劉康寧，屠昌鋒（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，浙江 杭州 310018）

1 概述

轉(zhuǎn)速越高轉(zhuǎn)子離心應(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%（3600r/min）以下的安全性。因此國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定汽輪機(jī)超速保護(hù)動(dòng)作值為110～112%（3300～3360r/min）。通常要求機(jī)組在發(fā)生甩負(fù)荷后，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能將轉(zhuǎn)速控制在超速保護(hù)動(dòng)作值以下，維持機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，以便能在故障消除后，迅速并網(wǎng)發(fā)電。

由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)很小，在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)加速度非常大。例如一個(gè)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)為8秒的汽輪發(fā)電機(jī)組，在發(fā)生甩全負(fù)荷時(shí)的加速度高達(dá)375r/min/s，即若調(diào)節(jié)閥不迅速關(guān)閉，1秒后機(jī)組轉(zhuǎn)速就將超過(guò)跳閘值3300r/min。因此在發(fā)生甩負(fù)荷故障時(shí)，必須盡快迅速地關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，以限制機(jī)組轉(zhuǎn)速的飛升量。

轉(zhuǎn)速超調(diào)量由下式給出：

其中：ne為額定轉(zhuǎn)速；Ta為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)；τ為延遲時(shí)間；Tv為汽缸容積時(shí)間；Tc為油動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間；NG為實(shí)際甩負(fù)荷值；NGe為額定功率。

從上式知，汽缸容積時(shí)間Tv由汽缸容積及蒸汽參數(shù)確定。為了限制轉(zhuǎn)速超調(diào)量，要求從發(fā)生甩負(fù)荷到油動(dòng)機(jī)開(kāi)始關(guān)的延遲時(shí)間τ及油動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間Tc越短越好。

2 傳統(tǒng)DEH控制系統(tǒng)的OPC超速限制功能

80年代我國(guó)從美國(guó)西屋公司引進(jìn)汽輪機(jī)制造技術(shù)后，行業(yè)內(nèi)已逐漸熟悉并大量采用了與引進(jìn)技術(shù)相似的高壓抗燃油DEH控制系統(tǒng)。

機(jī)組在正常運(yùn)行期間，轉(zhuǎn)速、功率變化速率較低，因此調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)的動(dòng)作速率要求也較低。通常1～2s時(shí)間走完全行程即可。在此期間調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)采用MOOG761噴嘴擋板式伺服閥控制。

機(jī)組在發(fā)生甩負(fù)荷故障時(shí)，由于MOOG761伺服閥的流量有限，僅利用伺服閥關(guān)閉調(diào)節(jié)閥所需時(shí)間太長(zhǎng)，不能滿足關(guān)閉時(shí)間要求。因此油動(dòng)機(jī)中配置了大流量卸荷閥，當(dāng)OPC電磁閥帶電卸掉OPC油壓時(shí)，卸荷閥打開(kāi)，如圖1 所示。在彈簧力的作用下，工作腔室的油液迅速流到非工作腔室，使調(diào)節(jié)閥在0.15～0.2s（油動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間Tc）內(nèi)迅速關(guān)閉。在OPC電磁閥失電后，OPC油壓重新建立，卸荷閥關(guān)閉，伺服閥重新控制油動(dòng)機(jī)。OPC電磁閥的動(dòng)作信號(hào)來(lái)自于DEH控制系統(tǒng)。

圖1 調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)原理圖

傳統(tǒng)DEH控制系統(tǒng)的OPC電磁閥的動(dòng)作信號(hào)通常包含2個(gè)，如圖2所示。

油開(kāi)關(guān)跳閘OPC超速限制功能

超速103%OPC超速限制功能

圖2 傳統(tǒng)OPC超速限制功能邏輯框圖

（1）油開(kāi)關(guān)跳閘OPC超速限制功能

在機(jī)組功率大于10%期間，當(dāng)油開(kāi)關(guān)跳閘時(shí)，OPC電磁閥立即帶電迅速關(guān)調(diào)門，以限制機(jī)組最大飛升轉(zhuǎn)速；持續(xù)2秒后OPC電磁閥失電。DEH控制系統(tǒng)切換為轉(zhuǎn)速PID控制，轉(zhuǎn)速最后穩(wěn)定在3000r/min，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速飛升曲線

（2） 超速103%OPC超速限制功能

無(wú)論機(jī)組在升速或帶負(fù)荷期間，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)3090r/min時(shí)，OPC電磁閥帶電迅速關(guān)調(diào)門；當(dāng)轉(zhuǎn)速小于3060r/min時(shí)，OPC電磁閥失電，伺服閥重新控制油動(dòng)機(jī)。若發(fā)電機(jī)油開(kāi)關(guān)斷開(kāi)了，DEH控制系統(tǒng)將切換為轉(zhuǎn)速PID控制，轉(zhuǎn)速最后穩(wěn)定在3000r/min。若發(fā)電機(jī)油開(kāi)關(guān)沒(méi)有斷開(kāi)，DEH控制系統(tǒng)將切換到閥控方式，目標(biāo)閥位保持超速103%OPC功能動(dòng)作前的值，此時(shí)靠DEH一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速反饋比例調(diào)節(jié)作用控制機(jī)組轉(zhuǎn)速。

超速103%OPC超速限制功能在發(fā)生甩負(fù)荷故障轉(zhuǎn)速飛升到3090r/min時(shí)，才能發(fā)出OPC動(dòng)作信號(hào)。此時(shí)已延遲了約0.25s。與油開(kāi)關(guān)跳閘OPC超速限制功能比較，轉(zhuǎn)速超調(diào)量要多90r/min。

按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不等率為3%～6%。轉(zhuǎn)速不等率與一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速反饋比例調(diào)節(jié)作用強(qiáng)度有關(guān)。不等率通常設(shè)為5%，即為機(jī)組甩100%負(fù)荷后，目標(biāo)閥位不變，靠一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)饔茫瑱C(jī)組最終穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為3150r/min（105%）。

若發(fā)生線路開(kāi)關(guān)跳閘，而發(fā)電機(jī)出口主油開(kāi)關(guān)仍然保持閉合狀態(tài)時(shí)，必須依靠DEH的一次調(diào)頻系統(tǒng)來(lái)控制機(jī)組轉(zhuǎn)速。若甩負(fù)荷的量較大，當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速超過(guò)103%時(shí)，由于超速103%OPC超速限制功能的作用，會(huì)造成調(diào)節(jié)閥反復(fù)開(kāi)關(guān)，如圖4所示。因油動(dòng)機(jī)連續(xù)反復(fù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，耗油量較大，EH油泵的排量無(wú)法滿足要求，需要消耗蓄能器的儲(chǔ)能。在油動(dòng)機(jī)連續(xù)動(dòng)作5～6次時(shí)，蓄能器內(nèi)的油液排盡后，系統(tǒng)油壓會(huì)迅速下降。因EH油壓低引發(fā)機(jī)組跳閘，最終可能造成局部電網(wǎng)大面積停電事故。

圖4 轉(zhuǎn)速飛升曲線

3 超速限制功能改進(jìn)措施

由于電網(wǎng)發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)，油開(kāi)關(guān)并不一定跳閘，因此不能單靠油開(kāi)關(guān)跳閘信號(hào)使OPC電磁閥動(dòng)作來(lái)限制機(jī)組超速。

方案一：將超速103%改為105%

有人建議將超速103%改為105%，以期避免發(fā)生振蕩。即當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)3150r/min后才發(fā)出OPC超速限制信號(hào)。此時(shí)從發(fā)生甩負(fù)荷故障起已延遲了約0.4s。與油開(kāi)關(guān)跳閘OPC超速限制功能比較，轉(zhuǎn)速超調(diào)量要多150r/min。其超速限制作用明顯降低了。此方案并不好。

方案二：將目標(biāo)閥位清0

設(shè)法在OPC動(dòng)作后迅速降低DEH系統(tǒng)中的目標(biāo)閥位值，即可避免發(fā)生振蕩。在OPC動(dòng)作后若將目標(biāo)閥位值自動(dòng)修改為0。系統(tǒng)在DEH一次調(diào)頻功能的作用下，機(jī)組穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速將低于3000r/min，約為2980～2990r/min（5%不等率、甩100%負(fù)荷）。在系統(tǒng)還帶部分負(fù)荷的情況下，帶負(fù)荷量越大，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速越低。

方案三：加速度大超速限制功能

在電網(wǎng)發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速必然會(huì)迅速升高。利用轉(zhuǎn)子加速度大信號(hào)作為超速限制觸發(fā)信號(hào)，可以縮短延遲時(shí)間τ，有效降低轉(zhuǎn)速超調(diào)量。

DEH專用測(cè)速模塊根據(jù)測(cè)速齒盤的齒數(shù)及輸入信號(hào)的頻率計(jì)算機(jī)組的轉(zhuǎn)速。為了能保證轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，必須及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量機(jī)組的轉(zhuǎn)速值。在齒數(shù)為60齒的條件下，測(cè)得信號(hào)頻率為3000Hz即可知道機(jī)組轉(zhuǎn)速為3000r/min。

將相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速值的差比上轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)間即可得到機(jī)組的加速度。

在發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)機(jī)組的加速度最大，當(dāng)加速度大于預(yù)定值時(shí)，測(cè)速模塊直接輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)使OPC電磁閥動(dòng)作；當(dāng)加速度小于零時(shí)，測(cè)速模塊OPC開(kāi)出信號(hào)斷開(kāi)使OPC電磁閥復(fù)位，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后OPC超速限制功能

為了提高動(dòng)作可靠性，取連續(xù)2次加速度均大于預(yù)定值才觸發(fā)加速度大超速限制功能。

為了縮短延遲時(shí)間τ，轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)間應(yīng)控制在10ms以內(nèi)。在DEH專用測(cè)速模塊中獨(dú)立完成轉(zhuǎn)速、加速度測(cè)量、加速度大判斷及OPC信號(hào)開(kāi)出，使OPC響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了20ms。

有了加速度大超速限制功能后，在機(jī)組帶負(fù)荷期間應(yīng)該取消超速103%OPC超速限制功能。

4 結(jié)論

在DEH控制系統(tǒng)中采用本文建議的超速限制功能，不但可以有效地限制系統(tǒng)甩負(fù)荷后機(jī)組轉(zhuǎn)速的超調(diào)量，又可避免系統(tǒng)振蕩。

注意DEH必須有良好的一次調(diào)頻功能，以維持系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。