燃气轮发电机组控制保护系统的分析与探讨

2022-06-23华润电力郑州航空港智慧能源有限公司杜军林王永涛刘齐飞王鑫喆

电力设备管理 2022年10期

华润电力郑州航空港智慧能源有限公司杜军林马瑞王永涛杜威刘齐飞王鑫喆刘垒

1 引言

燃气轮机技术是目前世界公认标志国家工业基础先进程度的关键技术，对我国的电力、能源、航空、航天等诸多领域的发展有着重要意义。燃机作为分布式能源的动力装置，具有更为灵活、安全、洁净的发电和热电冷联供方式，相对于燃煤发电机组，燃气轮机在热效率和环境保护等方面均有明显的技术经济效益和社会效益。

2 系统概况

本公司本期2套联合循环发电机组由2台西门子SGT-700型燃气轮机组、2台余热锅炉和相关的辅助设备、1台背压蒸汽轮发电机组和1台纯凝蒸汽轮发电机组串联组成。西门子SGT-700燃气轮机的设计基于满足客户对高可靠性、清洁运行以及高效发电的要求，同时还为客户带来了其他的价值，如低生命周期成本，快速核心机更换，设计紧凑占地面积小等特点。这一燃气轮机基于重载型燃气轮机设计和开发，并纳入了航改型燃气轮机在尺寸和重量方面的优势，同时还保持了传统工业型燃气轮机可靠耐用，灵活和长寿命的特点。

为对燃机的运行状态和启动过程进行监控，确保燃机设备和人身安全，燃气轮机系统设置了主保护、启动闭锁和启动中止等保护来限制燃机的启动或在必要时停止燃机运行。

3 燃机启动闭锁

燃机的启动闭锁主要是通过控制逻辑制约达到限制燃机启动的目的，以确保燃机启动的各个条件均已满足。以图1某燃机启动操作界面为例，燃机启动需满足电气许可、油系统就绪、消防系统允许等条件，以使燃机能够安全启动和运行。

图1 某燃机启动操作界面图

SGT-700燃气轮机的启动闭锁条件有发电机冷却水泄露、燃料系统主控阀后管道内压力高、燃料系统值班气控制阀后管道内压力高、手动盘车工具就位、动力涡轮排气压力低、动力涡轮转速差异大、润滑油供油温度低、润滑油油箱温度低等。

3.1 润滑油温度低启动闭锁

不同油温会影响润滑油的黏度，温度越高，油的运动粘度变低，泵的泄漏量就会增大，效率也就降低，温度越低的话，油的运动黏度变大，会影响泵的正常运转，会造成流动过程能耗增加，对阀的正常工作影响也较大，阀芯容易卡涩。同时，轴承入口油温过低不利于建立均匀油膜，造成轴振大等现象从而损坏设备。为此，燃机润滑油系统设置相应的启动闭锁保护设备安全。

SGT-700燃气轮机润滑油系统配备了1支温度传感器对润滑油箱温度持续监测，并且配备了3支温度传感器监测温控阀后供油温度。当润滑油箱温度达到LII（20℃）时，燃机启动闭锁。温控阀后供油温度经评估后判断润滑供油温度达到LII（30℃）时，燃机启动闭锁。

3.2 动力涡轮转速测量故障启动闭锁

如图2动力涡轮转速监测图所示，SGT-700燃气轮机配置了3支速度传感器（10MBB10CS005、10MBB10CS010、10MBB10CS020）监测动力涡轮转速，其中2支速度传感器（10MBB10CS005、10MBB10CS010）将信号发送到10MBB10FS901进行评估，当10MBB10CS005与10MBB10CS010之间的测量值差达到HI（150rpm）表示测量故障，触发燃机启动闭锁，从而避免因动力涡轮转速测量误差而造成的保护动作。

图2 动力涡轮转速监测图

3.3 手动盘车工具就位启动闭锁

SGT-700燃气轮机配置了1支限位开关，用来监测燃机手动盘车工具的插入状态。当手动盘车工具插入时，为避免运行人员误操作造成现场巡视人员受到伤害和设备损坏，燃机设置了启动闭锁限制燃机的启动，当限位开关监测到手动盘车未插入时，燃机此项启动条件满足。

3.4 启动闭锁条件（见表1）

表1 启动闭锁条件

4 燃机启动中止

燃机启动中止是指燃机在启动顺控进行期间，未满足执行条件而中止燃机启动顺控的过程。SGT-700燃气轮机的启动中止条件有燃料气泄露测试失败、燃料气压力高、燃料气压力低、燃机通风出口和底座燃气探测浓度高、启动电机开关设备故障、启动电机三相温度高、燃机启动吹扫期间转速低、燃气发生器抽气阀未打开、燃气发生器进口导叶未就绪、点火或主火焰或值班火焰探测故障、点火器电磁阀或歧管位置错误、单个燃烧室排气温度高等。

4.1 燃料气泄露测试失败启动中止

燃料气泄露测试从本质上是对燃机燃料系统#1燃料快速切断阀、#2燃料快速切断阀严密性进行测试。SGT-700燃机燃料系统配置压力监测装置监测两个燃料切断阀之间的燃气压力。当进行#1燃料快速切断阀严密性试验时，燃料供应#1切断阀前燃气压力建立，此时两个切断阀和放空阀处于关闭状态，通过监测5s 期间两个切断阀之间的压力来判断#1切断阀严密性是否良好，当压力达到HII（150kPa）时证明#1切断阀严密性测试失败，燃机启动中止。进行#2燃料快速切断阀严密性试验，对#1、#2燃料快速切断阀之间的管道储存压力后，此时两个切断阀和放空阀在关闭位置，通过监测5s 期间两个切断阀之间的压降判断#2切断阀严密性是否良好，当压力变化值达到LII（150kPa）时，#2切断阀严密性测试失败，燃机启动中止。

4.2 燃料气供气压力报警启动中止

燃料气压力的大小直接影响燃烧器的工作效能，压力低时燃烧器热负荷过低，影响燃烧效果；压力高时燃烧器热负荷过大，会造成一氧化碳排量超标、排烟温度过高、热效率低、损坏设备等后果。为此SGT-700燃机燃料系统通过对#1燃料快速切断阀后燃料压力进行监测，来判断供气压力是否满足燃机启动运行条件。当燃料气压力达到LI（2.7MPa.g）时报警并且燃机启动中止，当燃料气压力达到HI（3.3Mpa.g）时报警并且燃机启动中止。

4.3 燃料气泄露报警启动中止

为监测燃料气泄露，保障设备和人身安全，气体监测系统配置了9个气体探测器探测通风排风管道户口和罩壳底板上的燃料气体浓度。气体探测器探测空气中的气体浓度并根据气体浓度值发出4-20Ma 信号。所用的气体探测器是根据IEC-60079-29-1认证的“独立气体探测装置”，对0～100%的爆炸下限提供线性4～20Ma 输出信号。变送器接收到信号对燃机底座和通风排气管道出口的气体探测器进行“三取二”评估，当评估出燃气浓度达到HI（5%爆炸下限）时，燃机启动中止。

5 燃机保护设置

燃机保护系统的主要任务就是对机组的运行状态进行监视，当机组运行不畅、出现异常情况时，可以第一时间采取措施将主燃料阀门关闭，保护动作，保证机组的安全[1]。

本公司保护功能设置的燃气轮发电机机组主保护主要包含：发电机冷却水进口温度高、发电机静子三相温度高、燃气发生器超速、燃气发生器轴向位移超限、轴承振动高、齿轮箱缸体驱动端振动高、发电机振动高、燃料气温度低、火灾保护、通风出口燃气探测浓度高、燃机进气压差、罩壳通风风扇压差低、动力涡轮轴向位移、动力涡轮速度偏差、排气管差压高、T7排气温度保护、密封空气温度高、润滑油箱压力高、润滑油供油压力、#2轴承前后油压、主火焰故障、燃烧室压力波动异常等。

5.1 燃气发生器超速保护

燃气发生器转子额定转速为9600rpm，其转动部件的应力和转速有着密切的关系，由于离心力和转速的平方成正比，当转速升高时，因离心力造成的应力就会迅速增加。当应力过高时，就会导致燃气轮机设备严重损坏，因此对SGT-700这种双轴燃机来说，无论是燃气发生器转子还是动力涡轮转子都必须装设超速保护装置。

如图3燃气发生器转速监测图所示，SGT-700燃气轮机燃气发生器配置了3支速度传感器（1 0 M B T 1 0 C S 0 0 5、1 0 M B T 1 0 C S 0 1 0、10MBT10CS020），安装于压气机进口侧测量燃气发生器转子转速，用于调速的同时保护燃气发生器转子不超速。三支速度传感器发送信号给速度变送器（10MBT10FS805）进行“三取二”逻辑判断，当3支速度传感器有两只显示燃气发生器转速达到动作值HII（10200rpm）时，保护动作。

图3 燃气发生器转速监测图

5.2 燃机润滑油供油压力保护

燃气轮机润滑油供油压力保护主要是确保燃机转子高速运转时，有稳定合格的润滑油保护轴瓦不被烧毁。为了确保润滑油系统能够提供充足的供油压力，三台润滑油两用一备，当一台泵的出口压力低时将自动切换至备用润滑油泵，如果备用泵仍不能保证供油压力，燃气轮机保护动作。SGT-700燃气轮机润滑油系统在微粒型过滤器后供油母管上配置3支压力传感器，持续监测供油压力，三支压力传感器发送信号给压力变送器进行“三取二”逻辑判断，当达到动作值LII（110kPa.g）时，燃机延迟0.25秒紧急停机。

如果两台油泵同时出现故障，此时运行中的一台油泵仍能提供足够的油压和流量供燃机滑停。三台润滑油泵均为交流润滑油泵，当交流电源故障中断时，润滑油泵电机由直流蓄电池供电，3min 后如果交流电源故障仍未解除，燃气轮机动作保护，并且油泵的转速下降到45%以节省电池容量来为燃机提供充足的盘车时间。

5.3 燃机排气温度保护

燃机的温度保护主要是通过对排气温度的监视显示出来的，当燃气轮机处于正常运行的情况下时，燃烧室及透平的温度必须要控制在合理的范围内，否则可能会对燃烧室各种部件的强度及使用寿命造成不良影响。如图4燃机排气温度监测图所示，SGT-700燃气轮机配备了16个排气温度传感器（MBB10CT005-MBB10CT080），每个传感器包含2支N 型热电偶（-B01、-B02）。所有热电偶均用于排气温度的计算。温度变送器通过对这些排气温度的计算后，保护内容有：一是如果32支热电偶的平均值达到动作值HII（595℃）启动期间20s 延时燃机紧急停机，平均值达到动作值HIII（620℃）燃机紧急停机，平局值递减率达到动作值HII（100℃/S），燃机紧急停机；二是排气温度的最高值或最低值与平均值差值的绝对值达到动作值HII（53℃），延时10s 燃机90s 甩负荷跳机，达到动作值HIII（63℃），延时10s 燃机紧急停机。

图4 燃机排气温度监测图

5.4 燃机火灾保护

燃机的火灾保护主要是火灾探测和灭火系统，其利用自动探测系统和二氧化碳释放装置对燃机罩壳内的火灾进行灭火，以减少损失[2]。因此，燃机火灾保护系统应具有自动检测保护区域火灾和触发二氧化碳释放装置的功能。

火灾检测主要是利用温度探测器和火焰探测器探测。SGT-700燃气轮机共配备了6支温度探测器和6支火焰探测器在燃机周围，对罩壳内进行持续火灾检测，当温度超过动作值HI（163℃）时温度探测器被激活，火焰探测器对火焰发出的红外线光起反应被激活。当这12支探测器有两支达到动作值被激活时，燃机保护动作，同时报警器响起，并且发出二氧化碳释放信号。

当探测到火焰时，从消防控制柜向灭火系统发送信号，出于人员安全因素二氧化碳排放延迟30秒，当二氧化碳释放时，风门关闭以保持浓度。燃机罩壳外两侧分别有一个状态显示面板和手动释放按钮，手动释放按钮带有保护罩壳，紧急情况下手动释放二氧化碳。

5.5 燃机火灾保护

SGT-700燃气轮机燃气发生器配置了4个火焰探测器，用于监视燃机燃烧状态。火焰检测器分别安装于燃机燃烧室6号燃烧器位置和15号燃烧器位置，用于检测燃机启动火焰和主火焰。火焰检测器通常是由一个光学传感器装置和一个光电转换器组成的，传感器装置将火焰信号通过光纤电缆输入光电转换器，光电转换器则会将光信号转换成电子信号发送到评估装置上，评估装置可以评估天然气火焰的强度，判断火焰是否处于正常的状态。当主火焰故障时，燃气轮机保护动作。