航改型燃氣輪機發電機組的電氣安全設計應用研究

高彥生

摘要：本文以華電分布式能源項目的50MW等級航改型燃氣輪機發電機組為例，對其電氣系統進行分析，并為相關的航改型燃氣輪機發電機組的電氣系統安全設計、測試、施工提供借鑒，也為進一步的系統改造打下基礎。

關鍵詞：航改型燃氣輪機;電氣安全;系統應用

1 ?概述

隨著社會的不斷進步與發展，新技術、新能源已成為社會不斷前進的重要發展推動力。在對能源越來越要求高效化、清潔化的今天，新型航改型燃氣輪機發電機組的應用越來越廣泛。比起傳統的火電機組，航改型燃氣輪機機組結構緊湊，輔助設備少，智能化程度高，所需的運行維護人員也更少，所以在設計時要充分考慮機組的整體可靠性及安全性。在此背景下以華電分布式能源項目的50MW等級航改型燃氣輪機發電機組的電氣系統進行安全性分析，對相關的航改型燃氣輪機發電機組的電氣系統設計的后續研發和設計有著借鑒性意義。航改型燃氣輪機發電機組的電氣系統設計是一項應用性較強的應用型技術開發，在整個系統的設計中，除了要考慮其自身結構的適應性，同時也要兼顧對環境的影響;既要從系統角度分解設計各個子系統，又要針對具體要求進行詳細設計滿足項目系統設計的要求，切實做好多要素件的考量和規劃，在實現整體功能的完整后，也為進一步的系統改造打下基礎。

2 ?航改型燃氣輪機機組介紹

在對航改型燃氣輪機機組項目分析過程中，以50MW等級航改型燃氣輪機機組項目為基礎進行分析，機組為聯合循環應用，用于熱、電、冷三聯供，負荷特性是以冷、熱負荷定電負荷。根據項目的使用環境和地理位置，提供基于LM6000燃氣輪機開發的成套燃氣輪機發電機組。如圖1所示為LM6000燃氣輪機發電機組的布局圖，采用標準的模塊化設計，包括航改型燃氣輪機LM6000、齒輪箱和發電機系統、燃機箱體、發電機箱體、控制系統、燃機噴水系統、進氣系統、排氣系統、燃料系統、潤滑系統、液壓啟動系統、勵磁系統、發電機繼電保護系統、消防滅火系統、直流電系統、在線/離線水洗系統、防凍處理等。應用于不同區域時，可以按照當地的不同環境增加可選的功能配置。

本文主要針對以下兩個方面研究燃氣輪機發電機組電氣安全系統的設計：

①危險區域電氣系統設計;

②接地系統設計。

3 ?電氣安全設計應用研究

航改型燃氣輪機機組由于其集成化和智能化，所需的運行維護人員也更少，所以在設計時需要充分考慮機組的整體可靠性及安全性。同時在電廠的安裝施工過程中，存在設計方（設計院）、設備廠家、施工方等之間的協同配合，按照以往的經驗，機組的危險區域設計安裝工藝以及機組的接地系統非常容易導致機組調試和運行中出現故障。所以要在機組的設計過程中充分考慮這些因素，減少設計方（設計院）的額外設計，降低施工方的施工難度，減低機組調試過程中產生的相應故障，提高機組運行可靠性。

3.1 危險區域電氣系統設計

LM6000航改型燃氣輪機機組采用的燃料為天然氣，根據危險區域要求，按照GB3836-14（等同IEC60079-10）標準，航改型燃氣輪機發電機組屬于爆炸性環境2區，具體的危險區域劃分如圖2陰影部分所示。在產品的設計上尤其要關注這些部分的設計、制造和現場施工。

依據標準，此危險區域等級的電氣設備及安裝附件防爆類型一般會選用本安“i”或隔爆“d”。本安電氣設備防爆原理是通過限制電氣設備電路的各種參數或采取保護措施來限制電路的火花放電能量和熱能，使其在正常工作和規定的故障狀態下產生的電火花和熱效應均不能點燃周圍環境的爆炸性混合物，從而實現電氣防爆。本安設備在電廠安裝時需要通過電纜連接至外部系統，組成一個完整的本質安全電路，此時設計方必須要考慮在電路中加裝安全柵，限制進入設備的能量，即限壓限流，從而不會使現場產生火花，即使短路情況下也不會發生爆炸。而如果采用隔爆型設備，則無需考慮安全柵等外部電路安全的設計，可以減少額外的設計工作或是因為人為失誤導致的安全隱患。（圖2）

圖2中所示燃機艙室、燃機艙室通風區域、燃機艙室排氣區域均列為爆炸性環境2區（圖中陰影區域），這些區域安裝的電氣部件均需要防爆認證。對于圖中非陰影部分，盡管設計上是非危險區域，但實際制造和安裝施工使用的元器件及制造或施工方法也必須按照防爆電氣方法進行。

燃氣輪機艙室內包含燃氣輪機、燃機電纜、震動探頭、消防系統部件、照明設備、緊急停止開關、溫度探頭。此艙室內的所有部件要符合ATEX/CE/Ex II 3G，并且經過認證。其中連接到燃機和相關設備的電纜均要耐高溫，耐油型電纜，最好是防爆工業電纜，如果是非防爆電纜，在電纜和部件的連接上必須使用滿足防爆類型的格蘭、接頭、接線盒等相關連接件。電纜需要穿過艙室與外部控制柜或接線箱互聯，那么電纜穿過燃機艙必須經由防火密封轉接系統穿過燃機艙，而且此防火密封轉接系統必須有防爆認證;同時，在安裝電纜過程中，安裝方式和方法也必須滿足防爆防火的要求。在燃機艙外非陰影區，盡管被定義為非危險區，但涉及電氣的部件也必須是防爆認證產品，同時電氣部件安裝方式也必須安裝防爆要求進行安裝。

燃氣輪機排氣口和燃機艙排風電機及VBV排氣口也是危險區，圖中弧度半徑為1米，在此陰影區域內都是危險區二區，所有使用的電氣元件必須滿足防爆標準，同時電氣安裝也必須滿足防爆要求。在安裝現場不允許有任何非防爆電氣設備存在。

所有危險區域及與非危險區域接口處也要按照危險區域設計。同時為了實現產品防爆安全，在設計上必須涉及除了元器件外，還要考慮電纜連接和元器件的安裝必須滿足安全設計要求。所有接線箱、接口，Y型密封都需要防爆要求滿足危險2區的使用。

3.2 接地系統設計

燃氣輪機發電機組設計過程中，必須從安全角度綜合考慮接地系統，設計院、分包商、承建商必須按照要求進行施工、驗收。包括：

3.2.1 交流低壓電源配電系統的接地方式

由于電站處于危險環境且對供電安全要求比較高，采用TN-S系統供電，接地系統PE線與N線必須從變壓器低壓側全線分開，各負載設備需要可靠有效的接地。嚴禁采用TN-C接地方式，同時增加接地故障保護（30mA）設計，增加每個單相支路過載保護設計。

3.2.2 電氣控制系統的接地方式

為了保證燃機機組電氣控制系統的正常可靠運行，防止出現因信號干擾導致停機或事故，需要將保護接地和儀表接地進行區分，單獨連接至現場的接地點。如圖3所示為保護PE及儀表IE接地示意圖。在設備設計時需要將這些因素考慮并體現在具體的圖紙中，保證在施工過程中能夠有效執行;同時在現場施工期間，屏蔽層剝離必須可靠，無間斷，保證系統抗干擾性能。

3.2.3 客戶現場接地檢查

當燃氣輪機發電機運到客戶現場進行現場安裝過程，現場接地系統施工設計、安裝和檢查是重中之重，現場項目經理、施工監理必須認真嚴格執行接地系統施工與檢查，因為這些保護地排，儀表地排必須分開，如圖3。當進行產品與儀表地排和保護地排進行連接過程中，施工人員與廠家電氣工程師必須進行充分溝通和交底后才能開始布線，隔離并預留10%富裕線，同時在接線結束后，廠家電氣工程師與施工人員必須進行檢查和測試并在作業單上簽字，以此保證燃機輪機發電機組信號在干擾情況下能正常運行，不至于產生停機的干擾誤停機信號。

4 ?結論

本文以華電分布式能源項目的50MW等級航改型燃氣輪機發電機組電氣安全設計實踐為例，對于其相關的航改型燃氣輪機發電機組電氣系統設計的后續研發和設計有著借鑒性意義，通過項目的具體實施過程，對細節等過程的把控實現航改型燃氣輪機發電機組的電氣系統綜合設計應用，為后續研究深化打下基礎。同時在項目實際執行過程中，廠家、設計方和施工方能更熟悉此類產品的安裝設計、施工，共同保證航改型燃氣輪機發電機組穩定可靠運行，進而提升發電機組運營效率。

參考文獻：

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