fā)生甩負(fù)荷故障時，由于滑閥流量有限，導(dǎo)致關(guān)閉時間較長，不能滿足安全要求。因此油動機(jī)中配置了大流量溢油閥，當(dāng)OPC 電磁閥帶電卸掉OPC 油壓時，溢油閥打開，使調(diào)節(jié)閥在短時間內(nèi)迅速關(guān)閉。故障消除后，OPC 油壓重新建立，溢油閥關(guān)閉，四通滑閥重新控制油動機(jī)。

圖1 調(diào)節(jié)閥油動機(jī)原理圖

2 OPC“響應(yīng)時間”的傳統(tǒng)測試方法與新方案

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高離心應(yīng)力越大，由于材料強(qiáng)度的限制，汽輪機(jī)廠家通常只保證機(jī)組轉(zhuǎn)速在120%（3 600r/min）以下的安全性，因此國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定汽輪機(jī)超速跳機(jī)動作值為110～112%（3 300～3 360r/min），在此之前，為了保證汽輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，核電廠設(shè)置了汽輪機(jī)超速保護(hù)功能（OPC），它的主要作用是當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷時（通常是由于電網(wǎng)故障），發(fā)出OPC 信號使EH 油回路中的OPC 電磁閥帶電開啟，卸去OPC 母管中的油壓，使調(diào)節(jié)閥和再熱調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉，OPC 信號消失后，調(diào)節(jié)閥和再熱調(diào)節(jié)閥重新開啟，從而防止汽輪機(jī)超速跳機(jī)，使汽輪機(jī)能夠在發(fā)生瞬態(tài)工況時過渡到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。經(jīng)過研究，汽輪機(jī)組在甩廠用電，超高壓斷路器斷開后，OPC 經(jīng)過多次反復(fù)動作，形成的汽輪機(jī)的實(shí)際飛升曲線如下圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)速飛升曲線

目前核電廠汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)中（DEH），OPC 的主要動作方式是汽輪機(jī)超過103%的額定轉(zhuǎn)速（當(dāng)然還有CIV、失負(fù)荷預(yù)測以及手動觸發(fā)等方式，本文不做重點(diǎn)討論），由此產(chǎn)生OPC 動作“響應(yīng)時間”，無論是采取“信號切換法”，還是采用“信號插值法”測量，都存在一定的缺點(diǎn)，對于汽輪機(jī)實(shí)際超速計(jì)算和控制產(chǎn)生一定的不利影響，兩種方式具體介紹如下。

信號切換計(jì)算法：

該方法有兩路信號輸入濾波器，一路為轉(zhuǎn)速切換開關(guān)信號（由3 000rpm 切換到3 090rpm 的開關(guān)信號），另一路為OPC 動作信號。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過3 090rpm 時，切換開關(guān)給出動作信號，在示波器上觀察到的開關(guān)動作到OPC 繼電器動作的時間間隔就是OPC 動作響應(yīng)時間。

此方法的優(yōu)點(diǎn)是兩個動作點(diǎn)在示波器上非常清晰，響應(yīng)時間計(jì)算比較準(zhǔn)確。但缺點(diǎn)在于：每個信號發(fā)生器輸出1 路模擬量信號（共兩路），同時涉及切換開關(guān)信號的獲取和傳輸，儀控回路以及電氣接線都比較復(fù)雜；另外，開關(guān)切換過程有可能導(dǎo)致系統(tǒng)接收到無效信號，同時可能產(chǎn)生干擾而影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

信號差值計(jì)算法：

同時將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號以及OPC 信號接入示波器。當(dāng)由于機(jī)組甩負(fù)荷等原因?qū)е罗D(zhuǎn)速信號頻率增加3%時（即汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速從3 000 rpm 到3 090 rpm），從示波器中確定頻率變化點(diǎn)（t1時刻）和 OPC 繼電器動作點(diǎn)（t2 時刻），△t=t2-t1 即為 OPC 動作響應(yīng)時間，濾波器圖形具體如下：

圖3

此方法的優(yōu)點(diǎn)是接線簡單，信號也不復(fù)雜，且OPC 繼電器動作信號在示波器上清晰。但由于信號發(fā)生器將頻率信號由3000rpm增加到3 090 rpm 時，在示波器上很難確定清晰的頻率變化點(diǎn)，即上圖中的t1 時刻，因而OPC 動作響應(yīng)時間的計(jì)算存在較大誤差。以上2 種方法在實(shí)際操作過程中都有不同的問題。

本文提出了一種測量OPC 動作響應(yīng)時間的新思路供參考，希望能得出響應(yīng)時間的可靠信息并將響應(yīng)時間盡量縮短，以實(shí)現(xiàn)控制汽輪機(jī)甩負(fù)荷情況下的超調(diào)現(xiàn)象。此方法主要是利用“汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子加速度”計(jì)算OPC 動作定值，以達(dá)到提前響應(yīng)，提前控制的目的，減少圖2 中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的發(fā)散幅度和時間，提高汽輪機(jī)組在故障情況下的運(yùn)行可靠性，具體思路如下：

首先通過設(shè)計(jì)院外委或模擬機(jī)測試的方式計(jì)算得出，機(jī)組在各個不同功率平臺甩負(fù)荷時汽輪機(jī)最初時刻的極限加速度，以此作為OPC 動作整定值。然后，汽輪機(jī)測速系統(tǒng)以一定時間間隔（△t）不間斷采樣轉(zhuǎn)速信號，設(shè)前后兩次采樣速度分別為s1 和 s2，實(shí)際測得加速度為（s2-s1）/△t，然后 DEH 系統(tǒng)自動讀取當(dāng)前負(fù)荷確定的OPC 動作加速度整定值，實(shí)際加速度超過整定值即判斷汽輪機(jī)開始甩負(fù)荷，以此來向OPC 繼電器發(fā)出動作信號，由于△t 可以達(dá)到ms 級別甚至更高的精度，因此以此方法應(yīng)該可以大大縮短OPC 動作的“響應(yīng)時間”，使OPC 在需要的情況下快速動作。

3 結(jié)論

OPC 動作邏輯中如果采用本文中的“響應(yīng)時間”測量、計(jì)算方法，可以大大縮短OPC 的整體動作時間，該方案只受取樣時間△t 的限值，測速系統(tǒng)能夠獲取的△t 越小，響應(yīng)時間就越短，動作就越快，越有利于汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，減少轉(zhuǎn)速發(fā)散；同時為OPC 動作提供了一種新的觸發(fā)手段或者說是觸發(fā)邏輯，為后續(xù)OPC 改進(jìn)提供了一些思考空間。