航改型燃气轮机发电机组的电气安全设计应用研究

高彦生

摘要：本文以华电分布式能源项目的50MW等级航改型燃气轮机发电机组为例，对其电气系统进行分析，并为相关的航改型燃气轮机发电机组的电气系统安全设计、测试、施工提供借鉴，也为进一步的系统改造打下基础。

關键词：航改型燃气轮机;电气安全;系统应用

1  概述

随着社会的不断进步与发展，新技术、新能源已成为社会不断前进的重要发展推动力。在对能源越来越要求高效化、清洁化的今天，新型航改型燃气轮机发电机组的应用越来越广泛。比起传统的火电机组，航改型燃气轮机机组结构紧凑，辅助设备少，智能化程度高，所需的运行维护人员也更少，所以在设计时要充分考虑机组的整体可靠性及安全性。在此背景下以华电分布式能源项目的50MW等级航改型燃气轮机发电机组的电气系统进行安全性分析，对相关的航改型燃气轮机发电机组的电气系统设计的后续研发和设计有着借鉴性意义。航改型燃气轮机发电机组的电气系统设计是一项应用性较强的应用型技术开发，在整个系统的设计中，除了要考虑其自身结构的适应性，同时也要兼顾对环境的影响;既要从系统角度分解设计各个子系统，又要针对具体要求进行详细设计满足项目系统设计的要求，切实做好多要素件的考量和规划，在实现整体功能的完整后，也为进一步的系统改造打下基础。

2  航改型燃气轮机机组介绍

在对航改型燃气轮机机组项目分析过程中，以50MW等级航改型燃气轮机机组项目为基础进行分析，机组为联合循环应用，用于热、电、冷三联供，负荷特性是以冷、热负荷定电负荷。根据项目的使用环境和地理位置，提供基于LM6000燃气轮机开发的成套燃气轮机发电机组。如图1所示为LM6000燃气轮机发电机组的布局图，采用标准的模块化设计，包括航改型燃气轮机LM6000、齿轮箱和发电机系统、燃机箱体、发电机箱体、控制系统、燃机喷水系统、进气系统、排气系统、燃料系统、润滑系统、液压启动系统、励磁系统、发电机继电保护系统、消防灭火系统、直流电系统、在线/离线水洗系统、防冻处理等。应用于不同区域时，可以按照当地的不同环境增加可选的功能配置。

本文主要针对以下两个方面研究燃气轮机发电机组电气安全系统的设计：

①危险区域电气系统设计;

②接地系统设计。

3  电气安全设计应用研究

航改型燃气轮机机组由于其集成化和智能化，所需的运行维护人员也更少，所以在设计时需要充分考虑机组的整体可靠性及安全性。同时在电厂的安装施工过程中，存在设计方（设计院）、设备厂家、施工方等之间的协同配合，按照以往的经验，机组的危险区域设计安装工艺以及机组的接地系统非常容易导致机组调试和运行中出现故障。所以要在机组的设计过程中充分考虑这些因素，减少设计方（设计院）的额外设计，降低施工方的施工难度，减低机组调试过程中产生的相应故障，提高机组运行可靠性。

3.1 危险区域电气系统设计

LM6000航改型燃气轮机机组采用的燃料为天然气，根据危险区域要求，按照GB3836-14（等同IEC60079-10）标准，航改型燃气轮机发电机组属于爆炸性环境2区，具体的危险区域划分如图2阴影部分所示。在产品的设计上尤其要关注这些部分的设计、制造和现场施工。

依据标准，此危险区域等级的电气设备及安装附件防爆类型一般会选用本安“i”或隔爆“d”。本安电气设备防爆原理是通过限制电气设备电路的各种参数或采取保护措施来限制电路的火花放电能量和热能，使其在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物，从而实现电气防爆。本安设备在电厂安装时需要通过电缆连接至外部系统，组成一个完整的本质安全电路，此时设计方必须要考虑在电路中加装安全栅，限制进入设备的能量，即限压限流，从而不会使现场产生火花，即使短路情况下也不会发生爆炸。而如果采用隔爆型设备，则无需考虑安全栅等外部电路安全的设计，可以减少额外的设计工作或是因为人为失误导致的安全隐患。（图2）

图2中所示燃机舱室、燃机舱室通风区域、燃机舱室排气区域均列为爆炸性环境2区（图中阴影区域），这些区域安装的电气部件均需要防爆认证。对于图中非阴影部分，尽管设计上是非危险区域，但实际制造和安装施工使用的元器件及制造或施工方法也必须按照防爆电气方法进行。

燃气轮机舱室内包含燃气轮机、燃机电缆、震动探头、消防系统部件、照明设备、紧急停止开关、温度探头。此舱室内的所有部件要符合ATEX/CE/Ex II 3G，并且经过认证。其中连接到燃机和相关设备的电缆均要耐高温，耐油型电缆，最好是防爆工业电缆，如果是非防爆电缆，在电缆和部件的连接上必须使用满足防爆类型的格兰、接头、接线盒等相关连接件。电缆需要穿过舱室与外部控制柜或接线箱互联，那么电缆穿过燃机舱必须经由防火密封转接系统穿过燃机舱，而且此防火密封转接系统必须有防爆认证;同时，在安装电缆过程中，安装方式和方法也必须满足防爆防火的要求。在燃机舱外非阴影区，尽管被定义为非危险区，但涉及电气的部件也必须是防爆认证产品，同时电气部件安装方式也必须安装防爆要求进行安装。

燃气轮机排气口和燃机舱排风电机及VBV排气口也是危险区，图中弧度半径为1米，在此阴影区域内都是危险区二区，所有使用的电气元件必须满足防爆标准，同时电气安装也必须满足防爆要求。在安装现场不允许有任何非防爆电气设备存在。

所有危险区域及与非危险区域接口处也要按照危险区域设计。同时为了实现产品防爆安全，在设计上必须涉及除了元器件外，还要考虑电缆连接和元器件的安装必须满足安全设计要求。所有接线箱、接口，Y型密封都需要防爆要求满足危险2区的使用。

3.2 接地系统设计

燃气轮机发电机组设计过程中，必须从安全角度综合考虑接地系统，设计院、分包商、承建商必须按照要求进行施工、验收。包括：

3.2.1 交流低壓电源配电系统的接地方式

由于电站处于危险环境且对供电安全要求比较高，采用TN-S系统供电，接地系统PE线与N线必须从变压器低压侧全线分开，各负载设备需要可靠有效的接地。严禁采用TN-C接地方式，同时增加接地故障保护（30mA）设计，增加每个单相支路过载保护设计。

3.2.2 电气控制系统的接地方式

为了保证燃机机组电气控制系统的正常可靠运行，防止出现因信号干扰导致停机或事故，需要将保护接地和仪表接地进行区分，单独连接至现场的接地点。如图3所示为保护PE及仪表IE接地示意图。在设备设计时需要将这些因素考虑并体现在具体的图纸中，保证在施工过程中能够有效执行;同时在现场施工期间，屏蔽层剥离必须可靠，无间断，保证系统抗干扰性能。

3.2.3 客户现场接地检查

当燃气轮机发电机运到客户现场进行现场安装过程，现场接地系统施工设计、安装和检查是重中之重，现场项目经理、施工监理必须认真严格执行接地系统施工与检查，因为这些保护地排，仪表地排必须分开，如图3。当进行产品与仪表地排和保护地排进行连接过程中，施工人员与厂家电气工程师必须进行充分沟通和交底后才能开始布线，隔离并预留10%富裕线，同时在接线结束后，厂家电气工程师与施工人员必须进行检查和测试并在作业单上签字，以此保证燃机轮机发电机组信号在干扰情况下能正常运行，不至于产生停机的干扰误停机信号。

4  结论

本文以华电分布式能源项目的50MW等级航改型燃气轮机发电机组电气安全设计实践为例，对于其相关的航改型燃气轮机发电机组电气系统设计的后续研发和设计有着借鉴性意义，通过项目的具体实施过程，对细节等过程的把控实现航改型燃气轮机发电机组的电气系统综合设计应用，为后续研究深化打下基础。同时在项目实际执行过程中，厂家、设计方和施工方能更熟悉此类产品的安装设计、施工，共同保证航改型燃气轮机发电机组稳定可靠运行，进而提升发电机组运营效率。

参考文献：

[1]GB3836-1-2000，设备通用要求.第1部分：危险场所分类[S].

[2]GB3836-14-2000，爆炸性气体环境用电气设备.第14部分：危险场所分类[S].

[3]GB50054-2011，低压配电设计规范[S].

[4]Robert Baten， Randy Kleen， Mark Jaynes， Harley Ross. GE Company Position Paper #85 – Gas Turbine Package Interconnect Cables， 2012.