百萬機組調門快關誤動原因分析及邏輯優化

朱 雷

（國能江蘇諫壁發電有限公司，江蘇 鎮江 212006）

0 引言

近些年來，西門子1 000 MW汽輪機數字電液調節系統（DEH）邏輯控制系統已發生多例由于電網系統故障而導致汽輪機調門快控功能動作的事件，嚴重影響在運機組的安全運行。個別案例中，由于調門下關指令持續時間較長，甚至造成了在運機組故障跳閘的嚴重后果。深入分析可知，大多數此類事件發生后，電廠詢問當地調度，均被告知該段時間內曾經發生電網系統異常波動。后續分析此類調門快控功能動作事件中的電氣側數據，可以得出結論：異常發生時，汽輪發電機實際的輸出功率變化量并沒有達到DEH中關于汽門快控的規定值，但DEH調門快控功能卻被觸發，明顯屬于誤動。查其原因，發現DEH側接收到的功率值的確達到了汽門快控的規定值，也就是說，在電網系統異常波動時，DEH側接收到的功率信號與電氣側汽輪發電機實際的輸出功率信號出現了不一致。

1 某廠百萬機組汽門快控誤動事件

1.1 設備概況

某廠兩臺1 000 MW機組DEH系統均采用西門子T3000控制單元，分別于2011年、2012年投產，運行狀況良好。

1.2 發生經過

某日中班，機組運行方式：AGC投入，CCS投入，一次調頻、INFIT投入，機組負荷613 MW，B、C、D、E、F磨運行。

機組負荷由613 MW突降至0 MW，主機高壓調門由33.4%關閉至0%，主機中壓調門由100%關閉至0%，主汽壓由17.57 MPa上升至19.18 MPa，再熱汽壓由3.17 MPa上升至3.44 MPa，蒸發量由1 720 t/h下降至821.17 t/h，燃料量無變化，高旁由0%開啟至11%，主機轉速由2 985 r/min略微上升至3 007 r/min。

相關異常現象：

（1）高旁由0%開啟至11%左右時，#14機組“再熱器安全門快開”報警來，但DCS開度未變化。

（2）高排通風閥瞬間開啟后關閉。

（3）機組給水自動切手動，焓值控制切手動，RB復位；確認系統正常，機組過熱度等參數正常后，及時手動投入焓值及給水自動。

（4）機組高旁減溫水A、C、D隔絕門未開出，B正常動作。

（5）機組高、低加水位均有所波動，個別高加危疏開出。

（6）主機#3瓦瓦振（兩測點）由2 mm/s增大至5 mm/s左右。

2 DEH側甩負荷邏輯說明

西門子T3000 DEH系統中的甩負荷識別邏輯包括KU和LAW兩種情況。KU是電網瞬時中斷時的甩負荷，通常也稱“短甩”；LAW才是真正意義上的甩負荷，也稱“長甩”[1]。KU主要作用是對機組的實時負荷進行監控，在電網發生故障甩負荷時，該判斷邏輯快速滿足條件，動作與快關調門，同時將DEH自動控制方式切到轉速控制，防止汽輪機發生超速。若此時電網負荷能夠在短時間內迅速恢復（一般整定為2 s），根據邏輯控制，立即釋放快關調門指令，機組能夠正常恢復接帶電網所需負荷。如果KU觸發后在短時間內不能恢復，即電網側負荷持續2 s以上仍低于邏輯整定值，則觸發LAW，并能實現帶廠用電運行。

KU邏輯判斷的含義：

條件1，高負荷時（一般要求整定大于70%額定負荷）的KU判斷依據：負荷信號瞬時下跌大于限值，KU觸發。

條件2，低負荷時的判斷依據：DEH側所獲得的電功率下跌到104 MW以下，與負荷控制偏差大于104 MW，表明此時機組發生了甩負荷，并不是正常停機。同時機組已并網，且功率大于-26 MW，則表示不存在逆功率現象。

3 原因分析

3.1 電氣專業檢查分析

3.1.1 電氣量分析

當線路側故障導致真實甩負荷事件發生時，由于定子電流（感性）瞬間衰減，電樞反應去磁作用消失，加之電動轉矩消失導致轉速上升，兩者疊加導致發電機出口電壓及主變高壓側電壓均會上升，而此次過程中發電機及主變出口側電壓上升幅度有限，且發電機始終保持同步運行狀態，所以，從故障時電氣側的數據變化可以初步判斷，線路側（負載側）出現甩負荷的可能性較低。

而且，從異常發生時間段內機組零功率切機保護并未報警及動作來看，也可以將線路側（負載側）甩負荷故障排除。根據RCS-985UP發電機零功率切機保護裝置動作邏輯，簡而言之，需要滿足機組負荷大于整定值（25%額定負荷）以及主變正序電壓突增定值大于整定值（4.2 V），機端正序電壓突增定值大于整定值（4.0 V），發電機頻率突增定值大于整定值（0.28 Hz，頻率定值50.56 Hz）三者其中任一條件。而此次“甩負荷”不同于常規意義上的系統側甩負荷，發電機仍處于同步運行狀態，且故障錄波器顯示，機端電壓及主變高壓側電壓上升幅度均不大，發電機出口相電壓二次側有效值在56.3 V至58.3 V之間波動，時間持續100 ms，可見，不管是電壓還是頻率變化量，均不滿足零功率切機保護動作要求，所以此次大幅度快速甩負荷過程中，零功率切機保護未動作。

3.1.2 智能變送器運行狀況

目前，國內多數電廠在電氣側選用的功率變送器為國產三相三線制功率變送器。響應時間一般為250 ms左右，正常在測量機組以及系統穩態電功率信號時，不會存在任何問題。但是當功率突變時，由于響應能力的制約，例如電流量發生大幅突增，導致測量CT速飽和，其輸出就可能會產生信號畸變。因測量原理與制作工藝的差異，目前市場上的功率變送器動態測量準確度差別較大，部分變送器難以滿足汽門快控功能對功率測量的要求，不適合在此功能下使用[2]。為此，該機組已在之前利用停機檢修期間，將發電機變送器、電度表屏內原功率變送器全部替換為智能變送器。智能變送器內有測量CT與保護CT兩套CT，當系統電流量發生大幅擾動時，能夠自動將智能變送器由測量CT輸出切至保護CT輸出，避免了測量CT由于速飽和而導致輸出信號畸變。屏內布置三只發電機智能變送器、一只主變和勵磁變智能變送裝置和一只高廠變智能變送裝置。

發電機變送器的功率輸出信號：P1至DCS、P2至DEH（分別各三個測點）。

正常運行時，智能變送器由測量CT完成參數的計算，其工作范圍為0.05In～1.2In；當系統瞬間波動時，將由測量CT切換至保護CT，其工作范圍為0.05In～20In；20 s后若系統無異常則切回測量CT繼續工作。

記錄表明，21：28：21.670，因負荷變動較大，出現負序電流，觸發智能變送裝置CT切換，時間軸顯示發生在快速甩負荷后負荷恢復調整階段，如圖1所示。

圖1 智能變送器切換記錄

3.1.3 故障錄波數據記錄

21：28：20.958 6之后啟動的故障錄波顯示，如圖2所示，機組負荷平穩，并未出現負荷波動，推斷在錄波之前發生負荷變化。

圖2 故障錄波數據記錄

3.1.4 PMU數據記錄

記錄顯示，21：28：20.910—21：28：20.950期間發生系統波動，結合系統運行情況以及極端雷雨天氣，判斷該時間段500 kV系統出現擾動，由機組智能變送裝置同時感受到，分別將功率暫態量發送至DEH系統。

3.2 熱工專業檢查分析

熱工專業檢查情況，經調閱DEH系統歷史曲線發現機組負荷信號在21：28：22從正常負荷（600 MW左右）突降至0 MW，持續時間約1.5 s。

調閱DEH系統歷史報警信號發現，21：28：21.211，報警LOAD REG（快速甩負荷）觸發；21：28：21.260，高、中壓調門快關指令（FST CLS）觸發；21：28：21.911，高、中壓調門關閉信號（CLOSED）來，如圖3所示。

圖3 DEH側數據記錄

根據我廠本次機組甩負荷動作條件，KU邏輯判斷中的負荷條件2需滿足：

（1）實際負荷大于-26 MW；

（2）實際負荷小于104 MW；

（3）負荷控制偏差大于104 MW；

（4）機組已并網。

其中，DEH所獲取的機組有功功率信號來自于發電機智能變送器，所以，若此時該變送器提供了錯誤的信號，則能夠滿足負荷條件2，使得DEH執行甩負荷動作。

3.3 綜合分析

根據上述電氣與熱工數據、現象以及動作行為分析，再結合機組DEH相關邏輯，系統瞬間甩負荷（KU）邏輯有兩個或門條件：

（1）瞬時降低的負荷量超過甩負荷識別限值GPLSP（728 MW）且轉速大于3 012 r/min；

（2）同時滿足下面4個條件：發電機并網，實際負荷低于兩倍廠用電負荷限值GP2EB（104 MW），實際負荷高于逆功率值GPNEG（-26 MW），負荷設定值PSW與實際負荷PEL的差值大于兩倍廠用電負荷限值GP2EB（104 MW）。

瞬間甩負荷（KU）信號觸發后，延時150 ms發7 s脈沖信號復位。綜合DEH系統報警信號及歷史數據記錄判斷：機組21：28：21.211瞬間甩負荷（KU）動作是由實際負荷低于兩倍廠用電負荷限值GP2EB（104 MW）觸發，推斷21：28：20.411—21：28：21.211期間，電網系統出現擾動，由機組智能變送裝置捕捉到，并將該功率暫態量發送至DEH系統，而該功率信號低于104 MW，從而觸發瞬間甩負荷動作。

4 DEH其他相關邏輯優化

經了解，國內某同類型1 000 MW機組也曾發生發電機功率信號波動造成KU甩負荷動作，調門關閉，發電機逆功率保護動作導致機組跳閘的事件。為此，根據上述事故原因分析，對KU保護邏輯進行優化，保持西門子DEH的原控制邏輯思想不變，考慮真實甩負荷對機組轉速控制的影響[3]，為確保機組DEH系統甩負荷邏輯正確動作并避免保護拒動，結合相關電廠同類型機組優化后的甩負荷邏輯，并咨詢制造廠專家意見，決定對機組DEH系統甩負荷邏輯進行如下修改：

（1）取消現有邏輯中瞬間甩負荷（KU）條件1中主機實際轉速大于3 012 r/min的判斷；

（2）增加瞬間甩負荷（KU）條件1、2任一滿足的同時主機實際轉速大于3 018 r/min的判斷，觸發瞬間甩負荷（KU）動作。具體邏輯圖如圖4所示。

圖4 優化后DEH系統甩負荷邏輯

5 結語

本文通過案例分析，得出相關結論：對于優化前的西門子1 000 MW汽輪機DEH瞬間甩負荷（KU）邏輯而言，在電氣故障工況下，功率變送器可能將電網系統中出現的畸變暫態量電功率信號送入DEH控制系統，從而可能直接引起瞬間甩負荷誤動。在西門子1 000 MW汽輪機DEH設計思想的基礎上，根據機組實際運行狀況，結合國內某同類型1 000 MW機組曾發生發電機功率信號波動造成KU甩負荷動作，調門關閉，發電機逆功率保護動作導致機組跳閘的相關案例，決定優化西門子1 000 MW汽輪機跳閘保護，使保護邏輯與機組運行情況有機結合，從而消除了現場控制系統中可能存在的安全隱患，提高了西門子1 000 MW汽輪機保護的可靠性。