CN110821579B - 应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于大型发电厂的汽轮机‑发电机安全保护系统，包括信号采集端、判据模块、计算模块和发电机并网断路器，还公开了一种应用于大型发电厂的汽轮机‑发电机安全保护方法，包括以下步骤将ETS跳闸信号、主汽门关闭信号、断路器跳闸位置信号输入判据模块，判据模块根据接收信号判断状态类型；将状态类型数据和模拟量采集数据输入计算模块；计算模块根据不同的状态类型数据以及实时运行数据判断后续动作。判据模块通过ETS跳闸信号、主汽门关闭信号、断路器跳闸位置信号判断状态类型，计算模块根据实施运行数据和状态类型数据判断后续动作，使得汽轮机‑发电机达到多余释放能量与输出电网能量平衡后断开发电机断路器，避免发电机超速。

Description

应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护系统及方法
技术领域
本发明涉及大型发电厂中的汽轮机-发电机设备安全保护领域，具体的涉及一种应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护系统及方法。
背景技术
目前，660MW的大型发电厂都普遍存在高负荷(60％及以上)情况下汽机震动大或者汽机本体油系统等故障，导致ETS动作后汽轮机都有不同程度超速现象发生，在超过20％负荷情况下紧急手动打闸停机也同样存在超速现象发生。
经过调查研究，如图1所示，发现电厂机电联锁的机跳电保护中，设置有“热工保护”和“程跳逆功率”两个保护用于汽机跳开电气保护，前者为保护跳闸，后者为正常停机跳闸。热工保护的接点来自于ETS柜的停机输出信号，接入发变组保护C柜(非电量柜)延时0s出口全停；程跳逆功率保护需要主汽门关闭的位置接点，同时逆功率大于定值且延时1s动作于全停。这种配置的情况下，不管是事故停机还是正常停机，热工保护(因打闸停机动作)都会先于程跳逆功率保护动作，可能会造成汽机主汽门未关严的情况下，发变组并网开关已经跳开的状况，存在造成汽轮机超速的风险。
而在故障情况下，ETS柜同时向主汽门及发变组保护C柜(非电量柜)发出跳闸指令；阀门全关时间大概为250—350mS左右，断路器断开时间为20-42mS左右,时间差值为232-310mS左右，容易导致汽轮机不同情况下的超速现象发生。目前缺少一种能避免汽轮机超速的系统及方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护系统，能够避免汽轮机超速，保护汽轮机-发电机的安全。
本发明还提出一种具应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护方法。
根据本发明第一方面实施例的应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护系统，包括信号采集端、判据模块、计算模块和发电机并网断路器，所述信号采集端用于采集ETS跳闸信号、主汽门关闭信号、断路器跳闸位置信号和模拟量采集数据；所述信号采集端将ETS跳闸信号、主汽门关闭信号、断路器跳闸位置信号输入判据模块以用于判断状态类型，所述信号采集端将模拟量采集数据输入计算模块，所述判据模块将状态类型数据输入计算模块，所述计算模块用于根据模拟量采集数据和状态类型数据进行计算并根据计算结果控制发电机并网断路器的动作，以确保汽轮机-发电机达到转速平衡后断开发电机并网断路器。
根据本发明的第一方面实施例的应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护系统，所述信号采集端将模拟量采集数据输入判据模块以用于辅助判断，所述模拟量采集数据包括主蒸汽流量模拟信号和发电机实时功率模拟量信号。
根据本发明的第一方面实施例的应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护系统，所述模拟量采集数据包括主蒸汽流量模拟量信号、发电机实时功率模拟量信号、转速模拟量信号、发电机电流模拟量信号、发电机电压模拟量信号和主汽门模拟量信号。
本发明还提出一种应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护方法，包括以下步骤：
S1、将ETS跳闸信号、主汽门关闭信号、断路器跳闸位置信号输入判据模块，判据模块根据接收信号判断状态类型；
S2、将状态类型数据和模拟量采集数据输入计算模块；
S3、计算模块根据不同的状态类型数据以及模拟量采集数据计算后续动作并执行，使得汽轮机-发电机在固有允许参数下达到输入与输出平衡后断开发电机断路器。
根据本发明的第二方面实施例的应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护方法，所述步骤S1中状态类型的判断条件为：
A类故障状态：ETS跳闸信号单独发送，延迟400mS收到主汽门关闭信号且发电机正向有功功率降低；
B类故障状态：ETS跳闸信号单独接收，延迟400mS未收到主汽门关闭信号且发电机正向有功功率降低；
正常停机状态：单独收到主汽门关闭信号，延迟100mS接收到ETS跳闸信号且发电机正向有功功率降低。
根据本发明的第二方面实施例的应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护方法，所述步骤S1中判据模块还引入主蒸汽流量模拟量信号和发电机实时功率模拟量信号进行辅助运算以避免误发信号造成误判。
根据本发明的第二方面实施例的应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护方法，所述步骤S1中状态类型的判断条件还包括
电气保护动作:先收到断路器跳闸位置信号，延迟100mS后又收到ETS故障跳闸信号。
根据本发明的第二方面实施例的应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护方法，所述步骤S2中模拟量采集数据包括主蒸汽流量模拟量信号、发电机实时功率模拟量信号、转速模拟量信号、发电机电流模拟量信号、发电机电压模拟量信号和主汽门模拟量信号。
所述计算模块的后续动作包括
正常停机动作：当保护计算发电机正向有功输出完成并开始逆功率后延迟1-2秒断开发电机并网断路器。所述逆功率的取值为(0.5％～2％)Pgn，Pgn的计算公式为Pop＝0.8％×Pgn/(na×nv)；其中Pgn为发电机视在功率：Pop为发电机允许逆功率:na为发电机CT电流比值，nv为发电机PT电压比值；
A类故障动作：保证小于可靠安全扭矩情况下进行能量释放，否则进入调整阶段，即时采集数据计算汽轮机-发电机动能Ek和发电机逆功率Pgn并计算即时扭矩Me，当实时动能Ek处于DEH可靠调整范围内断开发电机出口断路器；
B类故障动作：保证小于可靠安全扭矩情况下进行发电机逆功率模式下的损耗计算，当扭矩值Me大于安全扭矩和温升值大于给定值即停止逆功率断开发电机出口断路器。
本发明的有益效果在于：
1、机组逆功率判据、出口统一化；避免因设计、施工、调试过程中热工逻辑、电气逻辑及厂家设备固有逻辑相冲突，造成的某种特定情况下发电机断路器错误或不合理的动作。
2、通过计算能够根据现场实时数据达到多余能量容性减载；减少对电网的初始冲击强度。
3、避免高负荷下汽机故障ETS直接跳闸断路器导致的汽轮机超速现象。
4、避免了正常停机情况下触发的ETS动作直接跳闸断路器导致的带负荷拉闸现象。
5、提高机组故障情况下的自动化，减少人为操作程序，为操作人员腾出宝贵时间进行其它抢救性操作。
6、根据机组实时运行状态进行有效计算，避免发电机逆功率、进相等大幅波动引起的发电机内部应力对发电机的损害。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为现有的汽轮机-发电机保护系统的原理框图；
图2为本发明实施例中汽轮机-发电机安全保护系统的原理框图；
图3为本发明实施例中汽轮机-发电机安全保护系统的逻辑示意。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
如图2所示，一种应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护，包括信号采集端、判据模块、计算模块和发电机并网断路器，信号采集端用于采集ETS跳闸信号、主汽门关闭信号、断路器跳闸位置信号和模拟量采集数据；信号采集端将ETS跳闸信号、主汽门关闭信号、断路器跳闸位置信号输入判据模块以用于判断状态类型，信号采集端将主蒸汽流量模拟量信号、发电机实时功率模拟量信号、转速模拟量信号、发电机电流模拟量信号、发电机电压模拟量信号和主汽门模拟量信号输入计算模块，判据模块将状态类型数据输入计算模块，计算模块用于根据模拟量采集数据和状态类型数据进行计算并根据计算结果控制发电机并网断路器的动作，以确保汽轮机-发电机达到转速平衡后断开发电机并网断路器。
如图3所示，计算模块和判据模块集成在一个发电机组逆功率保护模块内，采用这种方式将传统的逆功率保护及程跳逆功率保护两个模块统一为一个发电机组逆功率保护，通过判据模块对于故障状态的判断和计算模块对于运行状态和故障状态的综合计算使故障情况下的汽轮机-发电机达到0转速平衡后安全可靠断开发电机组。
其中，为了避免误判，信号采集端将主蒸汽流量模拟信号和发电机实时功率模拟量信号输入判据模块以用于辅助判断，可有效避免某一节点松动或意外情况下导致的误判。
还包括一种应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护方法，包括以下步骤：
S1、将ETS跳闸信号、主汽门关闭信号、断路器跳闸位置信号输入判据模块，判据模块根据接收的信号判断状态类型，其中，状态类型包括三种情况，A类故障状态、B故障状态、正常停机状态和电气保护动作：
A类故障状态的判断条件为：ETS跳闸信号单独发送，延迟400mS收到主汽门关闭信号且发电机正向有功功率降低。
B类故障的判断条件为：ETS跳闸信号单独接收，延迟400mS未收到主汽门关闭信号且发电机正向有功功率降低。
正常停机状态的判断条件为：单独收到主汽门关闭信号，延迟mS接收到ETS跳闸信号且发电机正向有功功率降低。
电气保护动作的判断条件为:先收到断路器跳闸位置信号，延迟mS后又收到ETS故障跳闸信号。
并且判据模块还引入模拟量信号以避免错误信号导致的误判，模拟量信号包括主蒸汽流量模拟量信号和发电机实时功率模拟量信号，当收到主汽门发送接点和主汽门接收接点粘黏或绝缘降低、继电器发送节点和继电器接收接点粘黏或绝缘降低的误发信号后，可以通过对主蒸汽流量模拟量信号和发电机实时功率模拟量信号的运算进行闭锁。
S2、将状态类型数据和模拟量采集数据输入计算模块，其中模拟量采集数据为汽轮机-发电机的实时运行数据，包括主蒸汽流量模拟量信号、发电机实时功率模拟量信号、转速模拟量信号、发电机电流模拟量信号、发电机电压模拟量信号和主汽门模拟量信号。
S3、计算模块根据不同的状态类型判断后续处理步骤，当发生电气保护动作时闭锁逻辑及判据，无后续动作；当发生A类故障状态、B故障状态、正常停机状态任意一种时，计算模块根据实时运行数据的计算，通过统一的发电机组逆功率保护模块使得汽轮机-发电机在固有允许参数下达到输入与输出平衡，即多余释放能量与输出电网能量平衡后断开发电机断路器，其中固有允许参数包括汽轮机-发电机联结安全扭矩和发电机最大允许逆功率。
当发生A类故障状态、B故障状态、正常停机状态时的具体动作为
正常停机动作：考虑汽轮机-发电机在断开主汽门即时负荷小于发电机额定功率的10％，此时输出功率小，逆功率后大轴承受扭矩小，需要考虑以上特点进行宽裕度较小计算。保护计算发电机正向有功输出完成并开始逆功率后延迟1～2秒断开发电机并网断路器。逆功率的取值为(0.5％～2％)Pgn，Pgn的计算公式为Pop＝0.8％×Pgn/(na×nv)；其中Pgn为发电机视在功率：Pop为发电机允许逆功率:na为发电机CT电流比值，nv为发电机PT电压比值。
A类故障动作：保证小于可靠安全扭矩情况下进行能量释放，安全扭矩为汽轮机大轴、发电机转子、汽轮机-发电机联结三项中最小扭矩，能量释放步骤通过外部逆功率消耗汽轮机-发电机的多余能量。其主要分为三个阶段：
阶段一：主汽门关闭，汽轮机失去外部持续能量给定自身动能输出并转化为少量正向输出电能。
阶段二：汽轮机多余动能未完全释放，发电机由正向功率输出变为逆功率。
阶段三：汽轮机大部分多余能量释放完成发电机逆功率较大。
计算模块主要调整阶段二并防止进入阶段三的极端情况，当逆功率较大且切断发电机并网断路器失败启动失灵保护断开上一级开关。即时采集数据计算汽轮机-发电机动能Ek和发电机逆功率Pgn并计算即时扭矩Me，当进入阶段二后调整发电机励磁系统即转子电压并逐步降至最低以减小不同磁场产生的扭矩；当实时动能Ek处于DEH系统可靠调整范围内断开发电机出口断路器。
B类故障动作：根据外部非电量信号主要判据为汽机故障后主汽门不能完全关闭汽轮机能量大且仍然有能量持续输出，应保持第一阶段且相对有较长延时进行发电机逆功率模式下损耗计算以保证发电机本身的安全，延时取决于实时动能Ek大小是否小于设定值，其中两个计算条件大于给定计算值时停止逆功率断开发电机出口断路器，两个计算条件为扭矩值Me大于安全扭矩和温升值大于给定值。当实时动能Ek处于DEH系统可靠调整范围内断开发电机出口断路器，或实时动能Ek无法进一步降低发电机逆功率定时限达到，断开发电机出口断路器。
综上所述，本发明将机组逆功率判据、出口统一化；避免因设计、施工、调试过程中热工逻辑、电气逻辑及厂家设备固有逻辑相冲突，造成的某种特定情况下发电机断路器错误或不合理的动作。通过计算能够根据现场实时数据达到多余能量容性减载；减少对电网的初始冲击强度。避免高负荷下汽机故障ETS直接跳闸断路器导致的汽轮机超速现象。避免了正常停机情况下触发的ETS动作直接跳闸断路器导致的带负荷拉闸现象。提高机组故障情况下的自动化，减少人为操作程序，为操作人员腾出宝贵时间进行其它抢救性操作。同时通过多个反馈量的引入可有效判据发电机实际运行情况，可有效避免某一节点松动或故障情况下的误判。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护系统，其特征在于，包括：信号采集端、判据模块、计算模块和发电机并网断路器，所述信号采集端用于采集并输送ETS跳闸信号、主汽门关闭信号、断路器跳闸位置信号和模拟量采集数据；所述信号采集端将ETS跳闸信号、主汽门关闭信号、断路器跳闸位置信号输入判据模块以用于判断状态类型，所述信号采集端将模拟量采集数据输入计算模块，所述判据模块将状态类型数据输入计算模块，所述计算模块用于根据模拟量采集数据和状态类型数据进行计算并根据计算结果控制发电机并网断路器的动作，以确保汽轮机-发电机达到转速平衡后断开发电机并网断路器；
所述信号采集端将模拟量采集数据输入判据模块以用于辅助判断，所述模拟量采集数据包括主蒸汽流量模拟信号和发电机实时功率模拟量信号。
2.根据权利要求1所述的应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护系统，其特征在于：所述模拟量采集数据包括主蒸汽流量模拟量信号、发电机实时功率模拟量信号、转速模拟量信号、发电机电流模拟量信号、发电机电压模拟量信号和主汽门模拟量信号。
3.一种应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将ETS跳闸信号、主汽门关闭信号、断路器跳闸位置信号输入判据模块，判据模块根据接收信号判断状态类型；所述步骤S1中判据模块还引入主蒸汽流量模拟量信号和发电机实时功率模拟量信号进行辅助运算以避免误发信号造成误判；
S2、将状态类型数据和模拟量采集数据输入计算模块；
S3、计算模块根据不同的状态类型数据以及模拟量采集数据计算后续动作并执行，使得汽轮机-发电机在固有允许参数下达到输入与输出平衡后断开发电机断路器。
4.根据权利要求3所述的应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护方法，其特征在于：所述步骤S1中状态类型的判断条件为：
A类故障状态：ETS跳闸信号单独发送，延迟400mS收到主汽门关闭信号且发电机正向有功功率降低；
B类故障状态：ETS跳闸信号单独接收，延迟400mS未收到主汽门关闭信号且发电机正向有功功率降低；
正常停机状态：单独收到主汽门关闭信号，延迟100mS接收到ETS跳闸信号且发电机正向有功功率降低。
5.根据权利要求4所述的应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护方法，其特征在于：所述步骤S1中状态类型的判断条件还包括
电气保护动作:先收到断路器跳闸位置信号，延迟100mS后又收到ETS故障跳闸信号。
6.根据权利要求3所述的应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护方法，其特征在于：所述步骤S2中模拟量采集数据包括主蒸汽流量模拟量信号、发电机实时功率模拟量信号、转速模拟量信号、发电机电流模拟量信号、发电机电压模拟量信号和主汽门模拟量信号。
7.根据权利要求3所述的应用于大型发电厂的汽轮机-发电机安全保护方法，其特征在于：所述计算模块的后续动作包括
正常停机动作：当保护计算发电机正向有功输出完成并开始逆功率后延迟1-2秒断开发电机并网断路器；所述逆功率的取值为(0.5％～2％)Pgn，Pgn的计算公式为Pop＝0.8％×Pgn/(na×nv)；其中Pgn为发电机视在功率：Pop为发电机允许逆功率:na为发电机CT电流比值，nv为发电机PT电压比值；
A类故障动作：保证小于可靠安全扭矩情况下进行能量释放，否则进入调整阶段，即时采集数据计算汽轮机-发电机动能Ek和发电机逆功率Pgn并计算即时扭矩Me，当实时动能Ek处于DEH可靠调整范围内断开发电机出口断路器；
B类故障动作：保证小于可靠安全扭矩情况下进行发电机逆功率模式下的损耗计算，当扭矩值Me大于安全扭矩和温升值大于给定值即停止逆功率，断开发电机出口断路器。
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