西门子SGT-4000F 型燃气轮机保护控制系统研究

郑彦豪

（国家电投郑州燃气发电有限公司，河南 郑州 450000）

1 燃气轮机保护系统的工作原理

西门子SGT-4000F 型燃气轮机保护控制系统的燃机本体共配置有103 支热工仪表，燃机在运行期间状态是否安全，主要是由上述仪表检测判断得出的。通过保护系统动作使燃机天然气进气ESV阀、预混阀、值班阀等迅速关闭断开，进而切断燃机燃料使得燃机得以快速停机，避免事故进一步扩大。

燃气轮机运行过程中，跳机电磁阀、主气门ESV阀、预混阀、值班阀的跳机电磁阀24 V 主电源都是由SCHLOSSER 系统输出提供的。在系统运行过程中，可以将SCHLOSSER 系统看作是一条保护链路，在这个链路中的每个常闭接点断开时，都将会导致机电磁阀失电，燃料阀门将会迅速关闭。

设备运行期间，锅炉保护、紧急停机按钮、电气保护、压气机入口门保护、天然气泄漏保护、喘振保护、火检保护、过燃料保护、超速保护作为燃机的重要保护都是以硬接线方式被直接接入保护链路的。而轴瓦振动、轴瓦温度、排气温度等保护则是在T3000 控制系统内组态计算后共同通过一条常闭接点输出到保护链路之中的。这个链路的电源是由转速超速系统给出的，也就是说在没有超速发生的情况下，这个电源通过的一个个常闭接点作为SCHLOSSER 系统输出给阀门跳机电磁阀供电。

SCHLOSSER 保护系统具有两套独立的输出回路，只有两条输出都正常运行的情况下，跳机电磁阀才能得到电源，反之，如果以上任意一点保护动作发生时，常闭接点就将会断开，挂闸电源会因此而失电，阀门执行机构将失去液压油，阀门在弹簧作用力的影响下将会快速关闭，切断燃料供应，这样就可以达到保护跳闸的目的。

2 燃气轮机主要保护系统的功能

燃机保护系统的主要任务就是对机组的运行状态进行监视，当机组运行不畅、出现异常情况时，可以第一时间采取措施将主燃料阀门关闭，断开跳机，保证机组的安全，其主要保护功能包含有以下方面的内容。

2.1 超速保护

燃机配置有6 支A5S 霍尔效应转速传感器，安装于压气机侧转速测量齿轮的两侧，通过铠装导线电缆计入测速模块E1655 进行检测，然后将检测到的数据传送到T3000 控制系统进行有效的调节和保护控制，其中为了保证系统运行的安全性与可靠性，所有中间接点都应当进行焊接。安装的三块E1655模块内都有两只彼此独立的超速保护跳闸继电器，当燃机实际转速超过保护路闸值3 240 r/min 时，运算处理回路驱动超速保护跳闸继电器Ⅰ和Ⅱ时，其各自输出的三副失电跳机的接点，将会与其余两块E1655 内的超速保护跳闸继电器相同的三副接点以“先与后或”的逻辑关系共同构成了两条都以“三取二”逻辑方式工作的超速保护跳闸输出通道。在设备具体运行过程中，超速保护系统拥有两套独立的系统[1]。

2.2 紧急停机按钮保护

西门子SGT-4000F 型燃气轮机设计了5 组急停按钮，分别位于燃机罩壳一层东北角、西北角。燃机罩壳二层东南角、西南角以及集控室内的急停按钮盘。如果机组运行期间出现异常情况，负责机组运行的工作人员可以随时手动触发跳机，使得机器停止运转，避免事故进一步扩大。

在燃气轮机中，每支按钮中有两副常闭节点，五支按钮的节点串联在一起，分两路分别接入硬回路保护卡的两个通道中，机组运行期间，任何一个按钮被按下，都将会导致触发回路失电的情况出现，因此导致触发急停保护动作跳机。

2.3 火检保护

燃机设计有两个火焰检测器，用于监视燃机燃烧状态。火焰检测器分别安装于燃机燃烧室两侧，火焰检测器通常是由一个光学传感器装置和一个光电转换器组成的，传感器装置将火焰信号通过光纤电缆输入光电转换器，光电转换器则会将光信号转换成电子信号发送到TCS 电子保护柜内的评估装置上，评估装置可以评估天然气火焰的强度，判断火焰是否处于正常的状态。

火焰保护则主要由以下三条组成：一是发出ESV 阀打开指令后12 s 内两个火焰检测器都没有检测到火焰信号，那么就表示点火失败，需要迅速将燃机断开。二是在燃机运行期间，如果两个火焰检测器检测均为无火焰，那么也需要迅速将燃气断开。三是在燃机停止运行后，如果ESV 阀打开指令消失10 s后任意一个火焰检测器检测到有火，则说明反跳现象出现，需要迅速将燃机断开。

此外，机组运行期间还可能会出现燃烧室燃烧不稳定的现象，这种现象的外在表现为燃烧室内压力增加，频率范围内的脉动幅值上升。针对这种情况必须要第一时间予以处理，以便更好地对燃气轮机进行保护，可以通过检查压力脉动振幅评价燃烧室燃烧是否处于正常状态。如果确实出现燃烧不稳定的情况，需要及时采取措施进行处理，如可以通过调整水阀改变注水量稳定燃烧，或者是对燃料量进行调整保证燃烧的稳定，以保证燃气轮机有效运行。

2.4 喘振保护

燃机运行期间，喘振显现对于系统正常稳定的运行也是一个极为致命的危害，喘振是一个持续时间非常短的事件，因此，变送器的响应速度和保护逻辑必须设计成为快速反应，这样才能对喘振现象进行准确的评估。西门子通过测量进气管道和压气机入口之间的压差，然后确定压气机气流冲击产生的喘振剧烈程度。在正常的运行期间，进气管的压力往往高于压气机进口压力，而当喘振发生之后，由于倒流现象出现，将会使得产生差压出现逆向升高的趋势。

西门子SGT-4000F 型燃气轮机在压气机的五级设有2 个防喘气阀，9 级设有1 个防喘放气阀，防止压气机喘振现象的发生，并且在压气机入口处设置有3 个喘振保护差压开关，用于检测压气机的喘振情况。

在系统运行过程中，防喘振保护一共可以分为以下4 条：一是两支5 级防喘阀在4 Hz 至39.8 Hz之间关闭时，需要中断燃机。二是燃机冲车至47 Hz以上后3 个在防喘阀都没有关闭延时100 s 后，要实施停机保护，避免设备出现故障。或者是在设备正常运行时，任意一台防喘阀开启都会导致保护停机现象出行。三是喘振保护差压开关在转速大于42 Hz时，如果大气与压气机入口压差地域3 kPa 则需要中断燃机。四是当燃机实际转速高于42 Hz 时，TCS系统计算输入至SCHLOSSR 系统的转速高于42 Hz信号异常，需要中断燃机。

2.5 燃机排气温度保护

燃机的温度保护主要是通过对排气温度的监视显示出来的，由24 根K 分度三支热电偶在及排气扩散段沿着圆周分布测量，所有热电偶的B、C 支用于排气温度计算，A 支备用。当燃气轮机处于正常运行的情况下时，燃烧室及透平的温度必须要控制在合理的范围内，否则可能会对燃烧室各种部件的强度及使用寿命造成不良影响。排气温度保护送至T3000 软回路保护，T3000 软回路保护再通过硬接线送至SCH0SSER 系统，排气温度保护包含有以下方面的内容：一是如果相邻3 支热电偶的B 支和C 支测量信号低于平均值50 ℃时，机组进入停机程序。二是如果相邻4 支热电偶的B 支和C 支测量信号低于平均值50 ℃时，或者是任意两组连续3 个点温度低于平均值50 ℃时，那么机组也将会进入跳闸程序。三是如果任意2～4 支热电偶的B 支和C 支同时超过平均值50 ℃，那么也需要中断机组的运行。四是如果任意一热电偶中的B 支和C 支同时坏掉，也需要将燃气轮机保护停机。

2.6 防喘放气阀的控制与保护

针对防喘放气阀的控制与保护，主要需要从两个方面着手：一是要做好防喘阀的开环控制工作。机组启动的初期，为了检验防喘阀是否能够正常运转，一般都会设置功能测试环节，工作人员在对防喘放气阀进行控制和保护时，就可以先进行功能测试，测试不同转速情况下，机组的运行状态，防喘放气阀是否能够正常运行，以便更好地对防喘放气阀进行有效保护。二是发挥好防喘放气阀的保护功能作用。在对防喘阀进行控制和保护时，可以结合实际情况进行分析，在燃气轮机负荷运行期间，如果有一个防喘放气阀没有关闭，机组的负荷因此自动下降，然后自动停机，则说明防喘放气阀的保护功能作用正常发挥，反之则说明其保护功能失效。此外，燃气轮机并网之后，当电网频率突然下降时，为了有效地对燃气轮机进行保护，避免喘振现象出现，需要立即将所有的防喘放气阀打开，防止燃气轮机跳闸停机现象出现。

3 燃机跳闸分析判断

燃机跳闸是其感受到危险之后的一种应急措施。燃气轮机紧急停机系统由2 个硬接线跳闸系统组成，每个硬接线跳闸系统分别监控3 个转速，使得燃机保护控制系统能够安全可靠运行。紧急停机系统都是建立在3 取2 逻辑结构之上的，3 个监控模块中的每个监控模块都会对转速进行三通道监测，并设计有硬接线保护电路，将所有的保护电路组合在每个监控模块中，经过3 取2 判断输出3 个跳闸回路。跳闸回路包含有火线保护、FS-AP 跳闸回路、AP 跳闸回路、硬接线跳闸系统、天然气泄漏检测和喘振保护，每个跳闸回路都需要经过3 取2 的逻辑判断。整个监控模块通过测试模块对保护回路进行循环测试，测试过程中发现回路故障时，就会将故障报警发送到T3000 报警系统中。硬接线跳闸系统中的3 个跳闸回路输出到阀控回路中，关闭经济跳闸阀、预混阀和值班阀，对阀控回路中跳闸回路和打开指令进行了3 取2 判断，带电打开，则失电跳闸[2]。

针对燃机跳闸问题，西门子并没有像常规的汽轮机那样设计首出功能，而是采用独立的ADDFFEM SOE 卡件，对相关问题进行分析，该卡件通过全厂主时钟光纤单独同步时间，其最快的采集周期只需要花费0.1 s 的时间。当在运行中燃机因为某个原因遮断时候，SOE 卡件就可以迅速对相关信息进行采集，兵器可以将所采集到的信息输送至T3000的ASD 报警系统，提前给出预警提示，负责燃机机组运行的工作人员可以查阅该系统所提供的信息，就能够快速找出跳机前的跳机原因，然后锁定跳闸故障，并及时地采取有效措施予以维修。

但是，当ADDFEMSOE 卡件出现故障的时候，需要运行或者是热工人员在T3000 报表里面查询跳闸时刻前后5 s 左右的事件率手段分析判断，所以这就要求电厂人员对保护系统组成非常熟悉，这样才能保证操作的正确性，在平时机组停机时，可以模拟出发保护跳闸，然后检查并核对ASD 报警的跳闸原因，并快速有效地解决故障。

4 结语

要想切实发挥西门子SGT-4000F 型燃气轮机保护控制系统的作用优势，就需要深入地对保护控制系统的工作原理、保护功能等进行分析，了解跳闸出现的原因，然后结合机组的实际运行情况，科学合理地应用保护控制系统，发挥其作用价值。