摘要:超速保护控制(OPC)是核电厂汽轮机数字电液控制系统(DEH)中的重要组成。他的主要功能是限制外电网故障对汽轮机的影响,在汽轮机转速达到103%时,发出OPC动作信号,暂时关闭调阀和再热调阀,防止汽轮机进一步超速。在这个过程中OPC动作响应时间的控制对于限制汽轮机的实际超速幅度格外重要,目前一般的计算方法有两种,第一:信号切换法;第二:信号插值法,都有各自的缺点。本文提出一种新的设想,为OPC动作响应时间的计算和改进提出新的思路。
1、汽轮机数字电液控制系统(DEH)中设置OPC的必要性和基本原理
当电厂的超高压断路器由于外电网的某些故障跳闸后,发电机负荷骤减至厂用电负荷,由于核电厂汽轮机一般不进行调峰,因此设计上主调节阀“惰性较大”,汽轮机在故障初期很短的一段时间内负荷水平基本不变,导致汽轮机与发电机负荷严重不平衡,汽轮机转子的动力远远超出所受阻力,转子转速必然会急剧上升。因此在汽轮机甩负荷时,OPC必须立即动作,关闭主调门以减小汽轮机转速的超调量。
核电厂汽轮机调节阀油动机通常采用电液转换器四通滑阀控制。机组在发生甩负荷故障时,由于滑阀流量有限,导致关闭时间较长,不能满足安全要求。因此油动机中配置了大流量溢油阀,当OPC电磁阀带电卸掉OPC油压时,溢油阀打开,使调节阀在短时间内迅速关闭。故障消除后,OPC油压重新建立,溢油阀关闭,四通滑阀重新控制油动机。
图1调节阀油动机原理图
2、OPC“响应时间”的传统测试方法与新方案
汽轮机转子转速越高离心应力越大,由于材料强度的限制,汽轮机厂家通常只保证机组转速在120%(3600r/min)以下的安全性,因此国际标准规定汽轮机超速跳机动作值为110~112%(3300~3360r/min),在此之前,为了保证汽轮机的稳定运行,核电厂设置了汽轮机超速保护功能(OPC),它的主要作用是当汽轮机甩负荷时(通常是由于电网故障),发出OPC信号使EH油回路中的OPC电磁阀带电开启,卸去OPC母管中的油压,使调节阀和再热调节阀快速关闭,OPC信号消失后,调节阀和再热调节阀重新开启,从而防止汽轮机超速跳机,使汽轮机能够在发生瞬态工况时过渡到稳态运行。经过研究,汽轮机组在甩厂用电,超高压断路器断开后,OPC经过多次反复动作,形成的汽轮机的实际飞升曲线如下图2所示。
图2转速飞升曲线
目前核电厂汽轮机数字电液控制系统中(DEH),OPC的主要动作方式是汽轮机超过103%的额定转速(当然还有CIV、失负荷预测以及手动触发等方式,本文不做重点讨论),由此产生OPC动作“响应时间”,无论是采取“信号切换法”,还是采用“信号插值法”测量,都存在一定的缺点,对于汽轮机实际超速计算和控制产生一定的不利影响,两种方式具体介绍如下。
信号切换计算法:
该方法有两路信号输入滤波器,一路为转速切换开关信号(由3000rpm切换到3090rpm的开关信号),另一路为OPC动作信号。当汽轮机转速达到或超过3090rpm时,切换开关给出动作信号,在示波器上观察到的开关动作到OPC继电器动作的时间间隔就是OPC动作响应时间。
此方法的优点是两个动作点在示波器上非常清晰,响应时间计算比较准确。但缺点在于:每个信号发生器输出1路模拟量信号(共两路),同时涉及切换开关信号的获取和传输,仪控回路以及电气接线都比较复杂;另外,开关切换过程有可能导致系统接收到无效信号,同时可能产生干扰而影响测试结果的准确性。
信号差值计算法:
同时将汽轮机转速信号以及OPC信号接入示波器。当由于机组甩负荷等原因导致转速信号频率增加3%时(即汽轮机转速从3000rpm到3090rpm),从示波器中确定频率变化点(t1时刻)和OPC继电器动作点(t2时刻),△t=t2-t1即为OPC动作响应时间,滤波器图形具体如下:
图3
此方法的优点是接线简单,信号也不复杂,且OPC继电器动作信号在示波器上清晰。但由于信号发生器将频率信号由3000rpm增加到3090rpm时,在示波器上很难确定清晰的频率变化点,即上图中的t1时刻,因而OPC动作响应时间的计算存在较大误差。以上2种方法在实际操作过程中都有不同的问题。
本文提出了一种测量OPC动作响应时间的新思路供参考,希望能得出响应时间的可靠信息并将响应时间尽量缩短,以实现控制汽轮机甩负荷情况下的超调现象。此方法主要是利用“汽轮机转子加速度”计算OPC动作定值,以达到提前响应,提前控制的目的,减少图2中汽轮机转速的发散幅度和时间,提高汽轮机组在故障情况下的运行可靠性,具体思路如下:
首先通过设计院外委或模拟机测试的方式计算得出,机组在各个不同功率平台甩负荷时汽轮机最初时刻的极限加速度,以此作为OPC动作整定值。然后,汽轮机测速系统以一定时间间隔(△t)不间断采样转速信号,设前后两次采样速度分别为s1和s2,实际测得加速度为(s2-s1)/△t,然后DEH系统自动读取当前负荷确定的OPC动作加速度整定值,实际加速度超过整定值即判断汽轮机开始甩负荷,以此来向OPC继电器发出动作信号,由于△t可以达到ms级别甚至更高的精度,因此以此方法应该可以大大缩短OPC动作的“响应时间”,使OPC在需要的情况下快速动作。
3、结论
OPC动作逻辑中如果采用本文中的“响应时间”测量、计算方法,可以大大缩短OPC的整体动作时间,该方案只受取样时间△t的限值,测速系统能够获取的△t越小,响应时间就越短,动作就越快,越有利于汽轮机稳定运行,减少转速发散;同时为OPC动作提供了一种新的触发手段或者说是触发逻辑,为后续OPC改进提供了一些思考空间。
参考文献:
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