百萬機組甩負荷過程的探究

國能寧夏鴛鴦湖發電有限公司 呂國

1 機組概況及邏輯設置

1.1 機組概況

東方汽輪機廠生產的某1100MW 等級汽輪機為超超臨界間接空冷凝汽式汽輪機，設有八級回熱抽汽，配置單臺的汽動給水泵，用于機組的正常運行及啟動。旁路系統采用40%BMCR容量的高、低壓旁路系統，兩根主汽管道引出后匯合成一路進入高壓旁路，經減溫減壓后接至再熱冷段蒸汽管道，減溫水取自高壓加熱器入口。低壓旁路從熱再熱蒸汽兩根管分別接出，經減溫減壓后接至凝汽器，低旁減溫水取自凝結水系統。汽輪機DEH系統采用ABB Symphony Plus控制系統，控制系統具有可靠性高、兼容性強、冗余合理的汽輪機轉速/負荷控制器的特點。

1.2 汽輪機甩負荷邏輯設置

甩負荷工況下，汽輪機調節閥關閉過程中，流入的新蒸汽和積聚在汽缸、管道等腔室內的蒸汽會繼續膨脹做功進而引起轉子轉速飛升[1]。由于大容量高參數汽輪機的轉子時間常數較小，而汽缸的容積時間常數較大[2]。在發生甩負荷時，汽輪機的轉速飛升較快，若僅依靠轉速反饋作用，最高轉速極有可能超過額定轉速110%，發生汽輪機折斷。

具體甩負荷超速限制邏輯為：當負荷在額定負荷的15%～40%區間時，甩負荷保護動作，DEH 加速度繼電器動作，立即關閉中壓調節閥，同時將目標轉速強置為3000r/min，轉速下降后，中壓調節閥恢復至伺服閥控制，最終使轉速穩定在額定轉速，以便事故消除后能夠迅速并網。當負荷超過40%額定負荷時，甩負荷保護動作，DEH 功率-負荷不平衡繼電器動作，迅速關閉高壓調節閥和中壓調節閥，同時將目標轉速強置為3000r/min，一段時間后，高壓調節閥和中壓調節閥恢復至伺服閥控制，最終使汽輪機轉速穩定在額定轉速，以便事故消除后能迅速并網。

2 機組甩試驗目的及方法的選取

甩負荷試驗可以在甩負荷過程中，測取動態過程中調速的過渡曲線，驗證調節系統和超速保護控制系統OPC 的品質，計算特征值和轉子轉動慣量。試驗期間可以同步測取發電機勵磁調節系統的電壓靜差率和電壓調差率等重要數據。

甩負荷試驗方法包括常規法和測功法。在汽輪機調節系統考核試驗、機組新投產或調節系統重大改造后的機組應該規定采用常規法進行甩負荷試驗，已獲得軸系轉子轉動慣量的機組可以采用測功法進行甩負荷試驗。常規法甩負荷是指拉開發電機出口雙開關后，機組與電網解列，甩去全部或部分負荷的情況下，記錄曲線測測取汽輪機動態特征參數。測功法相比常規法相對簡單，在機組不與電網解列，突然關閉汽輪機進汽閥的情況下，測取發電機有功功率變化的過渡過程，經計算獲得轉速飛升曲線。

對比兩種方法，常規法試驗更準確直觀，但試驗準備工作量大，對系統要求嚴格，機組預備性試驗必須達到要求。而測功法試驗無須與電網解列，試驗簡潔安全，并且試驗可直接進行，它對預備性試驗要求不是十分嚴格，本文以常規法甩負荷為例進行研究探討。

3 甩負荷試驗準備、試驗步驟及結果分析。

常規法甩負荷試驗分為甩50%負荷及甩100%負荷兩部分。機組甩50%額定負荷后汽輪機最高飛升轉速不超過105%額定轉速，并能維持機組空負荷運行。機組甩100%額定負荷后汽輪機最大飛升轉速應不使機械超速和電超速保護動作，并能維持機組空負荷運行。

3.1 甩負荷試驗準備

兩次試驗前的準備工作要求及檢查工作大致相同。甩負荷試驗前，除需滿足機組甩負荷試驗導則試驗條件中規定的38 條外，還需要注意以下幾點。一是高排通風閥以及發電機AVR 控制保持“自動”方式。二是廠用電應切換備用變壓器供電。三是發變組保護柜內聯跳滅磁開關壓板退出，發電機過電壓保護時間應該取消延時。四是退出發電機聯跳汽輪機保護及鍋爐MFT聯跳汽輪機保護。五是提前運行汽輪機油泵,兩臺EH油泵，軸封及小機汽源已切換。六是高低旁開啟5%暖管隨時投運。七是除氧器水位宜維持低位運行。八是高低旁暖管投入后，宜將高低旁減溫水自動投入，以快速響應高低旁路減溫效果，防止旁路后溫度超溫，造成快關現象。

3.2 甩負荷試驗步驟

完成試驗前準備工作后，按照下列步驟開始進行甩負荷試驗。一是高低旁開啟5%進行暖管。二是發出“距甩負荷還有10s”的通報時，啟動高速記錄儀記錄數據。三是手動拉開發電機出口開關，發電機手動解列。四是檢查汽輪機轉速飛升不超過3300r/min,試驗人員可以無須手動干預，檢查高排逆止門聯鎖關閉，高排通風閥聯鎖開啟。五是檢查汽輪機各閥門動作正常，轉速飛升不超過規定值，發電機電壓不超過額定值130%，汽輪機轉速能夠迅速穩定在3000r/min。六是手動鍋爐MFT。七是手動汽輪機打閘，并立即手動拉開滅磁開關。八是重新快速點火，恢復機組并網。

3.3 機組甩50%負荷

該廠甩50% 負荷時主蒸汽壓力最高升至21.27MPa，再熱蒸汽壓力因低旁開啟持續下降，低旁A側最大開度為5.20%、B側最大開度為3.89%。最高飛升轉速為3107r/min，調門動作1 次，整個動態調節過程調節曲線平穩，經30.57s 后轉速穩定在額定轉速。并網信號消失后，高調門、中壓調門延時0.119s 開始關閉，轉速延時0.05s 開始飛升，經過1.952s 達到最高轉速3107r/min；CV1 電磁閥延時0.046s 動作，帶電時間為15.98s；轉速最低降至2999r/min，高壓調門關閉后轉速升高70r/min，定速后中壓調門穩定在18.31%。發電機機端電壓由28.31kV 上升至29.6kV，機端出現的最大電壓未超過甩負荷前機端電壓的1.15倍振蕩次數0.5次。

甩50%負荷試驗過程中，也可以不進行鍋爐MFT 操作。印尼國華爪哇項目通過#1、#2 機組甩負荷對比分析，制定了嚴謹的準備工序，合理操作流程，完善邏輯控制，實現了#2機組甩負荷期間鍋爐不滅火，機組能夠迅速并網帶負荷的目標[3-4]，為百萬機組甩負荷試驗提供巨大參考意義。試驗前，將主再熱蒸汽溫度控制在較低水平，以便于后續汽輪機打閘后，汽溫調節。將輔汽供汽、軸封供汽小機供汽及#2高加加熱提前切換至臨機供汽，高低旁后減溫水調門自動，發電機解列后，立即手動控制各磨運行，快速開啟高低旁，滿足系統再次并網需要。快速開啟高低旁后，可能導致凝汽器壓力升高，從而損壞內部銅管。高低加解列后給水溫度將驟降，應合理采取提前退出高低加控制給水溫度的措施。為保證氣溫，鍋爐宜在干態下運行，此時的水冷壁安全將受到一定威脅，因此必須根據機組特性綜合評估是否長期保持鍋爐運行。

3.4 機組甩100%負荷

該廠甩100% 負荷后主蒸汽壓力最高升至30.98MPa，再熱蒸汽壓力最高升至5.69MPa，低旁最大開度為5.0%。最高飛升轉速為3213r/min，調門動作1 次，整個動態調節過程調節曲線平穩，經48.11s后轉速穩定在額定轉速。

并網信號消失后，高調門、中調門延時0.122s開始關閉，轉速延時0.057s 開始飛升，經過2.190s達到最高轉速3213r/min；CV1 電磁閥延時0.047s動作， 帶電時間為33.67s；轉速最低降至2995r/min，高壓調門關閉后轉速升高117r/min，定速后中壓調門穩定在7.57%。

發電機機端電壓由27.24kV 上升至27.49kV，機端出現的最大電壓未超過甩負荷前機端電壓的1.15倍，振蕩次數0.5次。

4 甩負荷過程中的特性參數計算

4.1 動態超調量Φ

動態超調量Φ計算如下式（1）：

則Φ為7.10%。

4.2 轉子初始加速度an

在數據采集曲線上查得在初始階段0.149s 內轉速上升了52r/min，則轉子初始加速度如式（2）：

則加速度an為348.99r/(min·s)。

4.3 轉子時間常數Ta

轉子時間常數Ta如式（3）：

則轉子時間常數Ta為8.5962s。

4.4 轉子轉動慣量J

轉子轉動慣量J如式（4）：

式（4）中：P0為發電機功率；ω0為初始轉速角速度；η為發電機效率。

則轉子轉動慣量J為87350kg·m2。

4.5 蒸汽容積時間常數Tv

高壓調門關閉后，機組轉速繼續飛升117r/min，則蒸汽容積時間常數如式（5）：

則蒸汽容積時間常數Tv為0.3353s。

4.6 電壓靜差率ε

電壓靜差率ε計算如式（6）：

式（6）中：U0為甩負荷后機端電壓；U1為甩負荷前機端電壓；Un為額定機端電壓。

則ε為0.926%。

4.7 電壓調差率D

電壓調差率D計算如式（7）：

式（7）中：U0為甩負荷后機端電壓；U1為甩負荷前機端電壓；Un為額定機端電壓；In為額定定子電流值；IQ為甩負荷前無功電流。

則電壓調差率D為4.238%。

4.8 甩負荷最大飛升轉速Δnmax

甩負荷最大飛升轉速Δnmax計算如式（8），

式（8）中：n0為額定工作轉速；αH、αI為高、中低壓缸功率比率系數；tH1、tI為高中壓缸調節閥延遲時間；TH1、TI為高中低壓缸調節閥的當量關閉時間。通過甩50%試驗的數據可以計算出甩滿負荷時最大飛升轉速Δnmax為195r/min,小于實際進行甩100%試驗的數據。

5 結語

本文將東方汽輪機廠的1100MW超超臨界機組與常規機組對比，介紹該機組甩負荷控制邏輯設置情況以及實際試驗情況。

本文詳細介紹某廠甩負荷試驗的前期準備工作、試驗注意事項及可能出現的問題分析，可供今后同類型機組的甩負荷試驗時參考作比較，同時證明該機組主輔機動態特性良好，調節系統品質優良，能夠精確控制機組空負荷運行。對比甩負荷試驗過程中參數變化情況，通過計算得到了相關特征參數，可以利用甩50%負荷得到特征參數，推算出機組甩100%負荷飛升轉速。在理論與試驗相結合的方法下，對國內五臺不同類型機組甩負荷轉速飛升進行計算，計算值與實測值偏差均正偏差，因此在進行甩50%負荷試驗后，可以推算得出甩100%負荷試驗的飛升轉速滿足110%額定轉速以下，出于保護設備的目的，可以不進行甩100%負荷試驗。