DEH 中OPC 功能響應時間的改進探討

崔 鵬

1 汽輪機數字電液控制系統（DEH）中設置OPC 的必要性和基本原理

當電廠的超高壓斷路器由于外電網的某些故障跳閘后，發電機負荷驟減至廠用電負荷，由于核電廠汽輪機一般不進行調峰，因此設計上主調節閥“惰性較大”，汽輪機在故障初期很短的一段時間內負荷水平基本不變，導致汽輪機與發電機負荷嚴重不平衡，汽輪機轉子的動力遠遠超出所受阻力，轉子轉速必然會急劇上升。因此在汽輪機甩負荷時，OPC 必須立即動作，關閉主調門以減小汽輪機轉速的超調量。

核電廠汽輪機調節閥油動機通常采用電液轉換器四通滑閥控制。機組在發生甩負荷故障時，由于滑閥流量有限，導致關閉時間較長，不能滿足安全要求。因此油動機中配置了大流量溢油閥，當OPC 電磁閥帶電卸掉OPC 油壓時，溢油閥打開，使調節閥在短時間內迅速關閉。故障消除后，OPC 油壓重新建立，溢油閥關閉，四通滑閥重新控制油動機。

圖1 調節閥油動機原理圖

2 OPC“響應時間”的傳統測試方法與新方案

汽輪機轉子轉速越高離心應力越大，由于材料強度的限制，汽輪機廠家通常只保證機組轉速在120%（3 600r/min）以下的安全性，因此國際標準規定汽輪機超速跳機動作值為110～112%（3 300～3 360r/min），在此之前，為了保證汽輪機的穩定運行，核電廠設置了汽輪機超速保護功能（OPC），它的主要作用是當汽輪機甩負荷時（通常是由于電網故障），發出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，使調節閥和再熱調節閥快速關閉，OPC 信號消失后，調節閥和再熱調節閥重新開啟，從而防止汽輪機超速跳機，使汽輪機能夠在發生瞬態工況時過渡到穩態運行。經過研究，汽輪機組在甩廠用電，超高壓斷路器斷開后，OPC 經過多次反復動作，形成的汽輪機的實際飛升曲線如下圖2 所示。

圖2 轉速飛升曲線

目前核電廠汽輪機數字電液控制系統中（DEH），OPC 的主要動作方式是汽輪機超過103%的額定轉速（當然還有CIV、失負荷預測以及手動觸發等方式，本文不做重點討論），由此產生OPC 動作“響應時間”，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，對于汽輪機實際超速計算和控制產生一定的不利影響，兩種方式具體介紹如下。

信號切換計算法：

該方法有兩路信號輸入濾波器，一路為轉速切換開關信號（由3 000rpm 切換到3 090rpm 的開關信號），另一路為OPC 動作信號。當汽輪機轉速達到或超過3 090rpm 時，切換開關給出動作信號，在示波器上觀察到的開關動作到OPC 繼電器動作的時間間隔就是OPC 動作響應時間。

此方法的優點是兩個動作點在示波器上非常清晰，響應時間計算比較準確。但缺點在于：每個信號發生器輸出1 路模擬量信號（共兩路），同時涉及切換開關信號的獲取和傳輸，儀控回路以及電氣接線都比較復雜；另外，開關切換過程有可能導致系統接收到無效信號，同時可能產生干擾而影響測試結果的準確性。

信號差值計算法：

同時將汽輪機轉速信號以及OPC 信號接入示波器。當由于機組甩負荷等原因導致轉速信號頻率增加3%時（即汽輪機轉速從3 000 rpm 到3 090 rpm），從示波器中確定頻率變化點（t1時刻）和 OPC 繼電器動作點（t2 時刻），△t=t2-t1 即為 OPC 動作響應時間，濾波器圖形具體如下：

圖3

此方法的優點是接線簡單，信號也不復雜，且OPC 繼電器動作信號在示波器上清晰。但由于信號發生器將頻率信號由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，即上圖中的t1 時刻，因而OPC 動作響應時間的計算存在較大誤差。以上2 種方法在實際操作過程中都有不同的問題。

本文提出了一種測量OPC 動作響應時間的新思路供參考，希望能得出響應時間的可靠信息并將響應時間盡量縮短，以實現控制汽輪機甩負荷情況下的超調現象。此方法主要是利用“汽輪機轉子加速度”計算OPC 動作定值，以達到提前響應，提前控制的目的，減少圖2 中汽輪機轉速的發散幅度和時間，提高汽輪機組在故障情況下的運行可靠性，具體思路如下：

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

3 結論

OPC 動作邏輯中如果采用本文中的“響應時間”測量、計算方法，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，測速系統能夠獲取的△t 越小，響應時間就越短，動作就越快，越有利于汽輪機穩定運行，減少轉速發散；同時為OPC 動作提供了一種新的觸發手段或者說是觸發邏輯，為后續OPC 改進提供了一些思考空間。