措施 | 抑制汽轮机甩负荷时动态超速的措施

一、抑制汽轮机甩负荷时的动态超速的措施

由于汽轮机对象特性（转子时间常数过小，蒸汽容积时间常数过大），极易在发电机甩负荷时造成转子过大的动态超速，除了提高进汽阀门关闭速度外，还必须在阀门配置以及控制系统设计中采取必要的措施，抑制其过大的超速，造成对机组的伤害。常用的措施有以下5条：

1、对中间再热机组，在中压缸前设置再热主汽门与再热调节阀。

2、用转速的加速度信号超前关闭调节阀。

3、用汽轮机负荷和发电机功率不平衡作为前馈信号，超前关闭调节阀。

4、采用OPC超速保护控制功能。

5．用汽轮机和发电机负荷不平衡信号快速降低负荷设定值。

二、 中间再热机组中压缸前设置再热主汽门与再热调节阀

对中间再热机组，在中压缸前和高压缸一样设置主汽门与调节阀。在停机时，控制高中压缸前的主汽门同时关闭；在甩负荷时高中压缸前的调节阀同时接受控制系统信号快速关闭，将中间再热器及其管道内积聚的蒸汽阻隔在汽轮机通流部分之外，防止这些蒸汽无阻拦地进入中低压缸膨胀作功，引起汽轮机的额外超速。

在正常运行时，中压调节阀与高压调节阀一样，同时受控于控制系统。为避免中压调节阀处于非全开时带来不必要的节流损失。常用的方法是将高中压调节阀按一定比例开启，在高压调节阀开度大于相当于30%负荷，二级旁路关闭时，中压调节阀处于全开状态，只有在高压调节阀开度小于30%负荷时，中压调节阀才随高压调节阀同时关小。图1是典型的高中压调节阀开度控制的关系曲线：

图1  高中压调节阀开度控制的关系曲线

三、利用转速的加速度信号超前关闭调节阀：

在以转速作为唯一控制信号的调节系统中，甩负荷时，调节汽阀关闭信号源自于汽轮机转速的升高。要想关闭进汽调节阀，必须要使转速升高才能达到目的。因此，用转速的升高来抑制过大的超速显然得不到理想的效果。

由于汽轮机的角加速度和不平衡力矩成正比，在甩负荷开始的瞬间，不平衡力矩最大，相应汽机转子的加速度也最大。如果采用转子的加速度信号，来关闭调节汽阀，则在甩负荷的瞬间就能获得关闭调节汽阀的最大信号。这一超前于转速升高的加速度控制将能获得有效抑制动态超速的效果。

在液压控制系统中通常设置有一个加速器或微分器，当代表汽机转速的油压信号变化速度超过一定量时，加大控制油口的泄油量，使油动机的控制油压快速卸压，加快调节汽阀关闭速度。

   图2是带高速弹性调速器的液压调节系统中常用的微分器。其动作原理是：当汽轮机转速增加时，分配滑阀的排油量也增加，主滑阀1下移，打开油口a，随动滑阀2将由于油腔A油压降低，跟随主滑阀下移，重新关闭油口a。如转速增加很快，随动滑阀来不及跟随主滑阀下移，油口g超过重迭度Δ而打开，造成从动滑阀3因其上部腔室B的油压下降而上移，控制油口h开启，使油动机控制油压获得这一超前的附加信号而卸压，加快关闭调节阀。

图2  微分器

在模拟电子控制系统中，把比例调节器改为（比例+微分）调节器，也能获得转速微分的单向输出，超前关闭调节阀。但微分的加入有时会影响系统的稳定性。

在数字控制系统中，由于采样及运算有时间延时，得不到正确的加速度计算值，抑制汽轮机动态的超速一般不采用这种方式，大都采用功率不平衡的前馈信号，以开关控制方式，实现超速控制。

四、利用汽轮机负荷和发电机功率不平衡作为前馈信号，超前关闭调节阀：

既然转子加速度是由汽轮机和发电机功率不平衡引起的，那么是否可以用不平衡信号直接去超前控制调节阀的关闭呢？。

在液压控制系统中采用的“电超速保护装置”，就是一种有效抑制汽轮机动态超速的设备。在实际使用中获得了理想的效果。

这种装置的功率不平衡信号，主要取自于代表汽轮机负荷的调节级压力（对纯凝汽式汽轮机）或中压调节汽阀后压力（对中间再热汽轮机）和代表发电机有功功率的发电机输出电流。汽轮发电机组处于平衡状态运行时汽轮机负荷和发电机有功功率是相等的，只有在电力系统发生故障时，发电机功率瞬间变小，控制系统还来不及改变汽轮机出力时，才会造成汽轮机负荷和发电机功率极大的不平衡。

图3是曾经在液压控制系统中使用过的“电超速保护装置”控制原理简图：

1975年在国产125MW再热机组的甩全负荷考核试验中使用该“电超速保护装置”，达到理想的效果。在系统设置的不等率δ＝5%，实测转子时间常数T_a＝8s；中间再热容积时间常数T_ρ2 =8s；高中压油动机时间常数T_S＝0.4s的情况下，最终实测的最大飞升转速为3270转/分，控制在合格范围内。

图3  电超速保护装置

以中压调节汽阀后压力作为汽轮机输出功率，用压力开关检测该点的压力，在达到≥60%额定负荷的相应压力时，压力开关带动的中间继电器1ZJ接点闭合；在发电机输出电流≤25%额定电流时，调整检测该电流的电流继电器，使其中间继电器2ZJ接点闭合。将1ZJ接点和2ZJ接点串联连接，去控制电超速保护装置的电磁阀ZM。只有在二个接点都处于闭合状态，表明汽轮机负荷（≥60%）与发电机功率（≤25%）出现不平衡时，电磁阀ZM才通电，卸去控制高中压油动机快速关闭的控制油压，高中压进汽调节阀快速关闭。在确认发电机主开关已跳闸后，中间继电器3ZJ闭合，经延时继电器1SJ一段时间的延时（2.5~4s）并在转速返回到相应3150转/分时，切断电磁阀通电，使控制系统恢复对调节汽阀的控制。

五、采用OPC超速保护控制功能：

  OPC超速保护控制是数字电液控制系统的功能之一，由负荷预测（LDA）、103%超速保护（103%OPC）及中压调节阀快关（CIV）三部分组成。其中CIV功能因涉及到电力系统负荷不平衡的问题，原则上不属于抑制汽轮机动态超速的措施。

  图4  OPC超速保护控制的原理图

在汽轮机大于30%额定负荷时，如发电机主开关跳闸，将启用负荷预测（LDA）功能，使OPC电磁阀激磁动作，快速关闭高中压调节阀。这一汽轮发电机组负荷不平衡信号，超前于转速飞升，将有效抑制汽轮机动态超速。在延时3~7.5秒且在转速小于额定转速的103%时，高中压调节阀再恢复由控制系统再度控制汽机转速。如果此时转速再次飞升到103%，则103%超速保护功能将被启用，使OPC电磁阀再次激磁动作，快关高中压调节阀，如此反复，直至汽轮机转速被控制在103%以下。OPC电磁阀动作的次数决定于汽机通流部分中残留蒸汽的作功能力。对不带二级旁路的系统或二级旁路系统此时仍未投用，在数字电液控制系统中，有时设置中压调节汽阀在负荷预测功能结束后，再次开启到全开状态，意在尽快将锅炉再热器内的余汽通过中低压缸排入凝汽器，这样的设置会使OPC动作的次数增加。对二级旁路系统已经投用，则设置中压调节汽阀再次开启在由控制系统控制的状态，让再热器内的余汽消耗在维持汽轮机空转上，OPC动作的次数将会明显减少，这样的设置有利于系统的稳定和EH供油系统的负担的减轻。

六、利用汽轮机和发电机功率不平衡信号快速减小负荷设定值：

由汽轮机调节原理可知，并网运行的汽轮机，带一定负荷，其调节汽阀的开度决定于负荷设定值的大小。额定负荷运行的机组，一旦发电机主开关跳闸，甩全负荷时，汽轮机调节汽阀的关闭信号是通过转速升高获得的，也就是说转速升高了一个δ数值抵消了负荷设定值，才使调节汽阀关闭到空负荷位置。如果在发电机主开关跳闸的同时，将负荷设定值快速降到零，则无须转速升高一个δ，就能使调节阀快速关闭。因此在汽轮机负荷和发电机功率发生不平衡时，迅速将负荷设定值降到零，也不乏是一种抑制汽轮机动态超速有效方法。

图5是甩负荷时，负荷设定值降和不降的动态过程比较，曲线1：不降负荷设定值，曲线2：降低负荷设定值。

图5  负荷设定值降和不降的对动态过程的影响

   从静态特性线图上看也可以证明： a是汽机原来的工作点，处在设定值为额定负的静态特性线1 上，此时转速为3000转/分。甩全负荷后，负荷为零，工作点将转移到静态特性线1的b，最终的静态转速将上升一个δ。如果在甩负荷同时将负荷设定值降到0，静态特性线平移到2 ，汽机的工作点将转移到c，最终的静态转速仍为3000转/分，转速不需要升高就能到达工作点c。见图6

   图6  从静态特性线图上看负荷设定值的影响

对电液控制系统中，这一措施已在控制策略中体现：在发电机主开关跳闸的同时，负荷控制回路自动切换到无负荷设定值的转速控制回路，无形中已把负荷设定值置于零位。

来源：上汽自控中心