淺談9HA.01燃機SILs核心保護系統功能及調試方法

龍顏長，朱良君，宋華偉，李杰龍，張大佳，白云山

（華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

1 機組設備概述

天津某燃氣蒸汽聯合循環機組由一臺燃氣輪機、一臺汽輪機、兩臺發電機和一臺余熱鍋爐及相關輔助系統和設備組成，一拖一分軸布置。其中燃氣輪機為GE公司生產的全球首臺3D打印微孔預混PG9371/9HA.01燃機。燃機簡單循環單軸機組出力為445.65MW，整套聯合循環的發電量約為650MW，聯合循環效率可達到62.81%。

燃氣輪機轉子采用單軸設計，雙軸承支撐，通過中間聯軸器在壓氣機端（冷端）與發電機相連。壓氣機采用14級軸流式壓氣機，壓氣機葉片采用3D葉型設計和“superfinishing”（超光潔度）技術。燃燒系統采用DLN2.6E微孔預混燃燒系統技術，采用逆流分管式設計，布置16個低NOx燃燒器，燃機透平部分采用4級透平葉輪，第1級葉片由單晶合金制造，同時采用表面熱障涂層技術，后3級葉片是由航空發動機合金定向固化而成。透平葉片前3級采用強制對流空氣冷卻，第4 級不設冷卻。本燃機機組配套的發電機為450H（QFN-530-2）氫冷同步發電機，銘牌功率PN442MW。

汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產型號為：LC165/N208-16.588/3.54/0.755、性能保證工況下發電功率為208.685MW，額定供熱工況下發電功率為132.757MW。三壓(帶補汽)、可調抽汽、凝汽式汽輪發電機組。

鍋爐采用則為無錫華光鍋爐有限公司生產的型號：UG-9HA.01-R，三壓、自身除氧、帶SCR、再熱、自然循環、無補燃、臥式余熱鍋爐。

2 SILs核心保護系統簡介

GT SILs是Gas Turbine Safety Integrity Level system的縮寫，中文稱為燃機安全完整性等級系統。1998年頒布的IEC61508功能安全標準中首次提出了SIL的概念，它是一種功能安全等級的劃分。IEC61508將SIL分為SIL1、SIL2、SIL3和SIL4四個等級。安全相關系統的SIL級別，是由風險分析計算得出來的，是通過分析風險暴露時間和頻率、風險后果嚴重程度、不能避開風險的概率和不期望事件發生概率等四個因素綜合得出。SIL級別越高，要求的危險失效概率就越低。

保護系統包括以下內容：YSIL I/O成套設備，TCSA作為備用保護系統的主要終端板，本地處理器和數據采集板安裝在TCSA，WCSA是TCSA板上所需的子板，SCSA是通過串行總線連接到WCSA的I/O擴展板(三個)。圖1顯示了YSIL保護系統圖，其中燃機Mark VIeS安全控制器用于各種過程控制和燃機械應用，將被控燃氣輪機置于或保持在安全狀態。YSIL系統采用ControlST V5.04或更高版本，是一個三重冗余SIL 3系統，它將獨立于主保護系統使燃機跳閘，YSIL監控每個主控制器以進行速度差分檢測，并進行診斷判斷，從三個YSIL部分中的每個產生燃機跳閘信號，其在TCSA板上饋送并去跳閘繼電器。

圖1 YSIL保護系統

保護系統可監控多達9個無源磁性速度傳感器，可為HP、IP和LP軸提供最多3套3個冗余速度傳感器的輸入。它還支持多達10個Rueter-Stokes火焰探測器的接口，具有4～20mA輸入或8個霍尼韋爾火焰探測器輸入，具有335V直流輸入。跳閘保護I/O成套設備括：一個急停輸入 (TCSA)，九個電動螺線管輸出(TCSA兩個TMR，投票的驅動器觸點輸出(TCSA)。

3 SILs系統功能及調試方法

3.1 調試驗證前工作

在進行燃氣輪機保護系統調試工作前，對硬件檢查，確保電纜接線正確，機柜內所有硬件完好，可以正常送電；用戶軟件檢查，確保系統可以正確使用，一次設備檢查，對保護系統直接控制的電動閥等執行元件進行遠方操作試驗，對保護系統發出的熱工報警進行確認各項檢查完成后，強制相關燃機跳閘信號，檢查啟動檢查界面L3ISPSTCK:CPD界面無報警，通信無故障且勵磁啟動允許滿足，點火允許83-TVX就緒，點火程序就緒，點火變壓器得電。

3.2 緊急停機保護

當燃機在啟動及正常運行過程中，發生危及人身及設備安全重大事故的時候，而需要立即停止燃機或者跳機保護拒動時候，都可以立即手動打閘燃機，從而保護人身及燃機設備安全。9HA.01燃機緊急停機按鈕有兩處，分別安裝在遠方DCS集控臺面處和就地mark Vies控制柜門處。保護信號均來自開關量輸入，通過在就地MarK VIeS控制柜手動打閘L5L停機按鈕和集控室L5R與串接緊急停機按鈕L5Estop—FBZ壓入開關動作，則燃機MarK VIeS安全邏輯控制器應發出動作信號，報警裝置發出聲光報警，實時報警欄提示對應的緊急停機按鈕動作。

3.3 超速保護

燃氣輪機是一種高速轉動的機械，其轉動部件的應力和轉速有著密切的關系，由于離心力正比于轉速的平方，當轉速升高時，因離心力所造成的應力將會迅速增加。當轉速升高20%額定轉速時，應力就接近于額定轉速時的1.5倍。葉輪等緊力配合的轉動部件的松動轉速通常也是按高于額定轉速20%額定轉速設計的，如果轉速升高到不允許的數值，會導致燃氣輪機設備的嚴重損壞，因此，當9HA.01燃氣輪機轉速超過額定運行轉速的110%就動作，并迅速切斷燃氣輪機的燃料，使其停止運轉。

3.4 振動保護

燃氣輪機振動保護由幾個獨立的通道組成。各通道分別用裝在燃氣輪機或發電機軸承座上的傳感器檢測振動，振動傳感器借助磁鋼穿過固定線圈產生一個微小的電壓輸出，用屏蔽雙芯電纜將檢測器連接到在Mark-VIe控制盤上的TBQB端子板上，從TBQB端子板來的檢測信號由在共同保護軟件程序中運行的I/0配置參數進行標定。當檢測到傳感器有故障或當振幅超過程序給定的遮斷整定值時，振動保護軟件程序將顯示出一系列報警信息，與所給定的報警和遮斷值進行比較。當機組振動過大時發出報警和遮斷機組，從而防止燃機在啟動及運行過程中軸承振動超限引起燃機及發電機動靜摩擦，危及設備安全。

3.5 燃料流量過大

在燃氣輪機點火過程，為了防止點火初期時候燃氣流量過大在燃氣輪機內部爆燃，設置點火燃氣流量過大保護，9HA.O1設置的是大于18.24IB/s，燃機跳閘。強制開啟燃氣控制閥，模擬點火過程，達到保護動作值LEFFF_TRP，燃氣流量大于18.24IB值。則燃機MarK VIeS安全邏輯控制器應發出動作信號，報警裝置發出聲光報警，實時報警欄提示對應的緊急停機按鈕動作。

3.6 燃機點火保護

在啟動過程中，在點火期間監視燃燒室是否點燃是非常重要的，當機組點火程序觸發后，一旦有兩個火焰探測器見火，就算機組點火成功，允許啟動程序繼續進行，則火焰探測器發出信號使FSR從點火值減少至暖機值，并使程序向前繼續；若”LFI_PTRP_TRP點火指令發出10s后未檢測到火焰。或者”LFI_SFTRP_TRP在輕吹時檢測到火焰或兩個以上的火檢信號故障，延時2秒。或者”LFTI_GCV_ERR點火允許前GCV3或4開度>6%，在燃燒室中還沒有建立火焰，則發出信號切斷燃料，啟動程序中止，以免燃料積聚在燃燒室或透平內可能發生爆燃等重大事故。

3.7 燃機運行過程中火焰丟失

在燃機正常運行過程中，如果燃機突然發生火焰丟失，燃機滅火。進入燃料大量積聚在燃燒室或透平內可能發生爆炸等重大事故。所以在燃機火焰丟失后迅速切斷進入天然氣禁止再次點火。

3.8 危險氣體探測

為了防止燃機天然氣系統發生泄漏引起爆炸，燃機設置了危險氣體探測系統，在燃機的控制閥系統處端和燃燒段區域，共配備2個區域探測點，設置了2個探頭，對天然氣進入機組內可燃氣體全程進行監視，各天然氣探頭若檢測到天然氣濃度達6%LEL，則發對應位置天然氣濃度高報警，如果是兩個燃機間危險氣體檢測裝置一個達到10%LEL高高，且另外一個高高或不在運行狀態，延時120ms。

3.9 通風風壓監視

燃機罩殼通風風壓監視：其主要作用是監視從室外吸進空氣，經過在通風罩殼內循環冷卻后，保持關鍵罩殼內的氣溫在可接受的范圍內。并將燃機運行中散發出的部分熱量以及天然氣供氣管道可能泄漏的天然氣排至罩殼外，罩殼內風壓是衡量機組的安全運行重要指標。

3.10 燃機火災保護

9HA.01燃機火災滅火保護采用是HI-FOG 水霧噴淋滅火裝置，用于燃機透平室和2號軸承空間艙室發生的碳氫化合物引起的火災，系統包括泵系統、連接管道及就地噴頭、火災探頭組成。火災發生后依次啟動泵組，從而降低電力峰值負荷。可以自動、手動或遠程啟動MSPU。當出現火災會導致一個或多個灑水器上的熱感應燈泡破裂。或者，打開區段閥。此外，流量監視器檢測流量并啟動MSPU。滅火系統高壓水流隨之關閉GTG機組透平室防火閘，它利用水作為介質，在特定的高壓下通過高壓噴頭，將水霧化，水霧吸熱后迅速汽化，體積急劇膨脹，起到冷卻和窒息滅火的作用，同時，驅散機室內可燃氣體，制造一個防爆氛圍。

4 結語

依據《燃氣輪機及聯合循環機組啟動調試導則》（DL_T_1835-2018）與廠家給出各系統說明書要求及mark系統邏輯流程，按照GE 9HA.01調試手冊規定分系統調試階段完成了各項保護試驗后，各種保護控制功能運行正確、可靠且滿足機組正常運行需要。在試運階段，SIL的硬接線跳閘、復位操作、冗余切換均應滿足運行要求。