基于MarkVIe控制系统的大型燃气轮机零功率切机研究

引言

随着我国电力建设的大力发展,特高压电网逐渐形成,在电力建设中正越来越多地采用各种新型技术,为电网的功率传输和稳定运行提供了强有力的保障。与此同时,这种高压长距离输电也将导致电力系统的运行情况更加复杂,一旦出现故障其影响范围将增大。

燃气轮机组特别是负荷较重地区的电厂机组通常都是在临界状态下运行的,在负荷较大的情况下,转子惯性较大,一旦出现送出线路故障,就容易出现功率骤降,往往会导致机组甩负荷,甚至有可能造成汽轮机超速、发电机超压严重,会直接对发电机组产生较大危害。为了防止这种危害的出现,国内外学者和相关从业者做了大量研究,其中以零功率切机为主的保护可以解决输电线路故障时机组安全停机的问题,更有助于辅助电厂解决线路故障后面临的热稳定问题。

1零功率切机保护装置原理

电厂发电机组正常运转时,一旦出现故障,将导致其所带负荷突然降低,机组有功功率就会突然降低,导致电厂机组出线电流大幅下降,电压大幅增高。在这一过程中极易出现只跳

线路侧开关的现象,机组侧开关很难动作,机组主汽门无法关闭,必然会造成损失。

为了减少这种特殊情况的出现,可采用机组机端电压、电流、有功作为判断故障的特征元件,通过机组特征元件的变化构成保护动作逻辑判断依据。在机组的内部调速及励磁系统正常运行的情况下,根据各电气特征量来判断是正常启停还是异常事件。

电厂的零功率切机保护主要用于判断短时间内燃气轮机组负荷的降低,从而准确判断出机组功率中断的情况,图1所示为出现故障情况正常甩负荷状态。

当线路侧出现故障时,此时无电气量保护能迅速动作,频率及电压保护因变化趋势无法迅速满足动作定值而快速响应,无法第一时间跳开开关,为了保证线路侧故障后燃机安全停机,争取宝贵的停电时间,通过装设零功率切机保护,在感知机组正向功率突降情况下迅速作用于跳开燃发出口就显得尤为重要。

零功率保护装置的原理图如图2所示,其中AUl1为主变侧正序电压突变量,f表示主变侧频率,Af表示主变侧频率突增量:PG表示主变侧有功功率,AP表示主变侧有功功率增量,APSet为主变侧有功功率突降门槛值,该值可预设:Ila、Ilb、Ilc为主变侧三相电流,Ul1为主变侧正序电压,Ul2为主变侧负序电压。

由框图可见,启动逻辑为主变侧功率大于功能投入功率定值时电压或频率的突增。当然装置启动元件启动后,并不会马上跳闸,而是开放出口正电源,同时开放相应的保护元件。只有启动元件动作,同时对应的保护元件动作后才能跳闸出口,否则无法跳闸。装置出口逻辑在原启动判据基础上,还需满足有功突降、电流突降、有功实际值低于低功率定值,且任意两相电流低于定值的动作判据:同时受保护投入压板及电压正序、负序量闭锁。装置同时满足启动逻辑、动作逻辑、闭锁判据,经一定延时出口。另外,启动元件未动作,而对应的保护元件动作,装置会报警,不会出口跳闸。

电厂发电机零功率切机装置采集上述电气量构成判断保护的依据,当保护动作之后,便可立刻采取措施对机组进行灭磁,进入机组紧急跳闸保护状态,并快速切回重要的机组负荷,待故障消除之后便可迅速并网,保证在机组稳定运行的情况下电厂的稳定运行。

2零功率切机保护装置及案例介绍

在电厂系统的实际应用中,零功率切机保护的构建通常包括以下几个方面:模拟量、出口方式、信号量、跳闸矩阵。

2.1模拟量

根据电厂实际,保护所需电压、电流模拟量均取自主变高压侧,引自主变保护,原因为零功率切机装置与主变保护装置同安装于继电室,只需通过屏间电缆沟通回路,节省了电缆。

2.2出口方式

零功率切机出口方式通常有两种,即通过独立回路出线以及通过其他保护利用其他保护回路出口。本文从实际应用出发,从经济性角度考虑,以第二种保护方式为主。零功率切机通过双回路分别重动主变保护A、B套,原因为可以简化回路,且利用主变保护现有出口回路可节省电缆及接口,如图3所示。

2.3信号量

保护动作信号分别送至DCS系统、故障录波器及主变测控柜。至DCS系统及故障录波器信号量较大,且电缆路程较近,采用装置独立开出方式。而送主变测控柜由于信号量较少、电缆路程较长(机组继电室至升压站）,考虑利用重动的主变保护信号备用芯实现,既实现了功能,又简化了回路,节省了电缆。

2.4跳闸矩阵

考虑到既实现功能又不将故障切除范围扩大,除保证燃机安全而跳开燃机发电机出口开关及灭磁外,汽机由于线路功率无法送出情况下其无独立带厂用电能力,则跳闸行为也包含了停汽机发电机及启动厂用电快切。

2.5实际案例分析

本文以国电湖州南浔天然气热电联产工程为例进行分析。南浔电厂采用MarkVIe控制系统,共建设两台6FA级联合循环机组,机组均采用发电机扩大单元接线,即每台机组一燃机一汽机经一个三圈主变压器以ll0kV电压接入系统。此种接线方式在机组高负荷运行情况下,送出线路一旦故障跳闸,将引起机组正向功率的突降。

结合南浔热电实际,通常情况下,燃机故障作用于发电机出口开关(GCB）跳开,正向功率突降引起的燃机转速上升,GE燃机MarkVIe控制系统中燃料控制(FSR）将迅速作用于燃料的骤减调节,从而降低机组转速加速度及实际转速,最终保持燃机全速空载,同时MarkVIe在接收GCB断开反馈后将作出相应的程序动作。

南浔热电装设了PCS-985UP型机组功率突降切机微机保护装置,该项目安装及静态调试完成后,利用2018年1月#l机组启动试验及20l8年4月#2机组性能试验时期,分别完成了两套零功率切机跳闸行为的动态验证,结果正确,燃机在甩负荷后最终保持全速空载,继而安全停机。

3结语

以火电机组为主的电厂中,采用零功率切机方案可以有效防止线路侧故障对机组产生的影响,当出现故障时,动作准确、迅速,有充足的停电时间。本文采用南浔热电厂实际案例证实了零功率切机方案的可靠性,该方案还具有抗干扰能力强等特点,可完全保障燃机在甩负荷后保持全速空载,实现安全停机。