功率负荷不平衡保护的探讨

李仕

[摘 要] 本文对抚州电厂机组设备情况进行简单概述，详细说明了抚州电厂功率—负荷不平衡保护设计原理及逻辑框图。介绍了汽轮机超速保护动作条件。 提出了原设计PLU保护存在的隐患，同时给出优化思路.希望对抑制电网振动、防止保护误动及保障汽轮机设备安全提供一定借鉴意义。

[关键词] PLU 逻辑 OPC 优化思路

1、机组概述

江西大唐国际抚州发电厂为两台1000MW超超临界燃煤汽轮发电机组，三大主机均采用东方电气集团公司的产品。锅炉型号为DG3060/27.46-Ⅱ型锅炉，该锅炉为超超临界参数、直流炉、单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、前后墙对冲燃烧方式，Π型锅炉。发电机采用型号为QFSN-1000-2-27的水氢氢冷却汽轮发电机，自并励静止励磁，冷却方式采用水—氢—氢冷却。汽轮机型号为N1000/26.25/600/600，超超临界，一次中间再热、单轴、四缸四排汽、凝汽式汽轮机。机组控制系统由分散控制系统（DCS）和子控制系统构成。DCS是由ABB公司提供的控制系统，除重要保护和重要设备的控制系统（如DEH、MEH、METS、FSSS等）及不具备现场总线接口的设备采用硬接线的方式外，其余的控制系统采用现场总线技术实现数字化电厂控制方案。

2、功率—负荷不平衡保护设计原理及逻辑框图

针对大型发电汽轮机甩负荷时的超速风险，特别是运行机组甩部分负荷工况，即机组与电网联络的“发电机并网”信号正常，但机组由于外部线路故障、电网故障或者其它原因导致机组实际送出功率瞬间大幅度下降时，此时汽轮机存在极大超速风险。针对此工况，汽轮机DEH控制系统中一般设置功率—负荷不平衡保护, 以避免汽轮机超速，从而保护汽轮机及电网安全运行。

1. 设计原理：功率—负荷不平衡（PLU）保护动作条件

中压缸进汽压力/额定中压缸进汽压力（4.7MPa）-实际负荷/额定负荷（1000MW）>30%。汽轮机功率用中压缸第一级入口蒸汽压力来表征，输入信号为4～20mA ,三个测点独立取样；发电机功率信号由电气CT/PT的三相电流/电压经三块功率变送器计算后提供给TP800汽轮机保护模件。ABB公司提供的三块汽轮机TP800汽轮机专用保护模件， 每块卡件分别接受一个中压缸第一级入口蒸汽压力测点和一个发电机功率信号，该保护采用三取二配置， 当任何一块卡件故障或者任何一个信号故障保护均不会动作。

2. 保护逻辑框图

功率-负荷不平衡（PLU） 保护逻辑程序固化在TP800汽轮机保护模件汇总，该程序设计时根据逻辑配置对应的输入通道，具体逻辑框图如下图.

3. 动作过程

当TP800汽轮机保护系统检测到功率-负荷不平衡发生时，PLU保护在15ms内动作，快速关闭高，中压调节阀2秒。2秒后，PLU动作结束，伺服调节系统根据保护动作前指令或者运行人员指令控制机组负荷。

3、防超速功能逻辑设置

(1) OPC DEH系统采集汽轮机转速信号，经三取中选择，在不存在OPC禁止条件（超速试验时通过OPC禁止条件来屏蔽103%超速）下，汽轮机转速大于3090r/min时OPC动作，汽轮机所有调门CV、ICV关闭；当汽机转速小于3060r/min后，OPC信号消失，CV和ICV调门重新开启。

(2) DEH电超速、ETS电超速与ETS后备超速。DEH超速和ETS超速分别设置有各自的测量保护回路，在汽轮机前箱内设置有3个磁阻转速探头送往DEH系统进行三取二逻辑判断，同时在汽轮机前箱内设置有3个电涡流转速探头送往ETS系统进行三取二逻辑判断。当汽轮机转速达到110%额定转速时，DEH系统确定汽机110%超速后，便会发出DEH超速信号送往ETS系统，ETS发跳机信号；若ETS确定汽轮机110%超速，则直接发跳机信号。两者只要有一个达到保护动作值都会使汽轮机跳闸，增加了保护的可靠性。此外， 为防止110%保护失灵， 设置了机械超速保护， 即当汽机转速达到机械超速定值后，直接泄安全油压使汽轮机跳闸。

(3) 负荷下跌预测。机组脱网瞬间（3S脉冲），如果中压缸进汽压力测点故障或通过中压缸进汽压力判断汽轮机机械功率大于15%，则通过脉冲块输出OPC动作信号，从而输出负荷下跌预测信号（LDA）。同时，负荷下跌预测作为OPC动作的一部分，构成OPC动作输出指令。

(4) 功率—负荷不平衡（PLU）。中压缸进汽压力/额定中压缸进汽压力（4.7MPa）-实际负荷/额定负荷（1000MW）>30%, PLU保护在15ms内动作，快速关闭高，中压调节阀2秒。2秒后，PLU动作结束，伺服调节系统根据保护动作前指令或者运行人员指令控制机组负荷。

4、存在问题

(1)很多机组3个功率变送器为直流电源变送器，3个变送器电源分别取自110VDC直流母线A、B段，一种一路带一个变送器、一路带两个变送器。有的甚至3个变送器电源取自同一母线。这样一路电源失电或者认为误操作导致其中2个功率变送器失电，功率瞬间变为零，触发PLU动作,高中压调门快速关闭；2秒后PLU动作结束，高中压调门开启。由于其中2个功率一致未为零，导致PLU反复动作，高中压调门反复开关。这样情况对机组主蒸汽压力、主蒸汽温度影响很大，同时会导致电网频率大幅度波动。抚州电厂基于PLU反复误动，对电网冲击大以及机组自身设备损害，将PLU动作结果由之前关闭高中压调节阀改为跳闸汽轮机。这样并没 有从根本上解决问题，一旦功率信号问题，会导致汽机主保护误动。

（2）电气侧功率信号送到汽机DEH侧TP800保护卡距离较远。另外电气侧要求信号电缆屏蔽需两端接地，而热工侧DCS要求信号电缆屏蔽线单端接地。由于功率信号屏蔽不合格导致功率信号大幅波动，会使PLU保护误动。

5 逻辑优化思路

1. 取消功率-负荷不平衡保护 PLU 保护设置初衷是为了防止机组甩负荷时，汽轮机发生超速。目前抚州电厂两台机组汽轮机拥有几套相互独立超速保护系统，超速保护功能比较可靠。目前超速保护有转速达到3090RRPM OPC动作软回路和硬回路 、DEH电超速软回路和硬回路跳机、ETS电超速跳机和负荷下跌预测关调门等保护，可以有效防止机组甩负荷时汽轮机超速。因此可以考虑取消PLU保护或者PLU动作仅快关中压调门，动态减小汽轮机输出功率而不使汽轮机跳闸，以避免一些临界特殊工况下保护误动。

2. 增加判断条件，防止保护误动。根据目前ＰＬＵ保护设计的现状，结合同类机组的防超速保护设计情况，从可靠性出发，保留ＰＬＵ 保护，但增加其触发判断条件：一是增加功率负荷微分判断条件；二是增加转速高判断条件。由于负荷微分时间及动作定值均需要进行多次试验来最终确定，相较而言增加转速判断条件更加安全可靠，但需要注意的是，转速高值应足够合理且应在１０３％额定转速 ＯＰＣ动作之前。

3. 功率负荷不平衡动作由快关高压调门和中压调门改为直接跳机。 功率测点功率变送器因为电源等原因容易出现故障，导致PLU误动。很多电厂3个功率变送器电源分别取自两路110VDC电源段，不可避免一种一段直流电源带一个功率变送器，另一段直流电源带两路功率变送器。如果其中两个变送器电源失去导致调门快关,2s后恢复，由于变送器失电会导致PLU反复动作，调门反复开关，负荷波动大，对电网频率影响大，严重影响电网安全运行。

4. 功率负荷不平衡动作由快关高压调门和中压调门改为软回路加转速闭锁信号跳机，取消硬回路保护。为防止功率信号测量故障， PLU误动,在PLU软回路增加转速高于一定值直接跳闸汽轮机。 目前抚州电厂采用此方案

6. 结束语

汽轮机功率负荷不平衡保护 是ETS系统的一项重要保护，也是DEH系统防止超速控制的一部分。 它的设计原理比较简单，往往被热工和运行人员忽视，对其不太了解。本人介绍抚州电厂PLU的设计原理，逻辑框图及动作过程, 同时分析原设计存在的安全隐患，并对提出优化的方案提出个人意见。 对同行就PLU保护防止误动、防止事故扩大，保证汽轮机安全提供一定借鉴意义。希望能够真正发挥其防止电网事故，避免特殊工况下引起不必要的动作。

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