百万机组调门快关误动原因分析及逻辑优化

引言

近些年来,西门子1000MM汽轮机数字电液调节系统(DEH)逻辑控制系统已发生多例由于电网系统故障而导致汽轮机调门快控功能动作的事件,严重影响在运机组的安全运行。个别案例中,由于调门下关指令持续时间较长,甚至造成了在运机组故障跳闸的严重后果。深入分析可知,大多数此类事件发生后,电厂询问当地调度,均被告知该段时间内曾经发生电网系统异常波动。后续分析此类调门快控功能动作事件中的电气侧数据,可以得出结论:异常发生时,汽轮发电机实际的输出功率变化量并没有达到DEH中关于汽门快控的规定值,但DEH调门快控功能却被触发,明显属于误动。查其原因,发现DEH侧接收到的功率值的确达到了汽门快控的规定值,也就是说,在电网系统异常波动时,DEH侧接收到的功率信号与电气侧汽轮发电机实际的输出功率信号出现了不一致。

1某厂百万机组汽门快控误动事件

1.1设备概况

某厂两台1000MM机组DEH系统均采用西门子T3000控制单元,分别于2011年、2012年投产,运行状况良好。

1.2发生经过

某日中班,机组运行方式:AGC投入,CCs投入,一次调频、INFIT投入,机组负荷613MM,B、C、D、E、F磨运行。

机组负荷由613MM突降至0MM,主机高压调门由33.4%关闭至0%,主机中压调门由100%关闭至0%,主汽压由17.57MPa上升至19.18MPa,再热汽压由3.17MPa上升至3.44MPa,蒸发量由1720t/h下降至821.17t/h,燃料量无变化,高旁由0%开启至11%,主机转速由2985r/min略微上升至3007r/min。

相关异常现象:

(1)高旁由0%开启至11%左右时,#14机组"再热器安全门快开"报警来,但DCs开度未变化。

(2)高排通风阀瞬间开启后关闭。

(3)机组给水自动切手动,烙值控制切手动,RB复位:确认系统正常,机组过热度等参数正常后,及时手动投入烙值及给水自动。

(4)机组高旁减温水A、C、D隔绝门未开出,B正常动作。

(5)机组高、低加水位均有所波动,个别高加危疏开出。

(6)主机#3瓦瓦振(两测点)由2mm/s增大至5mm/s左右。

2DEH侧用负荷逻辑说明

西门子T3000DEH系统中的甩负荷识别逻辑包括KU和LAM两种情况。KU是电网瞬时中断时的甩负荷,通常也称"短甩":LAM才是真正意义上的甩负荷,也称"长甩"[1]。KU主要作用是对机组的实时负荷进行监控,在电网发生故障甩负荷时,该判断逻辑快速满足条件,动作与快关调门,同时将DEH自动控制方式切到转速控制,防止汽轮机发生超速。若此时电网负荷能够在短时间内迅速恢复(一般整定为2s),根据逻辑控制,立即释放快关调门指令,机组能够正常恢复接带电网所需负荷。如果KU触发后在短时间内不能恢复,即电网侧负荷持续2s以上仍低于逻辑整定值,则触发LAM,并能实现带厂用电运行。

KU逻辑判断的含义:

条件1,高负荷时(一般要求整定大于70%额定负荷)的KU判断依据:负荷信号瞬时下跌大于限值,KU触发。

条件2,低负荷时的判断依据:DEH侧所获得的电功率下跌到104Mw以下,与负荷控制偏差大于104Mw,表明此时机组发生了甩负荷,并不是正常停机。同时机组已并网,且功率大于-26Mw,则表示不存在逆功率现象。

3原因分析

3.1电气专业检查分析

3.1.1电气量分析

当线路侧故障导致真实甩负荷事件发生时,由于定子电流(感性)瞬间衰减,电枢反应去磁作用消失,加之电动转矩消失导致转速上升,两者叠加导致发电机出口电压及主变高压侧电压均会上升,而此次过程中发电机及主变出口侧电压上升幅度有限,且发电机始终保持同步运行状态,所以,从故障时电气侧的数据变化可以初步判断,线路侧(负载侧)出现甩负荷的可能性较低。

而且,从异常发生时间段内机组零功率切机保护并未报警及动作来看,也可以将线路侧(负载侧)甩负荷故障排除。根据RCs-985UP发电机零功率切机保护装置动作逻辑,简而言之,需要满足机组负荷大于整定值(25%额定负荷)以及主变正序电压突增定值大于整定值(4.2V),机端正序电压突增定值大于整定值(4.0V),发电机频率突增定值大于整定值(0.28Hz,频率定值50.56Hz)三者其中任一条件。而此次"甩负荷"不同于常规意义上的系统侧甩负荷,发电机仍处于同步运行状态,且故障录波器显示,机端电压及主变高压侧电压上升幅度均不大,发电机出口相电压二次侧有效值在56.3V至58.3V之间波动,时间持续100ms,可见,不管是电压还是频率变化量,均不满足零功率切机保护动作要求,所以此次大幅度快速甩负荷过程中,零功率切机保护未动作。

3.1.2智能变送器运行状况

目前,国内多数电厂在电气侧选用的功率变送器为国产三相三线制功率变送器。响应时间一般为250ms左右,正常在测量机组以及系统稳态电功率信号时,不会存在任何问题。但是当功率突变时,由于响应能力的制约,例如电流量发生大幅突增,导致测量CT速饱和,其输出就可能会产生信号畸变。因测量原理与制作工艺的差异,目前市场上的功率变送器动态测量准确度差别较大,部分变送器难以满足汽门快控功能对功率测量的要求,不适合在此功能下使用[2]。为此,该机组已在之前利用停机检修期间,将发电机变送器、电度表屏内原功率变送器全部替换为智能变送器。智能变送器内有测量CT与保护CT两套CT,当系统电流量发生大幅扰动时,能够自动将智能变送器由测量CT输出切至保护CT输出,避免了测量CT由于速饱和而导致输出信号畸变。屏内布置三只发电机智能变送器、一只主变和励磁变智能变送装置和一只高厂变智能变送装置。

发电机变送器的功率输出信号:P1至DCs、P2至DEH(分别各三个测点)。

正常运行时,智能变送器由测量CT完成参数的计算,其工作范围为0.05In~1.2In:当系统瞬间波动时,将由测量CT切换至保护CT,其工作范围为0.05In~20In:20s后若系统无异常则切回测量CT继续工作。

记录表明,21:28:21.670,因负荷变动较大,出现负序电流,触发智能变送装置CT切换,时间轴显示发生在快速甩负荷后负荷恢复调整阶段,如图1所示。

3.1.3故障录波数据记录

21:28:20.9586之后启动的故障录波显示,如图2所示,机组负荷平稳,并未出现负荷波动,推断在录波之前发生负荷变化。

3.1.4PMU数据记录

记录显示,21:28:20.910一21:28:20.950期间发生系统波动,结合系统运行情况以及极端雷雨天气,判断该时间段500kV系统出现扰动,由机组智能变送装置同时感受到,分别将功率暂态量发送至DEH系统。

3.2热工专业检查分析

热工专业检查情况,经调阅DEH系统历史曲线发现机组负荷信号在21:28:22从正常负荷(600Mw左右)突降至0Mw,持续时间约1.5s。

调阅DEH系统历史报警信号发现,21:28:21.211,报警LoADREG(快速甩负荷)触发:21:28:21.260,高、中压调门快关指令(FsTCLs)触发:21:28:21.911,高、中压调门关闭信号(CLosED)来,如图3所示。

根据我厂本次机组甩负荷动作条件,KU逻辑判断中的负荷条件2需满足:

(1)实际负荷大于一26Mw:

(2)实际负荷小于104Mw:

(3)负荷控制偏差大于104Mw:

(4)机组已并网。

其中,DEH所获取的机组有功功率信号来自于发电机智能变送器,所以,若此时该变送器提供了错误的信号,则能够满足负荷条件2,使得DEH执行甩负荷动作。

3.3综合分析

根据上述电气与热工数据、现象以及动作行为分析,再结合机组DEH相关逻辑,系统瞬间甩负荷(KU)逻辑有两个或门条件:

(1)瞬时降低的负荷量超过甩负荷识别限值GPLsP(728Mw)且转速大于3012r/min:

(2)同时满足下面4个条件:发电机并网,实际负荷低于两倍厂用电负荷限值GP2EB(104Mw),实际负荷高于逆功率值GPNEG(-26Mw),负荷设定值Psw与实际负荷PEL的差值大于两倍厂用电负荷限值GP2EB(104Mw)。

瞬间甩负荷(KU)信号触发后,延时150ms发7s脉冲信号复位。综合DEH系统报警信号及历史数据记录判断:机组21:28:21.211瞬间甩负荷(KU)动作是由实际负荷低于两倍厂用电负荷限值GP2EB(104Mw)触发,推断21:28:20.411一21:28:21.211期间,电网系统出现扰动,由机组智能变送装置捕捉到,并将该功率暂态量发送至DEH系统,而该功率信号低于104Mw,从而触发瞬间甩负荷动作。

4DEH其他相关逻辑优化

经了解,国内某同类型1000Mw机组也曾发生发电机功率信号波动造成KU甩负荷动作,调门关闭,发电机逆功率保护动作导致机组跳闸的事件。为此,根据上述事故原因分析,对KU保护逻辑进行优化,保持西门子DEH的原控制逻辑思想不变,考虑真实甩负荷对机组转速控制的影响,为确保机组DEH系统甩负荷逻辑正确动作并避免保护拒动,结合相关电厂同类型机组优化后的甩负荷逻辑,并咨询制造厂专家意见,决定对机组DEH系统甩负荷逻辑进行如下修改:

(1)取消现有逻辑中瞬间甩负荷(KU)条件1中主机实际转速大于3012r/min的判断:

(2)增加瞬间甩负荷(KU)条件1、2任一满足的同时主机实际转速大于3018r/min的判断,触发瞬间甩负荷(KU)动作。具体逻辑图如图4所示。

5结语

本文通过案例分析,得出相关结论:对于优化前的西门子1000Mw汽轮机DEH瞬间甩负荷(KU)逻辑而言,在电气故障工况下,功率变送器可能将电网系统中出现的畸变暂态量电功率信号送入DEH控制系统,从而可能直接引起瞬间甩负荷误动。在西门子1000Mw汽轮机DEH设计思想的基础上,根据机组实际运行状况,结合国内某同类型1000Mw机组曾发生发电机功率信号波动造成KU甩负荷动作,调门关闭,发电机逆功率保护动作导致机组跳闸的相关案例,决定优化西门子1000Mw汽轮机跳闸保护,使保护逻辑与机组运行情况有机结合,从而消除了现场控制系统中可能存在的安全隐患,提高了西门子1000Mw汽轮机保护的可靠性。