快关汽门的设计和实际试验性能

      汽轮发电机组采用快关汽门，是提高电力系统稳定性的一项有效措施。对于经长距离超高压输电线路连接到受端系统的远方电源，适于采用“持续快关”。沙角C厂共有3台未配置旁路系统的660MW机组。1996年11月29日，在其中1台机组上成功地进行了“短暂快关”与“持续快关”试验。文章介绍了所得的试验结果。

1　前言

　　为了保证电网安全经济运行，既要充分发挥电网的输送能力，又要考虑在任何故障情况下不致造成电网稳定性破坏和大面积停电。在需要时，汽轮发电机组采取“快关”汽门是保证电网稳定的重要措施之一［1］。

　　1992年广东省电力局和亚洲电力公司在讨论沙角C厂工程的总承包合同(技术部分)时，曾要求每台机组应具备快关性能。当时由于已决定不装设汽机旁路系统，当主汽门和中压汽门短时关闭时，炉内蒸汽都不能通过旁路系统输出。在这种情况下，锅炉能否适应快关，未有定论，所以合同中没有列入快关性能的要求。

　　这个问题终于在1993年4月的设计联络会上得到了解决，关键是ABBCE的锅炉专家，经过精密计算，在保证锅炉运行安全可靠的条件下，按我方的要求提出了短暂快关和持续快关的设计性能，如图1所示。

图1　快关汽门的设计和实际试验性能

Fig.1　The design & test function of fast valving

　　该设计性能基本能符合我国的要求，而且在原有合同的基础上增加此项功能并不需要增加工程费用，因此在设计联络会上总包集团和业主的代表都同意机组增设此项快关功能。

　　经过亚洲电力公司、沙角总厂和总包集团(GEC ALSTOM/ABBCE)充分的合作、准备和组织工作，沙角C厂2号机组的快关汽门试验于1996年11月29日一次试验成功。

2　设计条件

　　锅炉和汽机的协制是实现快关的基本条件。在这个基础上加入快关的功能是简单易行的。

2.1　快关汽门逻辑

　　图2为快关汽门的逻辑图。为了实现快关汽门，专门增设一个快关盘。在执行快关时则利用控制系统中的分散控制(DCS)和数字式电调MICROREC实现。

图2　快关逻辑图

Fig.2　Fast valving logic diagram

　　快关在运行中如何使用则由电网调度所决定。

　　目前沙角A厂的3×200 MW机组出力基本以220 kV线路送出；A厂的2×300 MW机组、沙角B厂的2×350 MW机组和沙角C厂的3×660 MW机组出力则以4条500 kV线路送出(500 kV和220 kV间尚有2×395 MVA联络变压器)，其中只有沙角C厂3台机组装设快关装置。在设计时考虑4条500 kV线路中的任一条故障，线路断路器三相跳闸作为起动快关的条件之一。但究竟起动哪几台机组的快关，是用短暂快关还是持续快关，则事先由厂运行人员在控制室各机组控制台上按电网调度命令操作快关选择器加以确定。

2.2　短暂快关汽门

　　短暂快关的控制规律为“快关-慢开”式，动作过程如3图所示。快关动作结束后调节阀将恢复到快关前的输出值。

图3　短暂快关动作过程

Fig.3 Transient fast valving

　　在下列条件同时满足的情况下，机组的短暂快关方式将被触发。

　　(1)任何一条500　kV线路发生三相故障或两相故障或重合不成功的单相接地故障。

　　(2)机组出力大于600　MW。

　　(3)快关选择器在“短暂快关”位置。

　　机组进入短暂快关汽门方式后，自动执行以下操作；

　　(1)汽轮机调节阀迅速关闭至提供50%锅炉最大连续出力(BMCR)的位置。这将由数字式电调MICROREC在0.5　s内执行。

　　(2)机组协制系统被切除，锅炉“主汽压力控制器”将切至手动。

　　(3)将至“锅炉汽包水位控制器”的主蒸汽流量信号冻结5 s，使锅炉给水泵转速保持不变。

　　(4)从触发短暂快关的3 s脉冲开始，汽轮机的调节阀开始迅速关闭，在0.5 s时使机组出力降到50%，然后维持不变。在3 s脉冲后，调节阀重新打开，经过约2 s开至原先的位置，使机组出力恢复原有状态。

2.3　持续快关汽门

　　机组的持续快关可以起到快速部分减出力的作用。其控制规律为“快关后维持不变”式。其动作过程如图4所示。

图4　持续快关动作过程

Fig 4. Sustained fast valving

　　在下列条件同时满足的情况下，机组的持续快关方式将被触发：

　　(1)任何一条500　kV线路发生三相故障或两相故障或重合不成功的单相接地故障。

　　(2)机组出力大于600　MW。

　　(3)快关选择器在“持续快关”位置。

　　机组进入持续快关方式后，自动执行以下操作：

　　(1)汽轮机调节阀迅速关闭至提供75%锅炉最大连续出力(BMCR)的位置。这将由数字式电调MICROREC在0.5　s内执行。

　　(2)机组协制系统被切除，锅炉“主汽压力控制器”将切至手动。数字式电调MICROREC将转入调整主汽压力的运行方式。

　　(3)根据运行情况，2～3台磨煤机将自动跳闸，只保留3台磨煤机在通常值下运行。

　　(4)从触发持续快关开始，经过1　min，3台运行的磨煤机将恢复支持75%最大连续出力。

　　(5)从触发持续快关开始，经过5　min，汽轮机调节阀75%BMCR的开度信号被解除，运行人员可使跳闸的磨煤机重新启动，并可将热工自控系统重新投入自动，将机组恢复至正常状态，以维持机组对新负荷的需要。

3　试验概况

　　沙角C厂2号机快关试验的第一阶段是对快关进行静态模拟试验，以检查各部分装备、保护、控制回路的正确性。第二阶段，在1996年11月29日按预定操作试验方案，先后进行实际的短暂快关汽门及持续快关汽门动态试验，结果都是一次试验成功。

　　(1)除了线路故障是在保护盘上模拟的以外，其他全部是实际的正式装备及回路，所以这也相当于一次投运试验，一旦成功即可由调度正式使用。

　　(2)利用主机计算机中的彩色记录系统，录取有关参数，包括机组出力，高压调门CV1、CV2、CV3、CV4位置，中压调门IV1、IV2、IV3、IV4位置，过热器出口压力及(LHS、RHS)温度，各给煤机速度，汽包水位、压力，给水流量、温度，炉膛压力，用煤量，蒸汽流量，汽机转速，各给水泵转速及勺管值。

　　(3)由于主机计算机的彩色记录系统速度较慢，所以再外接两个速度较快的示波器，以重复录取机组出力、蒸汽压力和汽门位置等重要数据。

　　(4)试验机组为部分进汽模式(CV4在常闭状态)运行，出力调整在600 MW以上，其他机组在运行中作为紧急备用。

　　(5)电厂4回500 kV出线正常运行，试验在电网调度监督下按既定试验操作方案逐项进行。

4　短暂快关汽门试验结果

4.1　机组出力

　　机组出力由100%(624.4 MW)在0.65 s时降到46.6%(291 MW)，并在4.25 s时恢复到100%，如图5所示。

图5　短暂快关试验结果

Fig.5　Testing result of transient fast valving

4.2　高压调门

　　除CV4经常维持闭合(0%)状态不变外，CV1、CV2、CV3高压调门开度由56.7%在0.18 s降到11%，随后在0.5 s增大到18.8%，并维持3 s，然后又开始增大，在4.5 s时达最大62%，在4.8 s以后维持51%(见图6)。

图6　持续快关试验结果

Fig.6　Testing result of sustained fast valving

4.3　中压调门

　　中压调门IV1、IV2、IV3、IV4开度由98%在0.4 s降到0%，在0.7 s增到15.6%，并维持2.8 s，然后逐渐增大到98%(见图5)。

4.4　主蒸汽压力

　　主蒸汽压力在试验前为175 bar，在快关汽门过程中，在4.8 s时升到最高185 bar，然后在12 s时恢复到177 bar并维持不变。而锅炉过热器的安全阀门的整定分别为1、190、191和191.5 bar，蒸汽压力的升高很接近最低一级安全阀门的整定值，有可能使之短时动作。这说明在没有汽机旁路系统的条件下短暂快关并没有造成主蒸汽压力的危险升高，但有可能使安全阀门短时动作，而不会引起锅炉跳闸。

4.5　再热器出口蒸汽压力

　　试验前为32 bar，5 s后升至最高33 bar，再过15 s下降到31.2 bar，6至7 min一直维持在31.7 bar，其变化过程和中压调门的开度相对应，总的变化幅度小，不影响运行。

4.6　过热器和再热器出口蒸汽温度

　　在快关汽门过程中，过热器和再热器出口蒸汽温度上升不大，不会影响运行。

4.7　汽包压力

                              快关前　   快关后最高温度 

过热器出口蒸汽温度　 536℃　   20 s达538℃ 

                               530℃　   20 s达533℃

再热器出口蒸汽温度　 523℃　 123 s达528℃

                               525℃　 123 s达529℃

　　试验前为187.2 bar，试验11 s后最高达188.8 bar，5 min后维持在186.3 bar，变化不大。

4.8　汽包水位

　　开始时汽包水位为－110 mm，最低降到－120 mm，最高升到－90 mm，最终(5 min)为－113 mm，汽包水位变化不大。

4.9　汽机转速

　　在快关过程中，在53 s时汽机转速由3000 r/min升到最高3012 r/min，以后逐渐恢复正常。

5　持续快关汽门试验结果

5.1　机组出力

　　机组出力由开始试验时的630 MW(100%)在0.85 s降到435 MW(69%)，然后基本维持不变(见图6)。

5.2　高压调门

　　除CV4经常维持闭合(0%)状态不变外，高压调门CV1、CV2和CV3的开度由原有的61%位置在0.4 s时开始关小，在0.85 s关到2.95%，基本维持不变(见图6)。

5.3　中压调门

　　4个中压调门动作反应快，开度由原有的98%位置在0.03 s就迅速开始关小，在0.4 s关到最小(开度约为3%)。然后又逐渐增大，在0.7 s达21.8%，维持不变(见图6)。

5.4　主蒸汽压力

　　试验前主蒸汽压力为175 bar，在15.5 s时升到181 bar，在252.2 s降到最低161 bar，又过了278 s后恢复到168 bar。试验表明，机组出力可持续快关到69%，比设计目标75%更好，而且此时主蒸汽压力最高只升到181 bar，仍然低于过热器安全阀门的最低整定值1 bar。对于没有设置汽机旁路系统的沙角C厂机组来说，这个结果是令人满意的。

5.5　再热器出口蒸汽压力

　　试验前为32.2 bar，试验过程中在47 s时最高达35 bar，在337 s时最低达30.5 bar，最后在585 s时记录得为33.5 bar。

5.6　汽包压力

　　试验前汽包压力为186 bar，57 s后开始下降，在295 s时降到167 bar，在533 s时升到174 bar，在1300 s时又降到157 bar。

5.7　汽包水位

　　试验前为－110 mm，试验后最低降到－176 mm，最高升到－50 mm，在1286 s时录得－98 mm。

5.8　汽机转速

　　汽机转速在快关过程中仅变化4 r/min，最低为2994 r/min，最高为2998 r/min。

6　分析

6.1　快关汽门的设计性能和试验结果的比较

　　图1列出了两种快关汽门的设计能性，同时也列出了试验结果，以利比较。对沙角C厂机组快关汽门的要求是参考美国TVA的Cumberland电厂燃煤机组持续快关的试验结果［2］和美国AEP的Rockport电厂燃煤机组短暂快关试验结果［3］而提出的。由于沙角C厂机组没有设置汽机旁路系统，由ABBCE锅炉专家按我们的要求针对锅炉的热容量、压力等安全条件进行核算，提出了如图1所示的设计性能，基本符合我们提出的要求。例如持续快关，我们原提出是由100%出力快关到60%，但由于没有汽机旁路系统，设计性能只能压到75%，这是可以理解的，而实际试验却达到了69%。

　　(1)试验结果和设计非常接近，而快关过程中过热器蒸汽压力的最高点也低于安全阀的最低整定压力，说明设计计算精确，试验成功。

　　(2)短暂快关时，实际出力瞬间在0.65 s时可关到46.6%，以后维持3 s多的平均值为63%，比设计值50%略高，所提供的性能是良好的。

　　(3)持续快关时，可达到持续的最低出力为69%，比设计值(75%)还低些，达到最低出力的时间为0.85 s。此时间比设计值(0.5 s)长一些，但在0.61 s就达到75%。如果广东电网没有暂态稳定计算证明该值过长，我们也认同这个性能是合适的。

6.2　快关汽门对机组安全和寿命的影响

　　在整个快关汽门过程中，机组各种参数的变化都控制在合理范围以内，所以不会产生对机组安全和寿命的不利影响。

　　(1)在快关汽门过程中，机组出力的降低大部分是中压调门的快速关闭所起的作用。

　　(2)高压调门同时也作相适应的关闭，一方面使再热蒸汽压力基本保持不大变，另一方面也使过热蒸汽压力维持低于安全阀的最低整定值。

　　(3)在快关汽门过程中，机组各项参数，如过热蒸汽压力等都在规定范围内，其他变化，如蒸汽温度、汽轮发电机推力移动、应力和转速、给水泵转速、汽包压力和水位、再热蒸汽压力、机组寿命等都很小。

6.3　快关汽门的作用

　　短暂快关汽门的作用是短时间、快速降低机组的输出电功率，抑制短路故障后机组的加速，以保持第一个振荡周期的暂态稳定性。

　　持续快关汽门的作用与短暂快关汽门相同，但使事件后的机组输出功率长期保持降低，更适用于线路传输能力较弱的电厂。在减低事故后的线路传输功率方面，其作用与切机相同，但综合的稳定性能更好，原因是电厂仍然保留了原有的阻抗值。

　　美国南方公司［4］在美国最早考虑在电厂中采用短暂快关汽门技术，1970年4月至6月3台容量分别为319 MW、480 MW及490 MW的燃煤机组作了短暂快关汽门试验，结果良好并取得了很多实际经验，如对阀门控制的改进。

　　沙角C厂的快关汽门如何使用，决定于广东电网的条件和需要。

7　结语

　　(1)快关汽门试验结果表明，没有旁路系统的机组也可以实现快关，沙角C厂所取得的试验结果是有价值的。装设有旁路系统的机组实现快关汽门，对提高快关的性能和保证机组安全的条件就更为有利。

　　(2)机组实现快关，不会对机组的安全或寿命有所影响。

　　(3)锅炉和汽机的协制，是成功地实现快关的关键，特别对持续快关更其有决定性意义。试验结果证实，在沙角C厂660 MW机组采用的机炉协制系统是完全成功的。

　　(4)大型燃煤电厂的设计应考虑实现快关汽门的条件，特别是远距离输电的电厂更应具备这一条件。