淺談9HA.01燃機(jī)SILs核心保護(hù)系統(tǒng)功能及調(diào)試方法

龍顏長(zhǎng)，朱良君，宋華偉，李杰龍，張大佳，白云山

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

1 機(jī)組設(shè)備概述

天津某燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組由一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、一臺(tái)汽輪機(jī)、兩臺(tái)發(fā)電機(jī)和一臺(tái)余熱鍋爐及相關(guān)輔助系統(tǒng)和設(shè)備組成，一拖一分軸布置。其中燃?xì)廨啓C(jī)為GE公司生產(chǎn)的全球首臺(tái)3D打印微孔預(yù)混PG9371/9HA.01燃機(jī)。燃機(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)單軸機(jī)組出力為445.65MW，整套聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電量約為650MW，聯(lián)合循環(huán)效率可達(dá)到62.81%。

燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子采用單軸設(shè)計(jì)，雙軸承支撐，通過(guò)中間聯(lián)軸器在壓氣機(jī)端（冷端）與發(fā)電機(jī)相連。壓氣機(jī)采用14級(jí)軸流式壓氣機(jī)，壓氣機(jī)葉片采用3D葉型設(shè)計(jì)和“superfinishing”（超光潔度）技術(shù)。燃燒系統(tǒng)采用DLN2.6E微孔預(yù)混燃燒系統(tǒng)技術(shù)，采用逆流分管式設(shè)計(jì)，布置16個(gè)低NOx燃燒器，燃機(jī)透平部分采用4級(jí)透平葉輪，第1級(jí)葉片由單晶合金制造，同時(shí)采用表面熱障涂層技術(shù)，后3級(jí)葉片是由航空發(fā)動(dòng)機(jī)合金定向固化而成。透平葉片前3級(jí)采用強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻，第4 級(jí)不設(shè)冷卻。本燃機(jī)機(jī)組配套的發(fā)電機(jī)為450H（QFN-530-2）氫冷同步發(fā)電機(jī)，銘牌功率PN442MW。

汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)型號(hào)為：LC165/N208-16.588/3.54/0.755、性能保證工況下發(fā)電功率為208.685MW，額定供熱工況下發(fā)電功率為132.757MW。三壓(帶補(bǔ)汽)、可調(diào)抽汽、凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。

鍋爐采用則為無(wú)錫華光鍋爐有限公司生產(chǎn)的型號(hào)：UG-9HA.01-R，三壓、自身除氧、帶SCR、再熱、自然循環(huán)、無(wú)補(bǔ)燃、臥式余熱鍋爐。

2 SILs核心保護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

GT SILs是Gas Turbine Safety Integrity Level system的縮寫(xiě)，中文稱(chēng)為燃機(jī)安全完整性等級(jí)系統(tǒng)。1998年頒布的IEC61508功能安全標(biāo)準(zhǔn)中首次提出了SIL的概念，它是一種功能安全等級(jí)的劃分。IEC61508將SIL分為SIL1、SIL2、SIL3和SIL4四個(gè)等級(jí)。安全相關(guān)系統(tǒng)的SIL級(jí)別，是由風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算得出來(lái)的，是通過(guò)分析風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)間和頻率、風(fēng)險(xiǎn)后果嚴(yán)重程度、不能避開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)的概率和不期望事件發(fā)生概率等四個(gè)因素綜合得出。SIL級(jí)別越高，要求的危險(xiǎn)失效概率就越低。

保護(hù)系統(tǒng)包括以下內(nèi)容：YSIL I/O成套設(shè)備，TCSA作為備用保護(hù)系統(tǒng)的主要終端板，本地處理器和數(shù)據(jù)采集板安裝在TCSA，WCSA是TCSA板上所需的子板，SCSA是通過(guò)串行總線連接到WCSA的I/O擴(kuò)展板(三個(gè))。圖1顯示了YSIL保護(hù)系統(tǒng)圖，其中燃機(jī)Mark VIeS安全控制器用于各種過(guò)程控制和燃機(jī)械應(yīng)用，將被控燃?xì)廨啓C(jī)置于或保持在安全狀態(tài)。YSIL系統(tǒng)采用ControlST V5.04或更高版本，是一個(gè)三重冗余SIL 3系統(tǒng)，它將獨(dú)立于主保護(hù)系統(tǒng)使燃機(jī)跳閘，YSIL監(jiān)控每個(gè)主控制器以進(jìn)行速度差分檢測(cè)，并進(jìn)行診斷判斷，從三個(gè)YSIL部分中的每個(gè)產(chǎn)生燃機(jī)跳閘信號(hào)，其在TCSA板上饋送并去跳閘繼電器。

圖1 YSIL保護(hù)系統(tǒng)

保護(hù)系統(tǒng)可監(jiān)控多達(dá)9個(gè)無(wú)源磁性速度傳感器，可為HP、IP和LP軸提供最多3套3個(gè)冗余速度傳感器的輸入。它還支持多達(dá)10個(gè)Rueter-Stokes火焰探測(cè)器的接口，具有4～20mA輸入或8個(gè)霍尼韋爾火焰探測(cè)器輸入，具有335V直流輸入。跳閘保護(hù)I/O成套設(shè)備括：一個(gè)急停輸入 (TCSA)，九個(gè)電動(dòng)螺線管輸出(TCSA兩個(gè)TMR，投票的驅(qū)動(dòng)器觸點(diǎn)輸出(TCSA)。

3 SILs系統(tǒng)功能及調(diào)試方法

3.1 調(diào)試驗(yàn)證前工作

在進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)保護(hù)系統(tǒng)調(diào)試工作前，對(duì)硬件檢查，確保電纜接線正確，機(jī)柜內(nèi)所有硬件完好，可以正常送電；用戶(hù)軟件檢查，確保系統(tǒng)可以正確使用，一次設(shè)備檢查，對(duì)保護(hù)系統(tǒng)直接控制的電動(dòng)閥等執(zhí)行元件進(jìn)行遠(yuǎn)方操作試驗(yàn)，對(duì)保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出的熱工報(bào)警進(jìn)行確認(rèn)各項(xiàng)檢查完成后，強(qiáng)制相關(guān)燃機(jī)跳閘信號(hào)，檢查啟動(dòng)檢查界面L3ISPSTCK:CPD界面無(wú)報(bào)警，通信無(wú)故障且勵(lì)磁啟動(dòng)允許滿(mǎn)足，點(diǎn)火允許83-TVX就緒，點(diǎn)火程序就緒，點(diǎn)火變壓器得電。

3.2 緊急停機(jī)保護(hù)

當(dāng)燃機(jī)在啟動(dòng)及正常運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生危及人身及設(shè)備安全重大事故的時(shí)候，而需要立即停止燃機(jī)或者跳機(jī)保護(hù)拒動(dòng)時(shí)候，都可以立即手動(dòng)打閘燃機(jī)，從而保護(hù)人身及燃機(jī)設(shè)備安全。9HA.01燃機(jī)緊急停機(jī)按鈕有兩處，分別安裝在遠(yuǎn)方DCS集控臺(tái)面處和就地mark Vies控制柜門(mén)處。保護(hù)信號(hào)均來(lái)自開(kāi)關(guān)量輸入，通過(guò)在就地MarK VIeS控制柜手動(dòng)打閘L5L停機(jī)按鈕和集控室L5R與串接緊急停機(jī)按鈕L5Estop—FBZ壓入開(kāi)關(guān)動(dòng)作，則燃機(jī)MarK VIeS安全邏輯控制器應(yīng)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警，實(shí)時(shí)報(bào)警欄提示對(duì)應(yīng)的緊急停機(jī)按鈕動(dòng)作。

3.3 超速保護(hù)

燃?xì)廨啓C(jī)是一種高速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械，其轉(zhuǎn)動(dòng)部件的應(yīng)力和轉(zhuǎn)速有著密切的關(guān)系，由于離心力正比于轉(zhuǎn)速的平方，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，因離心力所造成的應(yīng)力將會(huì)迅速增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高20%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)力就接近于額定轉(zhuǎn)速時(shí)的1.5倍。葉輪等緊力配合的轉(zhuǎn)動(dòng)部件的松動(dòng)轉(zhuǎn)速通常也是按高于額定轉(zhuǎn)速20%額定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)的，如果轉(zhuǎn)速升高到不允許的數(shù)值，會(huì)導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞，因此，當(dāng)9HA.01燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速的110%就動(dòng)作，并迅速切斷燃?xì)廨啓C(jī)的燃料，使其停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4 振動(dòng)保護(hù)

燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)保護(hù)由幾個(gè)獨(dú)立的通道組成。各通道分別用裝在燃?xì)廨啓C(jī)或發(fā)電機(jī)軸承座上的傳感器檢測(cè)振動(dòng)，振動(dòng)傳感器借助磁鋼穿過(guò)固定線圈產(chǎn)生一個(gè)微小的電壓輸出，用屏蔽雙芯電纜將檢測(cè)器連接到在Mark-VIe控制盤(pán)上的TBQB端子板上，從TBQB端子板來(lái)的檢測(cè)信號(hào)由在共同保護(hù)軟件程序中運(yùn)行的I/0配置參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)檢測(cè)到傳感器有故障或當(dāng)振幅超過(guò)程序給定的遮斷整定值時(shí)，振動(dòng)保護(hù)軟件程序?qū)@示出一系列報(bào)警信息，與所給定的報(bào)警和遮斷值進(jìn)行比較。當(dāng)機(jī)組振動(dòng)過(guò)大時(shí)發(fā)出報(bào)警和遮斷機(jī)組，從而防止燃機(jī)在啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中軸承振動(dòng)超限引起燃機(jī)及發(fā)電機(jī)動(dòng)靜摩擦，危及設(shè)備安全。

3.5 燃料流量過(guò)大

在燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火過(guò)程，為了防止點(diǎn)火初期時(shí)候燃?xì)饬髁窟^(guò)大在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部爆燃，設(shè)置點(diǎn)火燃?xì)饬髁窟^(guò)大保護(hù)，9HA.O1設(shè)置的是大于18.24IB/s，燃機(jī)跳閘。強(qiáng)制開(kāi)啟燃?xì)饪刂崎y，模擬點(diǎn)火過(guò)程，達(dá)到保護(hù)動(dòng)作值LEFFF_TRP，燃?xì)饬髁看笥?8.24IB值。則燃機(jī)MarK VIeS安全邏輯控制器應(yīng)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警，實(shí)時(shí)報(bào)警欄提示對(duì)應(yīng)的緊急停機(jī)按鈕動(dòng)作。

3.6 燃機(jī)點(diǎn)火保護(hù)

在啟動(dòng)過(guò)程中，在點(diǎn)火期間監(jiān)視燃燒室是否點(diǎn)燃是非常重要的，當(dāng)機(jī)組點(diǎn)火程序觸發(fā)后，一旦有兩個(gè)火焰探測(cè)器見(jiàn)火，就算機(jī)組點(diǎn)火成功，允許啟動(dòng)程序繼續(xù)進(jìn)行，則火焰探測(cè)器發(fā)出信號(hào)使FSR從點(diǎn)火值減少至暖機(jī)值，并使程序向前繼續(xù)；若”LFI_PTRP_TRP點(diǎn)火指令發(fā)出10s后未檢測(cè)到火焰?；蛘摺盠FI_SFTRP_TRP在輕吹時(shí)檢測(cè)到火焰或兩個(gè)以上的火檢信號(hào)故障，延時(shí)2秒?；蛘摺盠FTI_GCV_ERR點(diǎn)火允許前GCV3或4開(kāi)度>6%，在燃燒室中還沒(méi)有建立火焰，則發(fā)出信號(hào)切斷燃料，啟動(dòng)程序中止，以免燃料積聚在燃燒室或透平內(nèi)可能發(fā)生爆燃等重大事故。

3.7 燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中火焰丟失

在燃機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，如果燃機(jī)突然發(fā)生火焰丟失，燃機(jī)滅火。進(jìn)入燃料大量積聚在燃燒室或透平內(nèi)可能發(fā)生爆炸等重大事故。所以在燃機(jī)火焰丟失后迅速切斷進(jìn)入天然氣禁止再次點(diǎn)火。

3.8 危險(xiǎn)氣體探測(cè)

為了防止燃機(jī)天然氣系統(tǒng)發(fā)生泄漏引起爆炸，燃機(jī)設(shè)置了危險(xiǎn)氣體探測(cè)系統(tǒng)，在燃機(jī)的控制閥系統(tǒng)處端和燃燒段區(qū)域，共配備2個(gè)區(qū)域探測(cè)點(diǎn)，設(shè)置了2個(gè)探頭，對(duì)天然氣進(jìn)入機(jī)組內(nèi)可燃?xì)怏w全程進(jìn)行監(jiān)視，各天然氣探頭若檢測(cè)到天然氣濃度達(dá)6%LEL，則發(fā)對(duì)應(yīng)位置天然氣濃度高報(bào)警，如果是兩個(gè)燃機(jī)間危險(xiǎn)氣體檢測(cè)裝置一個(gè)達(dá)到10%LEL高高，且另外一個(gè)高高或不在運(yùn)行狀態(tài)，延時(shí)120ms。

3.9 通風(fēng)風(fēng)壓監(jiān)視

燃機(jī)罩殼通風(fēng)風(fēng)壓監(jiān)視：其主要作用是監(jiān)視從室外吸進(jìn)空氣，經(jīng)過(guò)在通風(fēng)罩殼內(nèi)循環(huán)冷卻后，保持關(guān)鍵罩殼內(nèi)的氣溫在可接受的范圍內(nèi)。并將燃機(jī)運(yùn)行中散發(fā)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(nèi)風(fēng)壓是衡量機(jī)組的安全運(yùn)行重要指標(biāo)。

3.10 燃機(jī)火災(zāi)保護(hù)

9HA.01燃機(jī)火災(zāi)滅火保護(hù)采用是HI-FOG 水霧噴淋滅火裝置，用于燃機(jī)透平室和2號(hào)軸承空間艙室發(fā)生的碳?xì)浠衔镆鸬幕馂?zāi)，系統(tǒng)包括泵系統(tǒng)、連接管道及就地噴頭、火災(zāi)探頭組成?；馂?zāi)發(fā)生后依次啟動(dòng)泵組，從而降低電力峰值負(fù)荷。可以自動(dòng)、手動(dòng)或遠(yuǎn)程啟動(dòng)MSPU。當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)灑水器上的熱感應(yīng)燈泡破裂。或者，打開(kāi)區(qū)段閥。此外，流量監(jiān)視器檢測(cè)流量并啟動(dòng)MSPU。滅火系統(tǒng)高壓水流隨之關(guān)閉GTG機(jī)組透平室防火閘，它利用水作為介質(zhì)，在特定的高壓下通過(guò)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(shí)，驅(qū)散機(jī)室內(nèi)可燃?xì)怏w，制造一個(gè)防爆氛圍。

4 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)《燃?xì)廨啓C(jī)及聯(lián)合循環(huán)機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試導(dǎo)則》（DL_T_1835-2018）與廠家給出各系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)要求及mark系統(tǒng)邏輯流程，按照GE 9HA.01調(diào)試手冊(cè)規(guī)定分系統(tǒng)調(diào)試階段完成了各項(xiàng)保護(hù)試驗(yàn)后，各種保護(hù)控制功能運(yùn)行正確、可靠且滿(mǎn)足機(jī)組正常運(yùn)行需要。在試運(yùn)階段，SIL的硬接線跳閘、復(fù)位操作、冗余切換均應(yīng)滿(mǎn)足運(yùn)行要求。