M701F4型燃氣輪發電機組基建熱控可靠性優化

江蘇國信淮安第二燃氣發電有限責任公司 吉 杰

引言

某燃氣電廠建設有兩套M701F4型分軸燃氣輪發電機組，機組于2015年底開工建設，在主輔設備招標過程中吸收了燃煤機組及燃氣機組的系統及設備優化改造經驗，同時技術人員多方調研同類機組在基建和運行中發生的問題并進行了匯總，逐一對照進行排查避免相似問題重復發生。

在成套設備安裝的過程中，發現多處系統設備邏輯及控制回路的設計違反了“二十五項反措”及相關行業標準的要求，技術人員在保證設備安全運行的前提下提出了優化方案。下面對發現的隱患進行簡述并提出優化措施。

1 調壓站ESD緊急關斷閥電源回路優化

1.1 調壓站系統概述及ESD緊急關斷閥的安全設置要求

燃氣電廠天然氣調壓站有入口單元、計量單元、分離單元、過濾單元、冷凝儲罐單元、加熱單元、調壓單元等部分組成，進入電廠的管道天然氣進行分離、過濾、加熱、調壓等處理。在廠外管道末站和入口單元之間配置有一只天然氣緊急關斷閥（Emergency Shutdown Device），簡稱為ESD緊急關斷閥。

ESD緊急關斷閥在燃氣電廠發生天然氣大量泄漏、火災或其他緊急事件時，可快速切斷末站對電廠的天然氣供應，保證電廠的安全。由于ESD緊急關斷閥是隔絕末站與電廠的天然氣傳輸唯一遠操關斷閥，如果ESD緊急關斷閥誤動將引起全廠運行機組的“非停”，因此該閥門設置的安全性應該是全廠最高級別的。

總結已投運機組ESD緊急關斷閥發生過的異常及行業規范的安全設置要求，在調壓站設備采購中技術人員簽訂技術協議時嚴格設定ESD閥的規范要求。

a.執行機構選擇氣動執行機構，關閉時間小于3秒。

c.為避免執行機構儀用氣源失氣，導致ESD閥異常關閉，配置儀用氣儲氣罐，儲氣罐出口用雙路管道供氣。

d.儀用氣管路進行伴熱和保溫，避免極寒天氣由于執行機構的儀用氣管路出現凍堵現象，導致ESD閥異常動作。

e.ESD緊急關斷閥設置遠傳信號，傳輸閥門的狀態信號至集控室DCS。當出現重大事故時，由DCS系統發出緊急關閉指令或在控制室操作事故按鈕，立即關閉ESD緊急關斷閥。

1.2 ESD閥冗余電磁閥配置氣路控制原理分析

ESD緊急關斷閥具有遠方開啟、關閉功能，如圖1所示。當遠方開啟指令發出時，主路電磁閥與旁路電磁閥同時帶電，儀用氣源通過減壓過濾閥后，通過兩位五通的電磁閥工作位置、切換閥的自動工作位置進入氣缸，推動活塞帶動閥門開啟。

當遠方關閉指令發出時，主路電磁閥與旁路電磁閥同時失電，電磁閥處于非工作位置，將氣路中的儀用氣排出。快速排放閥由于氣路與氣缸存在的壓力差動作，將氣缸氣體排出，活塞帶動閥門關閉。

當主路電磁閥故障時，故障狀態有可能電磁閥由于某種原因失電或者是帶電時無法切換工作狀態，此時旁路電磁閥起到備用作用，儀用氣通過旁路電磁閥和切換閥進入氣缸。當旁路電磁閥故障時，主路電磁閥起到同樣的備用作用。所以氣路中配置兩個電磁閥，起到冗余作用。

工科院校科學規范、周密細致、合理可行的培訓方案是新教師培訓動機產生的直接誘因。工科院校的培訓方案有必要向新教師廣泛宣傳，讓新教師理解、認同、接納，以增強這一直接誘因的強度。

當主路電磁閥與旁路電磁閥同時故障或失效時，可將切換閥切換至手動位置，開啟手動開關閥，將儀用氣源通過旁路直接進入氣缸，使得閥門開啟。此種手段作為后備應急手段，可緊急將閥門開啟。

圖1 ESD緊急關斷閥冗余電磁閥配置氣路圖

1.3 ESD緊急關斷閥電源回路安全可靠性及優化措施

調壓站廠家提供ESD緊急關斷閥的控制原理圖如圖2所示。閥門開啟時：DCS系統發出“DCS打開入口ESD閥”開啟指令，繼電器9KA1、9KA2同時吸合，繼電器輔助接點9KA1-21、24和9KA2-21、24閉合，主路電磁閥和旁路電磁閥同時帶電，氣源進入氣缸，驅動執行機構帶動閥門開啟，同時9KA1-11、14和9KA2-11、14將閥門開啟指令保持。

閥門關閉時：DCS系統發出“DCS關閉入口ESD閥”指令，繼電器9KA1、9KA2同時失電，9KA1-21、24和9KA2-21、24斷開，主路電磁閥和旁路電磁同時失電，氣缸氣源放氣，執行機構帶動閥門關閉。

閥門緊急關閉時：集控室操作臺設置急停雙跳閘按鈕9PB2，同時按下使9KA3繼電器得電，9KA3常閉輔助接點11、12斷開，兩路電磁閥9KA1、9KA2同時失電，閥門關閉；就地控制盤急停按鈕9PB1，按下使電磁閥9KA1、9KA2同時失電，閥門關閉。

圖2 ESD緊急關斷閥控制原理圖

通過對電源回路圖的分析發現了多處設計隱患，針對這些隱患采取了優化措施。

1.3.1 增加一路DC24V開關電源

電磁閥控制電源回路內，只有一個DC24V開關電源，當開關電源故障時，電磁閥會失電。

通過圖2分析，DCS系統遠程開啟指令通過繼電器9KA1、9KA2同時吸合，主路電磁閥和旁路電磁閥同時帶電，閥門打開。由于DCS系統和閥門控制回路距離較遠，該回路采用了多個繼電器、按鈕等電器元件的常閉觸點，當出現控制回路9-001到9-004中任何因斷線或繼電器故障都將導致開啟指令失去時，兩路電磁閥雖然冗余配置但是由于控制回路只有一路易引起閥門誤動。

1.3.2 修改控制回路

圖3 優化后的ESD緊急關斷閥控制原理圖

在DCS系統中增加一路關閉指令，將原有的開啟繼電器9KA1、9KA2回路分開并聯，形成回路冗余配置，9KA1、9KA2只要有一路回路工作正常閥門可以正確動作，見圖3。優化后在控制回路電磁閥、電源、控制回路都實現了冗余，可以確保ESD緊急關斷閥的正確動作。

2 燃機進氣系統差壓高快減負荷邏輯優化

2.1 燃機進氣系統概述

燃氣輪機進氣系統是對進入燃機的空氣進行過濾，濾掉其中的雜質，確保機組高效可靠地運行。進氣壓力損失對機組的效率及出力影響較大，粗略計算進氣壓力損失（壓降）每增加1Kpa,燃機出力降下降1.54%，熱耗增加0.56%,排氣溫度增加1.7℃。因此進氣壓力的測量是燃機性能的主要監測和保護項目。

2.2 進氣系統壓差監視及系統保護設置分析

進氣系統中設置了多個壓力和壓差測量元件，包括初濾壓差（MBL01CP501），用于檢測進氣過濾器初濾前后差壓，測量值超過設定值控制系統發出“初率濾壓差高報警”；精濾壓差（MBL01CP502），用于檢測進氣過濾器精濾前后的差壓，測量值超過設定值燃機TCS控制系統發出“精率濾壓差高報警”；這兩個測點都是用于運行人員監測粗濾、精濾過濾器的性能做出運行判斷。

系統還設置了進氣道壓差變送器（MBL01CP 504），用于檢測進氣過濾器精濾后壓力與大氣的差壓，當測量值超過設定值(2.06KPA)，觸發控制邏輯信號快減負荷邏輯，機組快速減負荷來維持差壓。

進氣系統同時設置三只進氣道壓差開關（MBL 01CP601、602、603）,當三個壓力開關的測量值有兩個開關的測量值大于開關設點值＞2.25Kpa，則觸發控制邏輯燃機“進氣濾腔室差壓高”保護，燃機跳閘。

2.3 進氣過濾系統壓差系統保護設置可靠性分析及優化措施

通過對系統及測點分析，進氣道壓差高保護跳閘通過三只差壓開關采用了三取二的保護邏輯，該保護方案的設計從取樣點到保護元件的設計及保護邏輯都符合《火電廠熱控系統可靠性配置與事故預控》的要求。而進氣道壓差變送器測量值作為運行值班人員監控的主要參數，采用了差壓變送器測量并送監控畫面顯示，但是該測量值同時還作為機組在并網后高負荷段進氣系統差壓高快減負荷邏輯的觸發條件。這個測點的異常，運行人員將失去對進氣道壓差測量監視參考。而快減負荷的邏輯觸發條件采用單點保護違反了“二十五項反措”關于“主要保護信號，應滿足采用三個互相獨立的一次測量元件和輸出通道，并通過三選二邏輯實現”的要求。

2.3.1 優化措施

MBL01CP504差壓變送器相同位置增加兩個變送器MBL01CP505、MBL01CP506，將其測量值全部在畫面顯示作為運行人員監控依據，同時加入SOE點作為歷史事故追憶，見圖4。

對進氣道壓差測量變送器MBL01CP504、MBL01CP505、MBL01CP506模擬量與定值2.03Kpa比較后三選二作為快減負荷的邏輯判斷條件。

圖4 燃機進氣壓差測量圖

3 燃機跳閘油電磁閥控制優化

3.1 燃機跳閘油系統概述

圖5 燃機跳閘油電磁閥現場實物圖

M701F4分軸燃機的跳閘油與潤滑油都取自燃機潤滑油箱，伺服閥的控制油來自于燃機的EH油箱。為了防止機組運行中因部分設備工作失常而導致重大事故的發生，在跳閘油回油管道安裝有跳閘油電磁閥，電磁閥接收控制系統發來的掛閘或者跳閘信號，實現跳閘油的建立和釋放的功能，以達到機組的掛閘和停機的目的。在機組需要緊急停機時，電磁閥動作泄掉跳閘油，所有的關斷閥、伺服閥、控制閥因為失去了跳閘油而關斷，實現停機。

為了防止機組運行中因部分設備工作失常而導致重大事故的發生，在跳閘油回油管道安裝有跳閘油電磁閥，電磁閥接收控制系統發來的掛閘或者跳閘信號，實現跳閘油的建立和釋放的功能，以達到機組的掛閘和停機的目的。在機組需要緊急停機時，電磁閥動作泄掉跳閘油，所有的關斷閥、伺服閥、控制閥因為失去了跳閘油而關斷，實現停機。

3.2 燃機跳閘油保護系統可靠性分析

跳閘油回油管路配了一只常帶電電磁閥（MBV04AA011），從圖5可以看到，在燃機天燃氣FG閥站間設置了跳閘油電磁閥，電磁閥采用美國ASCO110V直流電磁閥，從電磁閥本身及三菱廠商的運行經驗,該電磁閥自身的可靠性還是比較穩定的。

但是從煤機同類系統長時間的運行考驗，跳閘油回油管路配一只跳閘電磁閥還是出現了相當多的誤動事故，因此都進行了系統優化。為了提高跳閘系統的可靠性，重新設置了跳閘模塊，跳閘模塊設置4個相同的電磁閥，采用串、并聯混合布置。分為兩個通道，在機組跳閘信號發出，每個通道至少有一個跳閘閥打開，才能導致停機。這樣可以避免運行中損壞或異常失電跳閘，同時還可以避免在閥門芯卡澀的拒動的風險。

3.3 燃機安全油保護系統優化措施

燃機安全油系統的優化由于涉及到燃機控制系統的邏輯修改，在優化溝通過程中雖然技術人員拿出了國家能源局的條文和行業規范要求廠家進行修改，多次交涉但是外方始終堅持系統運行穩定沒有出現該電磁閥異常報告，不落實整改要求。主設備供貨廠家東方汽輪機公司由于沒有對控制邏輯修改的權限，技術人員只有根據現有的控制接線圖在不改變控制邏輯的情況下來對系統進行優化。

3.3.1 優化措施

從圖5可以看出，需定制四取二的跳閘油跳閘模塊，增加MBV04AA012、MBV04AA013、MBV0 4AA014三個電磁閥，從連接法蘭處直接更換跳閘模塊，可以保證硬件的冗余可靠。對于四取二的安全油跳閘電磁閥進行分組控制，MBV04AA011、MBV04AA012為一組采用系統中原有TRP SVR QG G1繼電器控制，MBV04AA011、MBV04AA0 12為一組采用增加TRP SVRQG G2繼電器來控制，達到控制元件分散的功能，保證了控制回路的安全可靠。

采用邏輯系統中原有輸出繼電器的備用點輸出接點及系統TCS輸出分列增加一只繼電器輸出，達到在邏輯不修改的情況下增加了系統的冗余性。

該方案的提出，通過與東方汽輪機廠了解在國內分軸燃機優化尚屬首次，方案存在需要訂制專用跳閘油模塊及跳閘油保護回路接線修改，還有方案的完整性及可靠性還需要評審，現只是作為參考方案逐步整改完善。