M701D燃气轮机控制系统功率控制逻辑优化

赵军华

(江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏常州　213011)



M701D燃气轮机控制系统功率控制逻辑优化

赵军华

(江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏常州213011)

摘要:针对一起M701D型燃气轮机跳机事故，通过理论计算及分析，得出跳机原因为电压互感器(PT)实际接线与图纸不符、燃气轮机控制系统(TCS)功率控制逻辑混乱，采取了重新接线、增加功率控制器并优化TCS“三取中”控制逻辑的改进措施。改进后的实际应用表明，各功率变送器与TCS内对应通道及采用值一致，PT一相或三相熔丝熔断的情况下，TCS逻辑计算准确，有效提高了控制系统抗二次设备和回路故障的能力。

关键词:燃气轮机控制系统;跳机;电压互感器;功率变送器;接线;功率控制逻辑;优化

1　机组概况

江苏华电戚墅堰发电有限公司2套E级燃气轮机机组是由东方电气集团引进日本三菱燃气轮机技术生产的E级燃气－蒸汽联合循环机组，为分轴式的热电联产机组。机组配套的燃气轮机为三菱M701D型燃气轮机，为国内首台商用的三菱E级燃气轮机，燃气轮机发电机为东方电机有限公司设计制造的QFR－165－2－15.75型空冷发电机，采用自并励静止励磁方式，励磁变压器电源取自发电机出口，并采用厂用电380 V交流电源作为发电机的启励电源，额定转速为3000 r/min，额定功率因数为0.85，额定功率为150 MW。

该机组的控制系统配置中，燃气轮机控制系统(TCS)采用三菱重工的DIASYS Netmation控制系统，汽轮机控制系统、余热锅炉控制系统、辅助控制系统、公用系统控制系统则采用北京ABB电气传动系统有限公司的Symphony控制系统，网络结构如图1所示(图中: HIS为历史数据站; SIS为厂级实时监控信息系统; HRSG为余热锅炉; TB为汽轮机; ECS为电气控制系统; DEH为汽轮机数字电液控制系统; ETS为汽轮机危急遮断系统; TSI为汽轮机安全监视系统)。

燃气轮机发电机出口共设有2组电压互感器(PT) 1YH，2YH，分别供机组的保护、测量及调节控制用。在发电机辅助柜上设置有3组功率变送器，其功率信号(4～20 mA标准信号)送入TCS，TCS采用“三取中”的控制逻辑后参与燃烧调整计算和自动功率调节。

2　跳机情况

2012年7月22日，机组正常运行，燃气轮机负荷87 MW，汽轮机负荷49 MW，燃气轮机处于负荷自动控制方式运行，发电机励磁为A柜运行B柜跟踪方式。00: 31: 00，燃气轮机TCS画面出现“GT PT FAILURE”“GT AC POWER SUPPLY FAILURE”报警信号。根据报警信号，运行人员有针对性地对发电机出口电压回路进行了检查，发现发电机出口PT (1YH)次级B相无电压，A，C相电压正常，2YH次级三相电压均正常。检查燃气轮机TCS画面上燃气轮机有功负荷87 MW不变，但电量采集系统中燃气轮机有功负荷降至55 MW，存在不对应情况。检查发电机变压器组保护屏，发现保护A柜和保护B柜内发电机保护装置均在各自的保护装置面板上发出了机端PT断线信号。查看2套发电机保护装置内的采样值后发现，B相电压均为0，A，C相电压均为正常值。

由以上分析可以确定，报警故障原因为发电机B相一组PT(1YH)本体熔丝熔断或开路。于是运行人员按更换PT熔丝的常规操作程序进行处理，但当运行操作人员退出1YH的B相小车时，TCS上燃气轮机负荷从87 MW突降至57 MW，燃气轮机进口可转导叶(IGV)开度从22％变为0，旁通阀(BPV)开度从27.5％增加到53.2％。随后，燃气轮机燃烧压力波动MID2段报警并跳机。跳机时的发电机负荷、IGV开度、BPV开度及压力曲线如图2所示。

图1　机组DCS网络结构

图2　跳机时的IGV开度、发电机负荷、BPV开度及燃烧压力波动曲线

3　原因分析

跳机后对设备图纸、TCS功率控制逻辑及相关数据进行了分析，并对现场接线进行核查，确定了跳机原因:由于PT实际接线与图纸不符，致使运行操作人员将正常的PT停用，进而造成TCS接收到的功率值与机组实际功率值不符;同时，由于TCS功率逻辑回路存在设计不合理的情况，造成TCS功率控制失效，最终燃气轮机因燃烧压力值超定值而跳机。具体分析过程如下。

(1)电压回路存在的问题。PT熔丝发生一相或两相熔断，必将引起二次电压的变化，因此，首先分析PT熔丝熔断(以C相熔断为例)后发电机功率变送器(三相四线制)功率值的变化是否符合理论分析值。由图3、图4可以计算得

设各负载值相等，则

故Uab=100 V，Uca= Ubc=50 V。

同理，可以得到A相、B相熔丝熔断时各相电压及线电压，见表1。

表1　PT各相熔丝熔断时的各相电压及线电压　V

图3　电压互感器二次带负载接线

图4　C相熔断器熔断电路

从以上计算分析可知，1YH的B相熔丝熔断后，如果3只功率变送器都按设计图纸接在1YH上，则应该有2只功率变送器的功率值降至原来的2/3，即从87 MW降至58MW。由于TCS功率控制采用“三取中”逻辑，因此，此时TCS的功率信号值应取87，58，58 MW的中值，即58 MW;但根据前面的跳机情况可知，TCS有报警信号时，燃气轮机功率值并没有发生变化，仍为87 MW。据此可以判断，功率变送器的电压值并不是按图纸要求取至1YH，而是来自另外一组PT(2YH)，而电量采集系统的电压取自1YH(由于1YH熔丝熔断，故采集到的功率下降了1/3，即为58 MW左右，与实际情况一致)。

后经反复核对，找到了问题的原因: PT制造厂家供货图纸与设计院图纸对2组PT的编号存在习惯性差异，导致2组PT一次系统和二次系统命名混淆，PT本体柜KKS编码标注的“PT(1YH)”与PT端子箱二次回路标注的“1YH”不对应，即PT本体1YH标签(KKS编码)对应端子箱2YH二次回路及空气开关标志，导致运行人员拉开本体标签为1YH 的B相二次插头时，实际是断开了端子箱2YH的B相二次回路。

(2) TCS功率逻辑外围回路存在的问题。根据电气运行的常规操作规程，PT熔丝熔断时允许停用PT进行熔丝更换工作，只要做好必要的措施，不会对机组的正常运行造成影响，更不可能发生跳机。在前面分析的基础上进一步分析可知，由于设计院将TCS所用的3个有功变送器均接至同一PT(1YH 或2YH)，因此，当运行人员按常规断开或停用对应PT时，必然造成至少2只有功变送器输出值下降为原来值的2/3(此时燃气轮机发电机的实际功率并没有变化) ;由于TCS的有功信号采用“三取中”逻辑，此时TCS接收到的是2/3实际值的虚假功率信号，燃气轮机控制系统就会以为燃气轮机功率下降而增加燃料量;增加燃料量后，燃气轮机压力波动值等参数又会要求减少燃料量，这就造成TCS内部控制逻辑的混乱，引起燃料阀门大幅波动，最终造成燃烧压力波动值超过设定值而跳机。

4　改进措施

根据以上分析，江苏华电戚墅堰发电有限公司将发电机2组PT本体及其他相关二次回路接线按设计院图纸重新进行了安装接线，保证了图纸与现场的一致性;同时，对相关回路及逻辑进行了以下改进和优化。

(1)功率变送器由原来的3个增加为4个，并将4个功率变送器分成2组分别接入不同的PT:#1，#3变送器接入1YH，#2，#4变送器接入2YH。

(2)对“三取中”控制逻辑进行了优化，将#3，#4功率变送器信号先取高，然后再与#1，#2功率变送器的信号取中。通过优化，避免了原设计中当任意一个PT出现断相就会使TCS接收到虚假功率信号的弊端，确保TCS功率控制不会因为PT一相熔断器熔断而受到影响;同时，还新增了一路110 V直流电源供#2，#4变送器用，#1，#3变送器直流电源仍用原来的110 V电源，有效提高了变送器直流电源供电的可靠性。

修改后的功率变送器原理接线图如图5所示，TCS中发电机有功功率计算逻辑框图如图6所示。

图5　修改后的功率变送器接线原理

图6　TCS中发电机有功功率计算逻辑

5　改进效果验证

按上述图纸对PT回路及变送器回路进行改造，并对TCS的功率调节逻辑组态进行改进后，对功率信号回路和采集通道进行了静态校验，验证了各有功变送器与TCS内对应通道及采用值的一致性。在此基础上，还模拟了发电机2组出口PT(1YH，2YH)一相或三相熔丝熔断情况下TCS逻辑计算功能的准确性，试验条件为发电机满负荷正常运行，1YH，2YH同时带100V，CT二次3.7A二相式，测试回路通道发生异常时各通道显示的有功一次值。模拟试验表明，经以上改进后，除1YH，2YH同时断一相时TCS逻辑合成计算输出结果会受到影响外(输出值降为正常值的一半)，其余情况下输出均未受影响。试验表明，本文所提出的改进方案使控制系统抗二次设备和回路故障的能力得到了极大提高，具体试验数据见表2。

表2　TCS记录的各有功变送器有功输出采样值　MW

如要进一步提升可靠性，可以考虑再增加1只功率变送器，如#5功率变送器。运算逻辑考虑如下:对#1，#2功率变送器信号“取高”，#3和#4功率变送器信号“取高”，将取高后得到的2个输出信号再与#5功率变送器的输出信号“三取中”作为TCS逻辑合成计算结果。

6　结论

燃气轮机控制系统即使已经稳定运行多年，也不能就此认为系统已尽善尽美，不存在需要完善和改进之处。尤其是一些外围关键信号回路和逻辑回路的设计，有可能存在不太合理的情况，需要引起充分的关注，并结合实际情况及时予以修改完善。

(本文责编:刘芳)

赵军华(1966—)，男，江苏溧阳人，高级工程师，大型燃气轮机电厂技术主管，从事燃气轮机电厂技术管理工作(E-mail: zjhcom66@126.com)。

作者简介:

收稿日期:2015－07－21;修回日期:2015－11－10

中图分类号:TM 621.6

文献标志码:B

文章编号:1674－1951(2016)01－0018－04