華潤(rùn)電力鄭州航空港智慧能源有限公司 杜軍林 馬 瑞 王永濤 杜 威 劉齊飛 王鑫喆 劉 壘

1 引言

燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)是目前世界公認(rèn)標(biāo)志國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)先進(jìn)程度的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)我國(guó)的電力、能源、航空、航天等諸多領(lǐng)域的發(fā)展有著重要意義。燃機(jī)作為分布式能源的動(dòng)力裝置，具有更為靈活、安全、潔凈的發(fā)電和熱電冷聯(lián)供方式，相對(duì)于燃煤發(fā)電機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)在熱效率和環(huán)境保護(hù)等方面均有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 系統(tǒng)概況

本公司本期2套聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組由2臺(tái)西門子SGT-700型燃?xì)廨啓C(jī)組、2臺(tái)余熱鍋爐和相關(guān)的輔助設(shè)備、1臺(tái)背壓蒸汽輪發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)純凝蒸汽輪發(fā)電機(jī)組串聯(lián)組成。西門子SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)基于滿足客戶對(duì)高可靠性、清潔運(yùn)行以及高效發(fā)電的要求，同時(shí)還為客戶帶來(lái)了其他的價(jià)值，如低生命周期成本，快速核心機(jī)更換，設(shè)計(jì)緊湊占地面積小等特點(diǎn)。這一燃?xì)廨啓C(jī)基于重載型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，并納入了航改型燃?xì)廨啓C(jī)在尺寸和重量方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還保持了傳統(tǒng)工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)可靠耐用，靈活和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。

為對(duì)燃機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，確保燃機(jī)設(shè)備和人身安全，燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)設(shè)置了主保護(hù)、啟動(dòng)閉鎖和啟動(dòng)中止等保護(hù)來(lái)限制燃機(jī)的啟動(dòng)或在必要時(shí)停止燃機(jī)運(yùn)行。

3 燃機(jī)啟動(dòng)閉鎖

燃機(jī)的啟動(dòng)閉鎖主要是通過(guò)控制邏輯制約達(dá)到限制燃機(jī)啟動(dòng)的目的，以確保燃機(jī)啟動(dòng)的各個(gè)條件均已滿足。以圖1某燃機(jī)啟動(dòng)操作界面為例，燃機(jī)啟動(dòng)需滿足電氣許可、油系統(tǒng)就緒、消防系統(tǒng)允許等條件，以使燃機(jī)能夠安全啟動(dòng)和運(yùn)行。

圖1 某燃機(jī)啟動(dòng)操作界面圖

SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)閉鎖條件有發(fā)電機(jī)冷卻水泄露、燃料系統(tǒng)主控閥后管道內(nèi)壓力高、燃料系統(tǒng)值班氣控制閥后管道內(nèi)壓力高、手動(dòng)盤車工具就位、動(dòng)力渦輪排氣壓力低、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速差異大、潤(rùn)滑油供油溫度低、潤(rùn)滑油油箱溫度低等。

3.1 潤(rùn)滑油溫度低啟動(dòng)閉鎖

不同油溫會(huì)影響潤(rùn)滑油的黏度，溫度越高，油的運(yùn)動(dòng)粘度變低，泵的泄漏量就會(huì)增大，效率也就降低，溫度越低的話，油的運(yùn)動(dòng)黏度變大，會(huì)影響泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)造成流動(dòng)過(guò)程能耗增加，對(duì)閥的正常工作影響也較大，閥芯容易卡澀。同時(shí)，軸承入口油溫過(guò)低不利于建立均勻油膜，造成軸振大等現(xiàn)象從而損壞設(shè)備。為此，燃機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)的啟動(dòng)閉鎖保護(hù)設(shè)備安全。

SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)配備了1支溫度傳感器對(duì)潤(rùn)滑油箱溫度持續(xù)監(jiān)測(cè)，并且配備了3支溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫控閥后供油溫度。當(dāng)潤(rùn)滑油箱溫度達(dá)到LII（20℃）時(shí)，燃機(jī)啟動(dòng)閉鎖。溫控閥后供油溫度經(jīng)評(píng)估后判斷潤(rùn)滑供油溫度達(dá)到LII（30℃）時(shí)，燃機(jī)啟動(dòng)閉鎖。

3.2 動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速測(cè)量故障啟動(dòng)閉鎖

如圖2動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)圖所示，SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)配置了3支速度傳感器（10MBB10CS005、10MBB10CS010、10MBB10CS020）監(jiān)測(cè)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速，其中2支速度傳感器（10MBB10CS005、10MBB10CS010）將信號(hào)發(fā)送到10MBB10FS901進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)10MBB10CS005與10MBB10CS010之間的測(cè)量值差達(dá)到HI（150rpm）表示測(cè)量故障，觸發(fā)燃機(jī)啟動(dòng)閉鎖，從而避免因動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差而造成的保護(hù)動(dòng)作。

圖2 動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)圖

3.3 手動(dòng)盤車工具就位啟動(dòng)閉鎖

SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)配置了1支限位開(kāi)關(guān)，用來(lái)監(jiān)測(cè)燃機(jī)手動(dòng)盤車工具的插入狀態(tài)。當(dāng)手動(dòng)盤車工具插入時(shí)，為避免運(yùn)行人員誤操作造成現(xiàn)場(chǎng)巡視人員受到傷害和設(shè)備損壞，燃機(jī)設(shè)置了啟動(dòng)閉鎖限制燃機(jī)的啟動(dòng)，當(dāng)限位開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)到手動(dòng)盤車未插入時(shí)，燃機(jī)此項(xiàng)啟動(dòng)條件滿足。

3.4 啟動(dòng)閉鎖條件（見(jiàn)表1）

表1 啟動(dòng)閉鎖條件

4 燃機(jī)啟動(dòng)中止

燃機(jī)啟動(dòng)中止是指燃機(jī)在啟動(dòng)順控進(jìn)行期間，未滿足執(zhí)行條件而中止燃機(jī)啟動(dòng)順控的過(guò)程。SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)中止條件有燃料氣泄露測(cè)試失敗、燃料氣壓力高、燃料氣壓力低、燃機(jī)通風(fēng)出口和底座燃?xì)馓綔y(cè)濃度高、啟動(dòng)電機(jī)開(kāi)關(guān)設(shè)備故障、啟動(dòng)電機(jī)三相溫度高、燃機(jī)啟動(dòng)吹掃期間轉(zhuǎn)速低、燃?xì)獍l(fā)生器抽氣閥未打開(kāi)、燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)口導(dǎo)葉未就緒、點(diǎn)火或主火焰或值班火焰探測(cè)故障、點(diǎn)火器電磁閥或歧管位置錯(cuò)誤、單個(gè)燃燒室排氣溫度高等。

4.1 燃料氣泄露測(cè)試失敗啟動(dòng)中止

燃料氣泄露測(cè)試從本質(zhì)上是對(duì)燃機(jī)燃料系統(tǒng)#1燃料快速切斷閥、#2燃料快速切斷閥嚴(yán)密性進(jìn)行測(cè)試。SGT-700燃機(jī)燃料系統(tǒng)配置壓力監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)兩個(gè)燃料切斷閥之間的燃?xì)鈮毫Α．?dāng)進(jìn)行#1燃料快速切斷閥嚴(yán)密性試驗(yàn)時(shí)，燃料供應(yīng)#1切斷閥前燃?xì)鈮毫ⅲ藭r(shí)兩個(gè)切斷閥和放空閥處于關(guān)閉狀態(tài)，通過(guò)監(jiān)測(cè)5s 期間兩個(gè)切斷閥之間的壓力來(lái)判斷#1切斷閥嚴(yán)密性是否良好，當(dāng)壓力達(dá)到HII（150kPa）時(shí)證明#1切斷閥嚴(yán)密性測(cè)試失敗，燃機(jī)啟動(dòng)中止。進(jìn)行#2燃料快速切斷閥嚴(yán)密性試驗(yàn)，對(duì)#1、#2燃料快速切斷閥之間的管道儲(chǔ)存壓力后，此時(shí)兩個(gè)切斷閥和放空閥在關(guān)閉位置，通過(guò)監(jiān)測(cè)5s 期間兩個(gè)切斷閥之間的壓降判斷#2切斷閥嚴(yán)密性是否良好，當(dāng)壓力變化值達(dá)到LII（150kPa）時(shí)，#2切斷閥嚴(yán)密性測(cè)試失敗，燃機(jī)啟動(dòng)中止。

4.2 燃料氣供氣壓力報(bào)警啟動(dòng)中止

燃料氣壓力的大小直接影響燃燒器的工作效能，壓力低時(shí)燃燒器熱負(fù)荷過(guò)低，影響燃燒效果；壓力高時(shí)燃燒器熱負(fù)荷過(guò)大，會(huì)造成一氧化碳排量超標(biāo)、排煙溫度過(guò)高、熱效率低、損壞設(shè)備等后果。為此SGT-700燃機(jī)燃料系統(tǒng)通過(guò)對(duì)#1燃料快速切斷閥后燃料壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，來(lái)判斷供氣壓力是否滿足燃機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行條件。當(dāng)燃料氣壓力達(dá)到LI（2.7MPa.g）時(shí)報(bào)警并且燃機(jī)啟動(dòng)中止，當(dāng)燃料氣壓力達(dá)到HI（3.3Mpa.g）時(shí)報(bào)警并且燃機(jī)啟動(dòng)中止。

4.3 燃料氣泄露報(bào)警啟動(dòng)中止

為監(jiān)測(cè)燃料氣泄露，保障設(shè)備和人身安全，氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置了9個(gè)氣體探測(cè)器探測(cè)通風(fēng)排風(fēng)管道戶口和罩殼底板上的燃料氣體濃度。氣體探測(cè)器探測(cè)空氣中的氣體濃度并根據(jù)氣體濃度值發(fā)出4-20Ma 信號(hào)。所用的氣體探測(cè)器是根據(jù)IEC-60079-29-1認(rèn)證的“獨(dú)立氣體探測(cè)裝置”，對(duì)0～100%的爆炸下限提供線性4～20Ma 輸出信號(hào)。變送器接收到信號(hào)對(duì)燃機(jī)底座和通風(fēng)排氣管道出口的氣體探測(cè)器進(jìn)行“三取二”評(píng)估，當(dāng)評(píng)估出燃?xì)鉂舛冗_(dá)到HI（5%爆炸下限）時(shí)，燃機(jī)啟動(dòng)中止。

5 燃機(jī)保護(hù)設(shè)置

燃機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的主要任務(wù)就是對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行不暢、出現(xiàn)異常情況時(shí)，可以第一時(shí)間采取措施將主燃料閥門關(guān)閉，保護(hù)動(dòng)作，保證機(jī)組的安全[1]。

本公司保護(hù)功能設(shè)置的燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)機(jī)組主保護(hù)主要包含：發(fā)電機(jī)冷卻水進(jìn)口溫度高、發(fā)電機(jī)靜子三相溫度高、燃?xì)獍l(fā)生器超速、燃?xì)獍l(fā)生器軸向位移超限、軸承振動(dòng)高、齒輪箱缸體驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)高、發(fā)電機(jī)振動(dòng)高、燃料氣溫度低、火災(zāi)保護(hù)、通風(fēng)出口燃?xì)馓綔y(cè)濃度高、燃機(jī)進(jìn)氣壓差、罩殼通風(fēng)風(fēng)扇壓差低、動(dòng)力渦輪軸向位移、動(dòng)力渦輪速度偏差、排氣管差壓高、T7排氣溫度保護(hù)、密封空氣溫度高、潤(rùn)滑油箱壓力高、潤(rùn)滑油供油壓力、#2軸承前后油壓、主火焰故障、燃燒室壓力波動(dòng)異常等。

5.1 燃?xì)獍l(fā)生器超速保護(hù)

燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速為9600rpm，其轉(zhuǎn)動(dòng)部件的應(yīng)力和轉(zhuǎn)速有著密切的關(guān)系，由于離心力和轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，因離心力造成的應(yīng)力就會(huì)迅速增加。當(dāng)應(yīng)力過(guò)高時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，因此對(duì)SGT-700這種雙軸燃機(jī)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子還是動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子都必須裝設(shè)超速保護(hù)裝置。

如圖3燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)圖所示，SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器配置了3支速度傳感器（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），安裝于壓氣機(jī)進(jìn)口側(cè)測(cè)量燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，用于調(diào)速的同時(shí)保護(hù)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子不超速。三支速度傳感器發(fā)送信號(hào)給速度變送器（10MBT10FS805）進(jìn)行“三取二”邏輯判斷，當(dāng)3支速度傳感器有兩只顯示燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速達(dá)到動(dòng)作值HII（10200rpm）時(shí)，保護(hù)動(dòng)作。

圖3 燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)圖

5.2 燃機(jī)潤(rùn)滑油供油壓力保護(hù)

燃?xì)廨啓C(jī)潤(rùn)滑油供油壓力保護(hù)主要是確保燃機(jī)轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有穩(wěn)定合格的潤(rùn)滑油保護(hù)軸瓦不被燒毀。為了確保潤(rùn)滑油系統(tǒng)能夠提供充足的供油壓力，三臺(tái)潤(rùn)滑油兩用一備，當(dāng)一臺(tái)泵的出口壓力低時(shí)將自動(dòng)切換至備用潤(rùn)滑油泵，如果備用泵仍不能保證供油壓力，燃?xì)廨啓C(jī)保護(hù)動(dòng)作。SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)在微粒型過(guò)濾器后供油母管上配置3支壓力傳感器，持續(xù)監(jiān)測(cè)供油壓力，三支壓力傳感器發(fā)送信號(hào)給壓力變送器進(jìn)行“三取二”邏輯判斷，當(dāng)達(dá)到動(dòng)作值LII（110kPa.g）時(shí)，燃機(jī)延遲0.25秒緊急停機(jī)。

如果兩臺(tái)油泵同時(shí)出現(xiàn)故障，此時(shí)運(yùn)行中的一臺(tái)油泵仍能提供足夠的油壓和流量供燃機(jī)滑停。三臺(tái)潤(rùn)滑油泵均為交流潤(rùn)滑油泵，當(dāng)交流電源故障中斷時(shí)，潤(rùn)滑油泵電機(jī)由直流蓄電池供電，3min 后如果交流電源故障仍未解除，燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)作保護(hù)，并且油泵的轉(zhuǎn)速下降到45%以節(jié)省電池容量來(lái)為燃機(jī)提供充足的盤車時(shí)間。

5.3 燃機(jī)排氣溫度保護(hù)

燃機(jī)的溫度保護(hù)主要是通過(guò)對(duì)排氣溫度的監(jiān)視顯示出來(lái)的，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)處于正常運(yùn)行的情況下時(shí)，燃燒室及透平的溫度必須要控制在合理的范圍內(nèi)，否則可能會(huì)對(duì)燃燒室各種部件的強(qiáng)度及使用壽命造成不良影響。如圖4燃機(jī)排氣溫度監(jiān)測(cè)圖所示，SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)配備了16個(gè)排氣溫度傳感器（MBB10CT005-MBB10CT080）， 每個(gè)傳感器包含2支N 型熱電偶（-B01、-B02）。所有熱電偶均用于排氣溫度的計(jì)算。溫度變送器通過(guò)對(duì)這些排氣溫度的計(jì)算后，保護(hù)內(nèi)容有：一是如果32支熱電偶的平均值達(dá)到動(dòng)作值HII（595℃）啟動(dòng)期間20s 延時(shí)燃機(jī)緊急停機(jī)，平均值達(dá)到動(dòng)作值HIII（620℃）燃機(jī)緊急停機(jī)，平局值遞減率達(dá)到動(dòng)作值HII（100℃/S），燃機(jī)緊急停機(jī)；二是排氣溫度的最高值或最低值與平均值差值的絕對(duì)值達(dá)到動(dòng)作值HII（53℃），延時(shí)10s 燃機(jī)90s 甩負(fù)荷跳機(jī)，達(dá)到動(dòng)作值HIII（63℃），延時(shí)10s 燃機(jī)緊急停機(jī)。

圖4 燃機(jī)排氣溫度監(jiān)測(cè)圖

5.4 燃機(jī)火災(zāi)保護(hù)

燃機(jī)的火災(zāi)保護(hù)主要是火災(zāi)探測(cè)和滅火系統(tǒng)，其利用自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)和二氧化碳釋放裝置對(duì)燃機(jī)罩殼內(nèi)的火災(zāi)進(jìn)行滅火，以減少損失[2]。因此，燃機(jī)火災(zāi)保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)檢測(cè)保護(hù)區(qū)域火災(zāi)和觸發(fā)二氧化碳釋放裝置的功能。

火災(zāi)檢測(cè)主要是利用溫度探測(cè)器和火焰探測(cè)器探測(cè)。SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)共配備了6支溫度探測(cè)器和6支火焰探測(cè)器在燃機(jī)周圍，對(duì)罩殼內(nèi)進(jìn)行持續(xù)火災(zāi)檢測(cè)，當(dāng)溫度超過(guò)動(dòng)作值HI（163℃）時(shí)溫度探測(cè)器被激活，火焰探測(cè)器對(duì)火焰發(fā)出的紅外線光起反應(yīng)被激活。當(dāng)這12支探測(cè)器有兩支達(dá)到動(dòng)作值被激活時(shí)，燃機(jī)保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)報(bào)警器響起，并且發(fā)出二氧化碳釋放信號(hào)。

當(dāng)探測(cè)到火焰時(shí)，從消防控制柜向滅火系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，出于人員安全因素二氧化碳排放延遲30秒，當(dāng)二氧化碳釋放時(shí)，風(fēng)門關(guān)閉以保持濃度。燃機(jī)罩殼外兩側(cè)分別有一個(gè)狀態(tài)顯示面板和手動(dòng)釋放按鈕，手動(dòng)釋放按鈕帶有保護(hù)罩殼，緊急情況下手動(dòng)釋放二氧化碳。

5.5 燃機(jī)火災(zāi)保護(hù)

SGT-700燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器配置了4個(gè)火焰探測(cè)器，用于監(jiān)視燃機(jī)燃燒狀態(tài)?；鹧鏅z測(cè)器分別安裝于燃機(jī)燃燒室6號(hào)燃燒器位置和15號(hào)燃燒器位置，用于檢測(cè)燃機(jī)啟動(dòng)火焰和主火焰?；鹧鏅z測(cè)器通常是由一個(gè)光學(xué)傳感器裝置和一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器組成的，傳感器裝置將火焰信號(hào)通過(guò)光纖電纜輸入光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器則會(huì)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)發(fā)送到評(píng)估裝置上，評(píng)估裝置可以評(píng)估天然氣火焰的強(qiáng)度，判斷火焰是否處于正常的狀態(tài)。當(dāng)主火焰故障時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)保護(hù)動(dòng)作。

6 結(jié)論

深入學(xué)習(xí)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組的保護(hù)控制系統(tǒng)，結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況分析主保護(hù)、啟動(dòng)閉鎖、啟動(dòng)中止工作原理，科學(xué)合理使用燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，對(duì)提高保護(hù)設(shè)備安全和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有重要意義。