火電機組OPC超速保護動作特性分析
發布時間：2011-09-30 共1頁
火電機組超速保護系統(Over speed Protect Controller 簡稱OPC)是一種抑制發電機組超速的保護控制，其作用是在汽輪機出現超速時，關閉所有調節汽門，防止汽輪機轉速進一步升高。它取代了傳統液壓調節系統的微分器，對發電機跳閘、甩負荷、103%額定轉速限制更精確可靠。OPC主要功能是：當汽輪機轉速達到3 090 r/min(額定轉速的103%)時關閉所有調節汽門，汽輪機轉速恢復至3 000 r/min后，重新開啟調節汽門維持汽輪機轉速在3 000 r/min；發電機跳閘后快速關閉所有調節汽門，汽輪機轉速恢復至3 000 r/min后，重新開啟調節汽門維持汽輪機轉速在3 000 r/min。盡管OPC對抑制汽輪機超速起到了預防作用，但是其控制特性，不能適應電網不同形態故障對機組的影響。昆明發電廠2004-02-24發生的1，2號機OPC動作，暴露出機組OPC控制的動作特性與電網故障配合還存在一定問題，這些問題不利于電網和機組的安全。
1 概 況
昆明發電廠現裝有2×100 MW燃煤機組，無中間再熱，兩臺機汽輪機調節系統現已改造為電液數字調節系統(DEH)。該電廠位于云南省電網負荷中心，升壓站為110 kV雙母線帶旁路母線。2004-02-24，由于昆明發電廠并網點(變電站)發生故障與系統斷開，造成昆明發電廠兩臺機OPC動作。當日雙母線并列運行，通過聯絡線普普I、II回(昆明發電廠-普吉變)與系統連接。兩機共帶有功負荷190 MW，聯絡線輸送功率為 140 MW，供近區負荷為40 MW，廠用負荷10 MW。
2 故障現象
13:30，由于昆明發電廠并網對側的220 kV普吉變電站變壓器故障，造成昆明發電廠2臺機組、普吉變110 kV系統及所供近郊負荷與系統解列成一孤立系統，發電機組頻率迅速上升至52.7 Hz,汽輪機轉速最高升至3 160 r/min，昆明發電廠兩臺機OPC同時動作，調速汽門關閉，當兩機轉速降至3 000 r/min以下時，調速汽門又同時開啟，反復數次，兩臺機進入不穩定反復“功率振蕩”狀態。持續15 min，振蕩難以平息，直到將該片區所供電負荷全部切除，機組才恢復穩定正常狀態。
3 OPC動作行為分析
在轉速未出現故障、未進行機械、電氣超速試驗時，只要轉速大于3 090 r/min，OPC出口動作，關閉所有調節汽門，當轉速降至3 000 r/min以下時，調節汽門重新開啟，進入轉速自動調節控制。
在系統出現故障的瞬間，發電機功率突升。由于故障點切除時間長，造成電網頻率下降，保護越級跳閘，使電廠對側變電站110 kV與220 kV聯絡變跳閘，故障點切除后，部分負荷甩開，由于汽輪機慣性，造成轉速上升，上升至3 160 r/min，OPC啟動快速關閉調速汽門。調速汽門關閉后，轉速開始下降，當轉速降到2 950 r/min時，調速汽門開始開啟，轉速上升。由于調速系統的遲緩率及汽輪機組汽缸熱容的存在，調速汽門開至預定閥位時， 轉速滯后，轉速自動調節出現超調，上升至3 160 r/min，轉速超過3 090 r/min時OPC又動作。由于發電機所拖動的有功功率大，造成在OPC動作調節汽門關閉后，轉速出現加速下降，所以在調速汽門重新開啟后又造成調速汽門開啟速率增大出現超調。在此過程中，DEH處于自動狀態，人員手動無法干預，出現反復“振蕩”過程，無法穩定轉速。斷開聯絡線甩開部分拖動負荷后，轉速、功率來回振幅減小，再切除部分拖動負荷后，轉速、頻率趨于穩定。
3.1 OPC對電網安全運行的影響
昆明發電廠兩臺機OPC動作后所引發的機組不穩定，反映出火電機組DEH中的超速限制OPC的整定，在一定條件下與電網穩定運行存在矛盾。云南電網現有19臺火電機組，共3 735 MW，機組均配置OPC。作為能源基地，云南電網在“西電東送”戰略中發揮著重要作用，在豐水期通過500 kV羅馬線外送1 700 MW，由于外送電力占省內負荷比例較大，一旦外送聯絡線跳閘，將造成云南電網頻率升高，盡管電網已采取了高周切機措施，但是電網頻率仍不可避免地出現短時間超過51.6 Hz，發電機組的轉速將隨電網頻率上升超過3 090 r/min。此時，如所有火電機組OPC動作，調速汽門同時關閉，整個電網同時失去幾百萬的電源，其后果是不堪設想的。電網有可能因此而瓦解，也有可能出現類似昆明發電廠“2.24”事故的振蕩現象，最終導致電網崩潰。
3.2 OPC與機組的安全運行
按照OPC的控制邏輯，發電機轉速決定機組調速汽門的開閉，當機組帶有部分地區負荷時，由于調速氣門開啟滯后，轉速超調將不可避免，造成機組大幅度的功率波動，長時間的功率波動將影響機組的安全性。
OPC動作所引起的“功率振蕩”與一般的振蕩不同：(1) 汽輪發電機組是在全部切斷汽源后又突然大量進汽，這樣將造成汽輪機各級動、靜葉級間前后壓差增大，各級葉片受到的沖擊應力較大，有可能造成葉片損壞；(2) OPC動作，汽輪機進汽全部切斷后，會造成承壓部件超壓，安全閥動作，鍋爐燃燒不穩定，鍋爐過熱器會出現蒸汽瞬間滯流，過熱器會發生超溫的危險工況。另外，由于OPC動作引起的轉速大幅度變化，有可能引起葉片的自激振動增大，汽輪機組支持軸承的油膜不穩定。（考試大注冊安全工程師）
4 解決措施及建議
昆明發電廠“2.24”事故的發生，應引起各方專家對火電機組超速限制OPC動作與電網穩定問題的高度重視。筆者認為，火電機組的OPC保護功能不能只考慮保機組設備安全，同時還要考慮電網安全，應將兩者結合統一考慮。
(1) 電網應考慮有效抑制電網頻率升高的技術措施，避免電力系統頻率升高影響火電機組的安全。
(2) 火電機組DEH中OPC的超速保護整定，應與電力系統安全穩定裝置合理配合，由調度部門統一管理，統一整定。
(3) 準確掌握各火電機組汽輪機轉子在額定負荷下允許轉速分布情況，調整OPC的動作定值。超速對OPC動作值全部限制為3 090 r/min,是否合理，值得探討。
(4) 根據各臺機組調速系統的速度變動率、遲緩率確定OPC動作時限。
(5) 為防止汽輪機調節汽門的調節出現超調或滯調，對DEH中的自動調頻需作進一步研究。
(6) 對OPC控制邏輯進一步研究，避免機組功率的反復擺動，影響機組安全。
1 概 況
昆明發電廠現裝有2×100 MW燃煤機組，無中間再熱，兩臺機汽輪機調節系統現已改造為電液數字調節系統(DEH)。該電廠位于云南省電網負荷中心，升壓站為110 kV雙母線帶旁路母線。2004-02-24，由于昆明發電廠并網點(變電站)發生故障與系統斷開，造成昆明發電廠兩臺機OPC動作。當日雙母線并列運行，通過聯絡線普普I、II回(昆明發電廠-普吉變)與系統連接。兩機共帶有功負荷190 MW，聯絡線輸送功率為 140 MW，供近區負荷為40 MW，廠用負荷10 MW。
2 故障現象
13:30，由于昆明發電廠并網對側的220 kV普吉變電站變壓器故障，造成昆明發電廠2臺機組、普吉變110 kV系統及所供近郊負荷與系統解列成一孤立系統，發電機組頻率迅速上升至52.7 Hz,汽輪機轉速最高升至3 160 r/min，昆明發電廠兩臺機OPC同時動作，調速汽門關閉，當兩機轉速降至3 000 r/min以下時，調速汽門又同時開啟，反復數次，兩臺機進入不穩定反復“功率振蕩”狀態。持續15 min，振蕩難以平息，直到將該片區所供電負荷全部切除，機組才恢復穩定正常狀態。
3 OPC動作行為分析
在轉速未出現故障、未進行機械、電氣超速試驗時，只要轉速大于3 090 r/min，OPC出口動作，關閉所有調節汽門，當轉速降至3 000 r/min以下時，調節汽門重新開啟，進入轉速自動調節控制。
在系統出現故障的瞬間，發電機功率突升。由于故障點切除時間長，造成電網頻率下降，保護越級跳閘，使電廠對側變電站110 kV與220 kV聯絡變跳閘，故障點切除后，部分負荷甩開，由于汽輪機慣性，造成轉速上升，上升至3 160 r/min，OPC啟動快速關閉調速汽門。調速汽門關閉后，轉速開始下降，當轉速降到2 950 r/min時，調速汽門開始開啟，轉速上升。由于調速系統的遲緩率及汽輪機組汽缸熱容的存在，調速汽門開至預定閥位時， 轉速滯后，轉速自動調節出現超調，上升至3 160 r/min，轉速超過3 090 r/min時OPC又動作。由于發電機所拖動的有功功率大，造成在OPC動作調節汽門關閉后，轉速出現加速下降，所以在調速汽門重新開啟后又造成調速汽門開啟速率增大出現超調。在此過程中，DEH處于自動狀態，人員手動無法干預，出現反復“振蕩”過程，無法穩定轉速。斷開聯絡線甩開部分拖動負荷后，轉速、功率來回振幅減小，再切除部分拖動負荷后，轉速、頻率趨于穩定。
3.1 OPC對電網安全運行的影響
昆明發電廠兩臺機OPC動作后所引發的機組不穩定，反映出火電機組DEH中的超速限制OPC的整定，在一定條件下與電網穩定運行存在矛盾。云南電網現有19臺火電機組，共3 735 MW，機組均配置OPC。作為能源基地，云南電網在“西電東送”戰略中發揮著重要作用，在豐水期通過500 kV羅馬線外送1 700 MW，由于外送電力占省內負荷比例較大，一旦外送聯絡線跳閘，將造成云南電網頻率升高，盡管電網已采取了高周切機措施，但是電網頻率仍不可避免地出現短時間超過51.6 Hz，發電機組的轉速將隨電網頻率上升超過3 090 r/min。此時，如所有火電機組OPC動作，調速汽門同時關閉，整個電網同時失去幾百萬的電源，其后果是不堪設想的。電網有可能因此而瓦解，也有可能出現類似昆明發電廠“2.24”事故的振蕩現象，最終導致電網崩潰。
3.2 OPC與機組的安全運行
按照OPC的控制邏輯，發電機轉速決定機組調速汽門的開閉，當機組帶有部分地區負荷時，由于調速氣門開啟滯后，轉速超調將不可避免，造成機組大幅度的功率波動，長時間的功率波動將影響機組的安全性。
OPC動作所引起的“功率振蕩”與一般的振蕩不同：(1) 汽輪發電機組是在全部切斷汽源后又突然大量進汽，這樣將造成汽輪機各級動、靜葉級間前后壓差增大，各級葉片受到的沖擊應力較大，有可能造成葉片損壞；(2) OPC動作，汽輪機進汽全部切斷后，會造成承壓部件超壓，安全閥動作，鍋爐燃燒不穩定，鍋爐過熱器會出現蒸汽瞬間滯流，過熱器會發生超溫的危險工況。另外，由于OPC動作引起的轉速大幅度變化，有可能引起葉片的自激振動增大，汽輪機組支持軸承的油膜不穩定。（考試大注冊安全工程師）
4 解決措施及建議
昆明發電廠“2.24”事故的發生，應引起各方專家對火電機組超速限制OPC動作與電網穩定問題的高度重視。筆者認為，火電機組的OPC保護功能不能只考慮保機組設備安全，同時還要考慮電網安全，應將兩者結合統一考慮。
(1) 電網應考慮有效抑制電網頻率升高的技術措施，避免電力系統頻率升高影響火電機組的安全。
(2) 火電機組DEH中OPC的超速保護整定，應與電力系統安全穩定裝置合理配合，由調度部門統一管理，統一整定。
(3) 準確掌握各火電機組汽輪機轉子在額定負荷下允許轉速分布情況，調整OPC的動作定值。超速對OPC動作值全部限制為3 090 r/min,是否合理，值得探討。
(4) 根據各臺機組調速系統的速度變動率、遲緩率確定OPC動作時限。
(5) 為防止汽輪機調節汽門的調節出現超調或滯調，對DEH中的自動調頻需作進一步研究。
(6) 對OPC控制邏輯進一步研究，避免機組功率的反復擺動，影響機組安全。
