超速保护控制系统

超速保护控制系统(OPC)超速保护控制单元(OPC)的最初目的是预防汽轮发电机组超速，避免机组转速超过110%额定转速而使汽机跳闸。此外在电力系统故障甩去部分负荷时，帮助提高电力系统的稳定性。这要依靠以下三个功能来实现：中压调门快关功能(CIV-CLOSEINTERCEPTORVALVES)；负荷下跌预测功能(LDA-LOADDROPANTICIPATION)；超速保护控制功能(OPC-OVERSPEEDPROTECTIONCONTROL)，如图6-1。第一部分的CIV功能虽然在电力系统甩掉部分负荷时提高稳定裕量，但在很多情况下都由CIV禁止跨接器把它禁止掉，除非用户所在电网认为有必要保留CIV功能，其原因是CIV会给机组带来一些负面的影响。CIV功能主要是依据汽轮机的机械功率与发电机的电负荷不平衡来触发的。第二部分LDA是在甩全部负荷时关闭高、中压调门，以防止汽机超速，在发电机主断路器断开而实际的超速尚未发生之前发生就已作用。第三部分的OPC是在机组确实已经存在超速行为之后，通过关闭高、中压调节汽阀来控制超速的。为了保证超速保护功能的可靠性，所有重要的数字量和模拟量信号都直接输入到OPC单元，模拟量有发电机功率信号，主蒸汽压力，再热蒸汽压力和联通管压力等，开关量信号如汽机挂闸状态(ASL)，发电机主断路器状态(MGB)及自动减负荷(RB)等。所有DEH中共有六个转速信号，其中三个数字量转速输入用于转速控制回路，三个模拟量的转速信号用于103%转速的超速保护控制。二者均采用三取二逻辑。除此以外，上面提到的发电机功率，主蒸汽压力和联通管压力信号也都是采用三个独立的传感器，通过三取二逻辑确保信号的可靠性。第一节 三取二变送器选择逻辑三取二选择逻辑的原理图如图6-2所示，由三个独立的传感器送来三路检测信号A、B、C，首先应对三个信号分别进行质量检验，每个信号都必须在预先规定的上下限之内，且质量完好。然后三个信号两两之间进行比较，一个质量好的信号至少要与另两个信号中的一个相等时（当然不是绝对的等值，只要其差值不超过规定的死区就认为是相等），才认为是正确的。例如A信号，当它与B或C比较后，如果A=B，或A=C，则A是一个好的信号。对三个信号的状态进行鉴别之后（用AOK，BOK，COK标识），即可进行选择。由于采用的是三取二逻辑，所以只需在“A”或“B”之间进行选择，也就是说，信号有效时A与B至少有一个必须是好的。其选择是用软件实现，并遵循这样的原则：若传感器A是好的，传感器B有问题，RS触发器输出为“0”，选择A输入；当B信号恢复之后RS触发器的两个输入均为“0”，其输出状态不变，仍然选择A；如果传感器B是好，A有问题，则触发器的输出置“1”，B输入被选中，当A信号恢复以后，触发器的状态不变，仍然是B被选中。这样做的目的是为了避免被选中的信号中断，影响工作。如果任何两个信号出了问题，则该信号都不可信，应退出工作。第二节中调门快关控制一、问题的提出一台机组在电网中与其它机组并列运行时，其输出电功率可由下式计算：式中U—发电机受端母线电压E一发电机的电势XS一发电机及所联母线的电抗5一功角，为母线电压与发电机电势间的相角差当电网一路或一相发生故障跳闸时，发电机输出功率变小，如在图6-3中由原工作点1突然下降到2点。由于电网负荷是瞬时变化，加上汽轮机调速系统中存在惯性，动作需要一定的偏差量和时间，故这时汽轮机的机械功率NT可以认为不变。由于汽轮机产生的功率与发电机送出去的功率出现不平衡，过剩的功包N=NT-Ne使汽轮发电机组的转子加速，功角5亦随同增大，工作点便由2点移到3点，发电机功率亦随同增大，但仍小于原动机功率NT，假设此时电气保护动作，使转移阻抗重新下降，功角特性线变为图中中间的一条，工作点立刻由3移到4点，这时发电机输出功率已大于汽轮机产生的功率（相差的功率由动能转换而来），加速度变为负值，转速开始下降，但实际转速仍然大于发电机同步转速，机组功角仍在增大，假定移到5点，功角已达到最大值，这时的角加速度也达到了负的最大值。原加速过程的作功已被减速过程功耗消耗完，但实发功率仍大于原动机功率，即Ne-NT〉0,使机组转速继续下降。工作点从5点向平衡点D移动，当达到D点时，虽然加速度已为0，但是实际转速已小于同步转速，工作点继续下滑，这样，机组转速将在功率平衡点D的两侧振荡，功角在变化，输出功率亦在变动，通常称之为发电机的同期振荡。（这种振荡在自身阻尼作用下会逐步减小直至消失）。实际上，即使电气保护没有动作，也有可能发生同期振荡，其机理与上述所分析的过程是相似的。实际上，在转速改变时，汽轮机的调速系统亦将动作，使汽轮机产生的功率不再是个常数，而是随转速的增高而减小，如图中虚线N'T所示，使过剩功率N'T-Ne变小，减速功率Ne-N'T变大，使功角在D点两侧的振荡变小，有利于电网的稳定;但由于转速的变化很小，NT的变化亦很小。以上说明，当电网发生故障后，由于发电机输出功率的减少而汽轮机的原动功率基本不变，使功角S有较大的变动，输出功率发生振荡，会使电网发生振荡，与之并列机组的负荷亦在振荡，有可能使事故扩大，与原远端受电电网失步，引起电网的崩溃，造成大面积停电。如上所述，产生这种现象的根本原因是在电网负荷突然减少的情况下，汽轮机产生的功率基本没有改变，使汽轮机产生的功率与发电机输出的功率不平衡。汽轮机的快关控制正是根据电力系统的稳定要求提出来的，根据一定的信号，当甩掉部分负荷时，动作调速系统，瞬时关小汽轮机进汽阀（西屋只关中压调节阀），减小汽轮机的进汽，使汽轮机产生的原动功率与减小了的电功率相适应，以便维持电网的稳定。快关动作只是短时间的关闭进汽阀门，暂时缩小电功率与机械功的差距，避免过大的加速度，从而有效地防止过大的振荡甚至失步。经短暂关闭后，进汽阀又重新开启，恢复原来的功率。关闭时间过长还可能会出现过制动。若故障长时间存在，可能危及稳定运行时，则需要减负荷(即降低NT线)，此时可按汽轮机常规的减负荷除理，不属于快关控制的范围。利用汽轮机快关阀门的功能来协助改善电力系统故障时的动态特性，是很有前途的一种措施，七十年代开始各国对这一措施在实用上即开始了试验研究。现有的汽轮机电调系统大多只考虑了局部措施，功能相对简单，使用的名称也各不相同，如美国GE公司的电调系统中此功能称为功率负荷不平衡(POWER-LOADUNBALANCD简称PLU)，西屋(WH)公司和日本三菱公司的电调系统中此功能包括在超速保护控制中(OVERSPEEDPROTECTIONCONTROL简称OPC)，而法国ALSTHOM公司的电调系统中则称之为动态校正(DYNAMICCORRECTION)等。二、执行快关的信号如上所述，执行快关的依据，是汽轮机产生的功率与发电机输出的功率之间发生较大的不平衡，则要求测量汽轮机功率NT和发电机功率Ne。目前，直接在轴上测量汽轮机产生的功率NT仍有困难，好在对NT的测量要求不太高，因此，常用来作为度量汽轮机产生的功率信号是某中间级压力。对于非调整式抽汽的汽轮机，理论上任何一点的压力都可以用作测量汽轮机的功率，常用的是调节级后蒸汽压力或再热进汽中压调节阀后压力。但西屋公司所用的是中压缸排汽压力，也就是低压联通管处的蒸汽压力，在凝汽器背压一定的条件下，此处的压力一定，流量一定，在此流量下的功率基本上就确定了。当然，调节阀的管理方式（单阀还是顺序阀），机组运行方式（定压还是滑压），主蒸汽和再热蒸汽的温度，加热器及旁路的运行方式等都对计算功率有影响，因此，有必要加入一定的修正或补偿，但用汽轮机通流部分的压力作为汽机功率信号，方法是可行的。发电机的功率可根据电流电压用测功元件直接测量出来，由于发电机的电压在并网运行时变化不大，因而可以简单地直接用发电机的电流信号作为电功率的信号。在发出快关控制信号（CIV）后，中压调节阀能在大约0.15秒内关闭，关闭持续时间的长短是根据电网稳定性需要和消除故障所需的时间等要求来确定的。中压调节阀快关之后，低压联通管上的压力立即降低，但这不能作为快关恢复的条件，因为电力系统故障消除的时间往往大于蒸汽压力降低所需要的时间，若此时便将中压调节阀重新开启，仍会出现汽轮机功率过大，没有达到快关的目的，故一般在快关控制动作后，不是根据代表汽轮机功率的压力信号变小到一定数值这一条件，而是根据电力系统的需要，规定一延迟时间（0.3~1S）后再开启进汽阀。快关信号结束后，负荷的恢复是立即完成的，这在第四章介绍油系统的快开电磁阀时已作说明。实际上从转子的冲击扭矩和输出功率有较大波动的观点出发，缓慢地恢复出力较好，西屋公司资料中没有提到从复位信号发出后到中压调门全开所需要的时间，这实际上取决于快开电磁阀后节流件的孔径大小(参见图5-12)。三、快关控制(CIV)逻辑在了解了快关中压调节阀的意义和过程之后，现在来分析其逻辑的实现，为了简便起见，把CIV逻辑分解成使能逻辑和触发逻辑两部分来分析。在了解了快关中压调节阀的意义和过程之后，现在来分析其逻辑的实现，为了简便起见，把CIV逻辑分解成使能逻辑和触发逻辑两部分来分析。CIV使能逻辑(EIV-ENABLEFASTVALVING)EIV使能逻辑如图6-4所示，其中的RS触发器的等效逻辑(触发器为RESETOVERSET逻辑)是当置位端S=1，复位端R=0时，触发器输出有效。图6-4EIV使能逻辑阀快关使能的条件，为描述机组正常稳定运行这一状态特征，即:-机械功率与电功率相等（OPC压力二MW，S=1）；-中压调节阀未关，或理解为现在没有CIV正在发生（必须使R端不为1）;-提供的机械功率与电功率信号均可靠，其可靠性的判断是基于OPC压力变送器无高、低限故障（O〈中压缸排汽压力V125%），功率送变器无高、低故障（3%<MW<120%），考虑到机组未并网时无电功率信号，故电功率低限故障信号以断路器闭合为条件。从下面的逻辑中可以看到，EIV是OPC触发CIV的必要条件。但CIV触发器一经置位后，又将其反馈到EIV的R端，使EIV复位，即在CIV发生时EIV=0，OPC不可能再次触发CIV，但即使CIV复位以后，中压调节阀已经开启，如果系统未达互新的平衡（OPC压力二MW），EIV仍然无法置位，即CIV请求仍然被EIV=0封锁着，直至机械功率与电功率再次基本相等时，EIV才会置位，这说明部分甩负荷自动快关中压调节阀的功能在一定时间段只能执行一次，如果有必要可由运行人员揿外部CIV请求键，使IV关下，参见CIV触发逻辑的S端。CIV触发逻辑CIV触发逻辑如图6-5所示。前已提到CIV的宗旨就是考虑机组在甩部分负荷时，为维护电力系统的稳定而采取的措施，因此自然地采用汽轮机的机械功率(以OPC压力表征)与发电机的电功率(MW)的差值越限为触发条件，请求CIV动作，当然必须以压力与功率信号的可靠性为前提。使能信号EIV是触发CIV的另一必要条件。除了OPC根据机械功率与电功率的失配自动触发CIV以外，还留有一个外部触发CIV的接口，可由运行人员在控制台或由外部接点输入信号直接触发CIV，而无须计较变送器是否可靠及使能逻辑是否有效，可称之为强制CIV。CIV触发能否使其中标，也就是说能否实现中压调节阀的关闭，还取决于机组的状态。前面曾提到在现场接线端子上有一跨接器可以直接屏蔽掉CIV使之在任何情况下都不能动作，这完全由用户来决定。例如，利港电厂二期350MW机组就将CIV功能取消了。图6-5CIV触发逻辑此外，若汽机已跳闸，或者负荷下跌预测功能的复位信号（断路器、即主开关已断开7.5S且汽轮机转速降至103%以下）也会使CIV复位。发生CIV使中压调节阀关闭之后，如果发电机断路器仍然保持闭合（三相中至少两相闭合），这就证明确实是甩部分负荷的行为，由图中看到CIV置位的反馈信号经过0.5秒（0.3〜1秒可调）迟延之后，使RCIV信号置位，从而使CIV触发器复位。这一复位信号能保持10秒，它是通过自身十秒的延迟反馈到RCIV复位端而实现的，这意味着在CIV复位的头10秒钟内，无论是CIV使能后再次出现功率与负荷的不平衡，还是外部接点手动强关中压调节阀，都无法使CIV置位，即10秒之内不可再次关闭中压调节阀。快速重开中压调节阀是通过控制中压调节阀执行机构中的两只电磁阀20/CIV和20/FOIV来实现的（参见图5-18），RCIV的置位输出信号复位CIV触发器的同时，也使20/CIV电磁阀释放，同时使20/FOIV电磁阀通电（在判断发电机断路器未断开的条件下），高压油通过节流孔直接进到中压阀门的下腔室使之迅速开启。淮北二电厂快关逻辑作了简化，但总体功能没有变化。如图6-6所示，当下列任一信号存在时，将禁止快关IV功能。（1） MW变速器故障（2） 中压缸排汽压力测量故障（3） 汽轮机跳闸（4） 从端子排上，短接禁止快关功能在没有禁止快关的信号时，在主开关闭合的情况下，一旦发现中压缸排汽压力（对应汽轮机的机械功率）大于MW时，则触发IV快关，快关时间定为0.5秒，此后将释放快关电磁阀，IV将重新开启。也可以从外部触发快关功能。从现有逻辑看，没有控制快开电磁阀信号，所以对于淮北电厂DEH来说，没有其它电厂的DEH所具有的快开IV功能。通过一个10秒延时关断算法，可以保证10秒内不可能再次触发快关IV。图6-6淮北二电厂CIV逻辑四、快关中的几个问题1.快关时间西屋可供选择的快关持续时间为0.3〜1秒，典型值为0.5秒。实践证明，快关时间过短时，在第一振荡周期中仍会产生失步，起不到快关的效果，理想的持续时间是在第一次振荡时功率过剩的加速面积等于减速耗功的面积，即功角开始下降时所需要的时间，即图6-3中从51到65的时间最为理想，具体数值可稍大一些。但持续时间也不宜过长，否则会出现“过制动”，使功角在第二或第三振荡周期中出现最大的6值。一般地6取0.4〜0.6秒为宜，具体取值仍要根据电网的要求而定。2.轴向推力的影响对于大型中间再热机组，由于中间再热容积的滞后作用，加上高压缸占机组总功率的百分数只有25%左右，故快关只关高压调节阀作用不大，西屋选择的是只关中压调节阀，由于中间再热容积较大，关闭后压力升高较小，对高压缸的排汽压力和工作情况影响较小。但对轴向推力影响较大。在中压调门关闭之后，中压缸的轴向推力可认为很快下降到零。而高压缸的排汽压力（中间再热容积内压力）升高较慢，对高压缸轴向推力影响较小，可认为高压缸的推力不变。在正常情况下高压转子的轴向推力方向一般与整个转子的不平衡轴向推力方向相反，在失去中压缸的平衡推力之后，转子向高压缸侧串动，将整个高压缸的轴向推力加到推力瓦块的非工作面上，这个力可能比正常运行时推力瓦块的工作面上承受的力还要大得多，因为正常运行时两缸的推力方向相反，推力轴承只需承受两缸推力之差。加上转子移动的量超过推力轴承内的轴向串动间隙，使非工作面瓦块突然受到一个冲击载荷，容易造成烧瓦的事故，尤其是在发生CIV之前机组原有负荷比较高的情况，问题更加突出。汽轮发电机转子的的扭振问题在汽轮机进行快关控制时，负载突变，使汽轮发电机转子和联轴节螺栓都受到一个很大的冲击扭矩，引起很大的应力。另外，在汽轮机快关时，发电机输出功率总有些振荡，若此功率振荡的周期与转子的扭振频率相近或合拍，则会引起转子的扭振共振，使转子损坏。即使在电功率的振荡频率不与扭振频率合拍，若转子扭振频率与工作频率相近时，冲击负荷也会引起转子扭振，使应力增大。这些都是在采用快关控制时应该考虑的问题。第三节负荷下跌预测功能负荷下跌预测（LOADDROPANTICIPATOR-LDA）功能是在机组甩掉全负荷时预防汽轮发电机超速的电超速保护功能。当机组原来稳定运行时中压缸排汽压力（即Crossover压力，又称为OPC压力）高于额定值的30%（数据可调整），除非压力传感器出现低限故障，若发电机主断路器一旦断开，即说明发电机甩全负荷，LDA立即置位，请求OPC动作（功能在下节介绍），快速关闭高中压调节阀，在实际转速尚未升高的情况下，提早地采取预防措施，避免超速行为发生。此时［^日控制器由负荷控制转为速度控制，而且速度参考值自动地设定为额定转速。当主断路器跳开7.5秒钟（1〜10秒可调），且机组的转速已回到103%额定转速以下时，LDA复位，机组转速由高压调节阀来控制。复位信号也可由断路器闭合或汽轮机跳闸来完成，见图6-7。图6-7负荷下跌预测功能(LDA)从本质上看，负荷下跌预测功能也是通过超速保护控制器，快速泄掉OPC母管中的高压油，导致高中压调节阀失去动力油而关闭的。泄油通道参见图5-12的20/OPC电磁阀。LDA的目的一是为了防止超速，其二也是希望在断路器跳开后机组能够快速重新并网，故在转速下跌至接近额定转速时(V103%)，LDA复位，20/OPC电磁阀断电使OPC油压重新建立起来，IV阀重新开打，对于BPOFF方式，则全开胸，对于BPON方式，其开度为在启动时进行阀切换时IV阀的记忆开度，而高压调节汽阀则由于DEH转速调节回路的投入，在转速偏差的作用下保持关闭状态，直至汽轮机转速下降至额定转速，调节阀开启控制转速。由此看来，LDA的恢复时间也不宜过长，否则，转速下跌至低于额定转速之后再复位，在正的转速偏差的作用下汽轮机又会产生加速度，可能引起二次超速，而且也拖延了并网的时间。第四节超速保护控制功能(OPC)超速控制功能逻辑图如图6-8所示，共有三种信号能够引发超速保护信号动作，释放两只电磁阀。一是负荷下跌预测逻辑的置位信号LDA，二是OPC的试验信号，三是机组转速超过103%的超速信号。图6-8 超速保护控制逻辑关于LDA触发OPC,动作的过程上一节已做了讨论，现在来看其它两个信号。OPC试验信号来自于上一章介绍的手动盘上的OPC钥匙开关，在机组处于转速控制阶段，将手动盘上的OPC钥匙开关置于试验(OPCTEST)位置时，两只电磁阀20-1/OPC和20-2/OPC应立即释放，从而泄掉OPC油压而使高中压调节汽阀迅速关闭。这个试验只能在转速控制阶段进行，用来检验OPC控制器动作时是否能真正地激励OPC电磁阀，一旦发电机断路器闭合之后，这个试验即被禁止。试验结束时将OPC钥匙开关置于正常(NORMAL)位置时，高中压调节汽阀就会重新缓慢开启。OPC母管的失压并不会影响到机组的紧急停机系统的安全油压——AST油压，因而机组仍然处于挂闸状态。第三种触发OPC的逻辑是，无论机组是处于速度控制阶段还是负荷控制阶段，只要检测到转速超过103%的额定转速，而OPC功能没有被闭锁，即刻触发OPC请求，泄掉OPC油压而使高压调门和中压调门迅速关闭。这显然是一种在机组已经