羅 嘉，李 軍，張紅福

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州 510600；2.廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司，廣州 510600）

電力系統(tǒng)高頻率運(yùn)行將導(dǎo)致設(shè)備受損甚至破壞，引起電力系統(tǒng)崩潰等［1］。發(fā)電機(jī)高頻自動切機(jī)保護(hù)根據(jù)電網(wǎng)當(dāng)前頻率來判斷是否切機(jī)，當(dāng)電網(wǎng)頻率升高到一定值時(shí)，保護(hù)裝置經(jīng)過一定延時(shí)切除發(fā)電機(jī)［2］。典型的超速保護(hù)具有2項(xiàng)功能：

1）汽輪機(jī)103%超速保護(hù)，即當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升高至額定轉(zhuǎn)速的103%（3090 r／min）時(shí)，關(guān)閉主汽調(diào)節(jié)閥和再熱調(diào)節(jié)閥，使汽輪機(jī)迅速減負(fù)荷。汽輪機(jī)103%超速保護(hù)動作時(shí)對應(yīng)系統(tǒng)頻率為51.5 Hz，這類保護(hù)就是通常所說的OPC（over speed protection control超速保護(hù)控制）；

2）汽輪機(jī)110%超速保護(hù)，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超過110%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將迅速關(guān)閉主汽門、高壓調(diào)節(jié)汽門和中壓調(diào)節(jié)汽門，切除汽輪機(jī)，以防止引起重大事故。

在某些情況下，OPC對保持電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定起到了良好的作用［3］。但是，如果多臺大機(jī)組的OPC同時(shí)動作，可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率突然下降。這種情況下，當(dāng)系統(tǒng)頻率上升到汽輪機(jī)103%超速保護(hù)門檻值時(shí)，引起系統(tǒng)內(nèi)所有裝設(shè)OPC超速保護(hù)的火電機(jī)組快速關(guān)閉調(diào)節(jié)汽門，終止出力。于是系統(tǒng)頻率出現(xiàn)驟降，待頻率降低至50 Hz以下時(shí)，終止出力的機(jī)組又恢復(fù)出力，甚至可能使電網(wǎng)大規(guī)模地甩負(fù)荷，發(fā)生頻率振蕩或頻率失穩(wěn)事故，最終造成整個(gè)電網(wǎng)崩潰［4］，而且機(jī)組在甩負(fù)荷時(shí)由于蒸汽壓力高會使汽門頻繁開關(guān)，給機(jī)組軸系和熱力系統(tǒng)造成頻繁沖擊，嚴(yán)重影響機(jī)組安全［5］。因此OPC策略的合理與否關(guān)系著電網(wǎng)和電廠兩方面的安危，從電網(wǎng)安全運(yùn)行角度考慮，希望高頻切機(jī)保護(hù)的動作門檻值能有所不同，在電網(wǎng)頻率上升51.5%之前時(shí)能首批切掉1～2臺機(jī)組；從電廠安全角度考慮，希望在甩負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)速能夠得到更好的控制［6］。

根據(jù)電網(wǎng)頻率動態(tài)特性來整定發(fā)電機(jī)組OPC定值，進(jìn)行機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)是目前關(guān)注的熱點(diǎn)，多數(shù)解決方案是在局部地區(qū)內(nèi)不同機(jī)組采用不同OPC動作定值，分批次切掉網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷［1］，本文以珠海電廠1期2×700 MW機(jī)組為例介紹一種根據(jù)功率不平衡情況來改變OPC動作定值的控制方式?？梢詮牧硗獾慕嵌忍峁┮环N穩(wěn)定電網(wǎng)頻率保證機(jī)組運(yùn)行安全的途徑。

1 設(shè)備概況

珠海發(fā)電廠一期為日本三菱2×700 MW亞臨界機(jī)組。進(jìn)汽機(jī)構(gòu)由2個(gè)MSV（main steam valve高壓主汽門）、4個(gè)GV（governor valve高壓調(diào)節(jié)汽門）、2個(gè)RSV（reheat stop valve中壓主汽門）和4個(gè)ICV（interceptor valve中壓調(diào)節(jié)汽門）組成。其中中壓主汽門和中壓調(diào)節(jié)氣門設(shè)在同一閥體內(nèi)，組成中壓聯(lián)合汽門。系統(tǒng)采用高壓抗燃油，液壓機(jī)構(gòu)采用一個(gè)油動機(jī)帶一個(gè)閥門的控制方式，高壓主汽閥、高壓調(diào)節(jié)閥及中壓調(diào)節(jié)閥均采用連續(xù)控制方式，由電液伺服閥進(jìn)行驅(qū)動，中壓主汽閥采用電磁閥控制方式［7］。

熱控設(shè)備為日本三菱DIASYS－UP的DCS（distributed control system分散控制系統(tǒng)）。DEH系統(tǒng)（digital electro－h(huán)ydraulic control數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)）是掛在DIASYS－UP分散控制系統(tǒng)以太網(wǎng)上的獨(dú)立系統(tǒng)，它通過以太網(wǎng)可以與其它系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并實(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)組從啟動、升速到帶負(fù)荷的全過程控制。DEH系統(tǒng)控制功能包括：轉(zhuǎn)速控制，負(fù)荷－頻率控制，轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算，閥試驗(yàn)功能，超速保護(hù)及試驗(yàn)，閥門切換和閥門管理。圖1所示為該廠DEH系統(tǒng)調(diào)速控制系統(tǒng)模型框圖。

圖1 調(diào)速器模型Fig.1 Speed governing device

2 OPC控制邏輯分析

2.1 OPC保護(hù)邏輯

珠海電廠700 MW機(jī)組OPC保護(hù)功能在DEH柜內(nèi)依靠硬回路實(shí)現(xiàn)［8］。OPC功能在甩負(fù)荷或超速時(shí)快關(guān)GV、ICV以控制汽機(jī)轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速維持3000 r／min。OPC的控制邏輯以中壓缸進(jìn)汽壓力與發(fā)電機(jī)功率之差，產(chǎn)生“ΔMW”信號值（0%～30%負(fù)荷為0，30%～60%負(fù)荷為0～1之間的某值，大于60%負(fù)荷為1），此信號與轉(zhuǎn)速在3000～3210 r／min之間產(chǎn)生的信號（0～1之間的某值）疊加，若大于等于1，則OPC動作。OPC邏輯判斷通過模件MTSD11輸出至MOPC11模件，作三選二判斷，輸出驅(qū)動OPC電磁閥。

OPC動作具體值如圖2所示：

1）在0%～30%的功率負(fù)荷不平衡期間，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速≥3210 r／min時(shí)，OPC動作。

2）在30%～60%的功率負(fù)荷不平衡期間，Y＝－7／30×X＋1.14時(shí)，Y＝實(shí)際轉(zhuǎn)速／3 000r／min，X＝｜中壓缸進(jìn)汽壓力（折算為額定工況下的百分比）－發(fā)電機(jī)功率（折算為額定工況下的百分比）｜，OPC動作。

3）60%以上功率負(fù)荷不平衡時(shí)，無論轉(zhuǎn)速為多少，OPC都動作。

圖2 OPC產(chǎn)生邏輯圖Fig.2 OPC logic diagram

2.2 FV保護(hù)邏輯

珠海電廠2號機(jī)FV保護(hù)功能在DEH柜內(nèi)依靠硬回路實(shí)現(xiàn)。FV就是指中調(diào)門快關(guān)，由于中低壓缸的出力占總出力的70%左右，在突然甩負(fù)荷時(shí)，快關(guān)中調(diào)門可控制汽機(jī)轉(zhuǎn)速的飛升，所以在甩負(fù)荷大于40%時(shí)，F(xiàn)V動作。FV邏輯判斷是通過MTSD12，再經(jīng)過MTCL11作三選二判斷，輸出驅(qū)動FV電磁閥。FV觸發(fā)條件存在時(shí)，中調(diào)門每隔10 s關(guān)閉一次，關(guān)閉約300 ms后打開。

3 OPC動作情況的測試

3.1 OPC動作調(diào)門關(guān)閉時(shí)間測試

選擇1、2路轉(zhuǎn)速輸入，當(dāng)轉(zhuǎn)速信號加到3219 r／min時(shí)，OPC動作，所有調(diào)門迅速關(guān)閉，其行程曲線平滑、完整、沒有抖動，汽門在OPC動作下動態(tài)特性良好，關(guān)閉時(shí)間符合標(biāo)準(zhǔn)。OPC動作后調(diào)門關(guān)閉記錄曲線見圖3所示，調(diào)門關(guān)閉時(shí)間見表1。

表1 終端節(jié)點(diǎn)回路鏈表Tab.1 Loop－link table of the terminal nodes

圖3 OPC動作調(diào)門關(guān)閉時(shí)間動作曲線Fig.3 Curves of valve closing when OPC acting

3.2 功率負(fù)荷不平衡回路測試

為驗(yàn)證其功率不平衡回路動作的正確性，這里模擬了4種不同的工況，首先假定在實(shí)際功率為零，再分別4種情況下確定其中壓缸進(jìn)汽壓力，以便模擬實(shí)際中功率不平衡情況的發(fā)生，通過頻率發(fā)生器，在轉(zhuǎn)速輸入回路端子上加入3000 r／min的轉(zhuǎn)速信號，逐步增加頻率發(fā)生器的頻率值，直至OPC保護(hù)動作，動作情況見表2，動作響應(yīng)正確。

表2 功率不平衡功能測試結(jié)果Tab.2 Results of power－load imbalance

3.3 FV動作回路測試

增加中壓缸入口蒸汽壓力信號至1.56 MPa時(shí)，F(xiàn)V繼電器開始動作。額定工況下中壓缸入口蒸汽壓力3.88 MPa，而實(shí)際功率信號為零，功率不平衡40%中壓缸入口蒸汽壓力理論值為1.55 MPa，因此認(rèn)為FV動作值正確。圖4是FV動作后中FV繼電器動作5次的過程。中壓缸入口蒸汽壓力模擬信號增至1.58 MPa時(shí)，F(xiàn)V繼電器動作；當(dāng)FV觸發(fā)條件一直存在時(shí)，F(xiàn)V繼電器每隔約10 s動作一次，動作約300 ms后復(fù)位。見圖2。說明FV邏輯正確，動作響應(yīng)正確。

3.4 甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

通過甩負(fù)荷試驗(yàn)可以實(shí)際確認(rèn)該OPC控制邏輯的實(shí)際投運(yùn)效果。實(shí)際分別進(jìn)行了25%、50%、75%、100%等4種工況下的甩負(fù)荷試驗(yàn)，其中100%甩負(fù)荷工況最為惡劣，其最大飛升轉(zhuǎn)速為3174 r／min，到達(dá)最大轉(zhuǎn)速時(shí)間2.02 s，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間27.62 s，可見轉(zhuǎn)速控制效果良好。

圖4 FV動作時(shí)間曲線Fig.4 Curve of valve closing when FV acting

4 結(jié)束語

本文介紹的這種思路和方法，與目前國內(nèi)已經(jīng)普遍采用的3090 r／min時(shí)OPC動作，及目前正在推廣的在局部區(qū)域內(nèi)的不同機(jī)組采用不同的OPC定值方案不同，而是采用了當(dāng)功率負(fù)荷不平衡在0%～30%區(qū)間采用定值OPC控制，在30%～60%區(qū)間采用線性O(shè)PC定值控制，在60%以上區(qū)間OPC無條件動作的變頻率控制方式，對抑制電網(wǎng)振蕩、迅速恢復(fù)功率、防止事故擴(kuò)大和保障汽輪機(jī)設(shè)備有重要意義［9］，為我國電網(wǎng)安全穩(wěn)定措施及機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)方案的制定提供了有益的借鑒。

［1］ 陳興華，羅向東，吳國丙，等（Chen Xinghua，Luo Xiangdong，Wu Guobing，et al）.廣東中珠電網(wǎng)電磁解環(huán)運(yùn)行的機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)方案（A machine－network coordination scheme of electromagnetic ring rejection for Guangdong Zhong－zhu power gid）［J］.南方電網(wǎng)技術(shù)（Southern Power System Technology），2008，2（3）：57－59.

［2］ 孫華東，王雪東，馬世英，等（Sun Huadong，Wang Xuedong，Ma shiying，et al）.貴州主網(wǎng)及其地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定控制（Measures to improve system security and stability for isolated operation of Guizhou main power grid and its regional power networks）［J］.電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2008，32（17）：35－39，45.

［3］ 魯順，高立群，王珂，等（Lu Shun，Gao Liqun，Wang Ke，et al）.遼寧電網(wǎng)責(zé)任頻率調(diào)整策略分析（Analysis of responsibility frequency regulation strategies of Liaoning power grid）［J］.繼電器（Relay），2005，33（15）：86－89.

［4］ 陳又申，余正環(huán)（Chen Youshen，Yu Zhenghuan）.電網(wǎng)故障與火電廠機(jī)組控制應(yīng)對（Countermeasures against power system failure for control of thermal power plants）［J］.中國電力（Electric Power），2005，38（3）：70－73.

［5］ 譚永強(qiáng)（Tan Yongqiang）.定能電廠電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的試驗(yàn)與分析（Test and analysis on power system stabilizer in Dingneng power plant）［J］.廣東電力（Guangdong Electric Power），2006，19（8）：49－51.

［6］ 田豐，陳興華，羅向東（Tian Feng，Chen Xinghua，Luo Xiangdong）.完善機(jī)組涉網(wǎng)控制提高電網(wǎng)可靠性（Perfect of unit control functions with grid to improve reliability of grid）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU－EPSA），2010，22（1）：116－119.

［7］ 林振智，文福拴（Lin Zhenzhi，Wen Fushuan）.電力工業(yè)市場化改革對電力系統(tǒng)恢復(fù)的影響（Impacts of power industry restructuring on power system restoration）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU－EPSA），2008，20（1）：9－14，27.

［8］ 范振寧（Fan Zhenning）.珠海發(fā)電廠2號汽輪機(jī)汽門的靜態(tài)特性（Static characteristic of steam valves of No.2 turbine for Zhuhai power station）［J］.熱力透平（Thermal Turbine），2009，38（3）：193－196.

［9］ Rutman Jacques，Walls F L.Characterization of frequency stability in precision frequency sources［J］.Proceedings of the IEEE，1991，79（7）：952－960.