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1000MW发电机启动并网过程问题分析及探讨

发表时间：2020/7/20 来源：《电力设备》2020年第8期作者：王程

[导读] 摘要：通过对某发电厂1000MW发电机启动过程中近年来的一些问题进行分析探讨，对机组控制系统中的相关逻辑设置的合理性进行论证，在保证安全的前提下，提出优化完善的解决思路，使机组的启动能够更加顺畅的进行。

        （国家能源集团谏壁发电厂）
        摘要：通过对某发电厂1000MW发电机启动过程中近年来的一些问题进行分析探讨，对机组控制系统中的相关逻辑设置的合理性进行论证，在保证安全的前提下，提出优化完善的解决思路，使机组的启动能够更加顺畅的进行。
        关键词：发电机；启动；逻辑优化；探讨
        0．引言
        发电机组的启动是一个繁锁的过程，为了简化运行人员的操作，减少操作强度，同时也相对降低机组的启动难度，在控制系统中，会根据机组启动过程中的要求设置一系列限制措施来帮助实现安全、可靠、快捷的启动。但是如果在一些特定问题发生时，控制系统中的限制逻辑的设置搭建未完全予以考虑到，反而会适得其反，对机组的顺利启动造成影响。
        1．主机SGC程控走步问题分析探讨
        1.1 机组启动方式介绍
        某发电厂1000MW汽轮机是由上汽厂引进德国西门子公司技术生产制造，DEH系统采用的也是德国西门子公司设计的SPPA-T3000控制系统。该系统的一个主要功能是汽轮机自动启动功能ATC（即主机SGC程控走步），它能够控制汽轮机从静止状态到汽轮机冲转、直至发电机并网发电，自动化程度相当高。
        主机SGC程控走步虽然在设计上能够做到自动启机至发电机并网，但是发电机并网操作毕竟是一项重大的电气操作，关系到发电机本身以及电网系统的安全，完全依靠自动控制进行并网操作，需要相关设备及自动装置的高度可靠性予以保证，有一定的风险性，所以该厂在实际应用时，DEH系统主机程控走步中关于发电机建压、并网的过程，并没有做到完全意义上的自动控制。
        DEH系统主机SGC程控走步中至电气（DCS）的 “DEH允许发电机同期并网”信号和“汽轮机转速＞2950 rpm”信号参与DCS逻辑组态。
        “汽轮机转速＞2950 rpm”参与励磁建压指令的逻辑组态，如图（1）所示：
        “DEH允许发电机同期并网”参与同期合发电机断路器指令的逻辑组态，如图（2）所示：

图（1） DCS系统励磁建压逻辑组态

        图（2） DCS系统同期合发电机断路器指令
        从图（1）、（2）中可看出，励磁系统建压和同期合发电机断路器还需要人为进行操作确认。
        主机SGC程控启动步序中关于上述信号的作用步序在第28步至第32步，如图（3）所示：
        各步序时发出指令如下：
        ◇程控步序第28步时，发出设定励磁系统选择自动指令，得到励磁系统在自动方式反馈后执行下一步；
        ◇程控步序第30步时，发出设定预选引用同期电压和设定励磁系统投入指令，得到励磁系统建压反馈后执行下一步；
        ◇程控步序第31步时，发出DEH允许发电机同期并网指令，得到发电机并网反馈后执行下步；
        ◇程控步序第32步时，发出设定预选退出同期电压指令。

        图（3） DEH系统主机程控走步中关于发电机建压、并网步序
        如上所述，虽然未能做到完全意义上的自动控制，但是发电机的建压、并网过程却仍然需要SGC程控步序的配合，所以在启动时必然牵涉到汽机和电气之间的相关指令互相作用、以及相关信号的互通配合，由此可看出，传统意义上的汽轮机启动冲转和发电机启动并网已不再是独立的专业行为。这些相关联信号的作用影响着发电机组启动并网的顺利进行。
        1.2 主机SGC程控走步问题
        在常规的电气并网操作中，机变及励磁系统转热备用操作在锅炉点火后、主机冲转前即可进行，但是在该厂1000MW机组上，这一常规操作习惯却因为主机SGC程控启动而被改变至主机冲转后进行，原因如下：
        从图（4）可看出，DEH主机SGC程控走步的允许启动条件中有一“EXCIT ALLOWED”信号（即“励磁允许”信号），此信号闭锁主机程控走步。该信号从DCS侧传送给DEH，在DCS侧为励磁系统的“EXCITATION READY”信号（即“励磁系统准备就绪”信号），在从DCS侧传递到DEH侧时进行了取非的逻辑。由此可看出，主机SGC程控走步的允许启动条件中的“EXCIT ALLOWED”信号，其真正含义为“励磁系统未准备就绪”。也即在主机冲转前，励磁系统不能投用。

        图（4）主机SGC程控走步允许条件中“励磁允许”信号的由来
        主机SGC程控走步的允许启动条件中加入这一闭锁条件，其目的是为了防止发电机在主机未冲转前即加励磁，造成机变系统发生因低频而过励的情况。低频过励将引起发电机、变压器铁芯饱和，使漏磁通增加以及在励磁电流中产生很多高次谐波分量，引起局部严重过热导致相关部件变形，周围绝缘介质老化。
        励磁系统的“EXCITATION READY”信号在励磁系统正常上电后，励磁调节器对整个励磁系统进行自检正常后发出。如果励磁系统转热备用操作按照常规操作习惯在锅炉点火后、主机冲转前进行，显然将会使主机SGC程控走步的允许启动条件不满足，致使主机启动冲转走步无法进行的情况发生。
        为了保证主机启动冲转的正常进行，电气作出了让步，更改了原有操作习惯，将励磁系统转热备用操作更改在主机冲转至3000rpm定速后再进行。这样的改变，从安全角度来讲，虽然改变了原有的电气操作习惯，但是对发电机启动操作并没有原则性的影响，顺应了机组自动顺控启动的逻辑组态要求。
        通过近几年该厂1000MW机组启动的实际情况来看，电气这一操作习惯的改变虽然保证了主机冲转的顺利进行，但是也随即带来两个潜在的不利因素：
        一是在机组跳闸后的极热态启动时，为了满足主机SGC程控走步的需要，必须要将励磁系统先停电，在并网前再重新上电，增加了人员的操作量。
        二是在主机冲转到3000rpm定速后再进行励磁系统送电操作，励磁系统上电到发电机并网的时间段与常规操作方式相比大幅度缩短；尤其是在汽机温/热态启动时，主机在3000rpm时的暖机时间相对更短。近几年来，随着励磁调节器使用年限的逐渐增加，设备的软硬件问题的发生日益突出和频繁，上电后往往因为软硬件原因，导致励磁调节器无法正常投用，必须进行故障查找并排除后，才能进行正常的并网操作，延误了机组启动。
        1.3 “EXCIT ALLOWED”信号取点的分析考虑
        1.3.1 取用新信号的考虑
        是否可以重新取用另一信号，既能防止低频过频的发生，又能按照原有操作习惯进行励磁系统转热备用操作？
        从主机SGC程控走步允许启动的“EXCIT ALLOWED”信号这一闭锁条件的来源以及意义上分析会发现，为了防止低频过励的情况，这一条件的信号来源过于苛刻严谨，原因如下，从图（4）可看出，其以励磁系统上电后“励磁系统准备就绪”为条件（也即无闭锁启励和外部跳闸），虽然“准备就绪”意味着励磁调节器灭磁开关允许合闸以及励磁建压指令的开放，但是这两个操作仍然是需要人为进行确认操作的。励磁系统不建压，就不会发生低频过励。由此可见，这一信号条件的设置有可以修改完善的地方，能够做到既防止低频过励发生，又能尽早的将励磁系统上电，以便在主机冲转到3000转之前，尽早的将励磁系统的问题暴露出来，不至于影响机组的正常并网，导致被动局面的出现。
        既然不以励磁系统上电作为判断标准，那么采用什么信号更合理呢？是采用灭磁开关是否合闸信号，还是励磁是否建压信号呢？对于励磁系统来说，灭磁开关闭合仅是接通整个励磁主回路，这时整流桥并没有工作，发电机励磁绕组并无电压。励磁建压指令是将励磁调节器投入运行，开始触发可控硅整流桥向发电机转子供电，励磁投入后发电机电压能迅速建立到设定值。励磁建压指令在励磁开关合上后才有效。由此可见，励磁系统上电→灭磁开关合闸→励磁建压是一串逐步进行的流程，如果采用励磁建压信号显然又过于宽松，采用灭磁开关是否合闸信号会更为合理，这样既能保证励磁系统恢复操作在主机冲转前进行，保证机组的顺利启动，也能有效防止发生低频过励。
        1.3.2 取消“EXCIT ALLOWED”信号设置的考虑
        在DEH主机SGC程控走步的允许启动条件中是否还需要这一闭锁条件？
        如图（1）所示，在DCS中的“励磁建压指令”发出的逻辑组态来看，其中设置了一个转速条件，即主机达到2950rpm时，人为确认点击“建压按钮”，指令才能发送至励磁调节器进行建压，其实在这里也再次考虑到了低频过励这一问题，所以是否需要DEH和DCS设置双道防线有待商榷！既然DEH侧设置闭锁条件会给机组启动带来潜在的不利影响，那么在DCS侧有防线的前提下，DEH侧设置的闭锁条件的必要性是否可以重新考虑！
        2．DCS系统“励磁建压”逻辑设置分析探讨
        2.1 DCS系统“励磁建压”问题
        2018年07月该发电厂#14机组调停后启动，在主机冲转至3000rpm，发电机已经合闸灭磁开关准备建压并网时，人为点击励磁建压按钮后发电机建压失败。后续的故障确认处理时间长达近2小时，极大的延迟了机组的启动。
        经过查找分析，发现原因如下：
        励磁系统在主机冲转至3000rpm定速正常后进行上电操作，上电后发现励磁调节器的就地控制终端ECT屏无法正常开机，由于ECT屏之前本身故障根率就很高，而且其只是作为就地控制、信号报警和运行数据的显示记录，其故障并不影响到励磁调节器的正常工作，所以也未立即进行处理便继续进行后续的并网操作。
        同时通过查看DCS系统“励磁建压”逻辑，见图（1）所示，发现建压指令的发出，在逻辑组态上有一无“励磁系统综合故障报警”条件，“励磁系统综合故障报警”为一综合信号，即励磁系统无论出现任何报警均会同时触发这一信号，就地控制终端ECT故障当然也不例外。所以虽然在人为点击了励磁建压按钮后，其指令由于“励磁系统综合故障报警”条件的闭锁，实际并未发出至调节器，发电机当然也就无法建压。
        2.2 DCS系统“励磁建压”逻辑设置的分析考虑
        在励磁调节器中，对于灭磁开关的合闸和励磁建压指令的开放，是受到 “EXCITATION READY”信号的控制（即“励磁系统准备就绪”信号），只要励磁调节器上电后自检正常，此信号发出，即意味着励磁调节器是允许合灭磁开关并投励建压操作的。在本次开机中，灭磁开关已经正常合闸，对于励磁调节器本身而言，其后是能够正常建压的，就地控制终端ECT的故障并不影响发电机的正常并网启动。
        所以在建压指令的逻辑组态中，将无“励磁系统综合故障报警”作为闭锁条件之一显然过于严格。如前所述，“励磁系统综合故障报警”为一综合信号，即励磁系统无论出现任何报警均会同时触发这一信号，但是有些异常或故障并不影响到调节器的正常工作，励磁调节器有其自身的判断依据，能够保证发电机启动并网的安全进行，再用这样的信号作为DCS中励磁建压的闭锁，人为的设置高于励磁调节器自身判断的条件，影响机组的正常启动。
        3．结束语
        运行实践证明，目前该发电厂1000MW机组启动控制是安全可靠的，但是在机组设备和系统的配合上还需要根据实际情况进一步分析探索，通过机组启动过程中逐步暴露出来的问题，对当前控制逻辑的设置优化完善，在保证机组安全启动的前提之下，使机组启动能够更加顺畅的进行，减少不必要的启动损耗，提高机组启动的经济性。
        作者简介：
        王程（1977-），男，大专，助工，技师，国家能源集团谏壁发电厂发电部单元长。