M701F燃气轮机BPT温度保护逻辑解读和优化

念小文

(中海福建燃气发电有限公司，福建 莆田 351156)

三菱M701F燃气轮机采用干式低氮燃烧器，燃气轮机的周向共有20个燃烧器，为了防止燃气轮机透平初温过高或温度变化趋势过快损伤燃气轮机燃烧室和透平叶片，M701F燃气轮机设置了20个叶片通道温度(blade path temperature，BPT)来监测保护燃气轮机的热通道部件[1]。在机组运行过程中,如果各个燃烧器中的燃烧情况不同 ,可能引起燃烧温度和燃气温度的变化,经过透平叶片后,以一定的滞后角的形式反映到置于透平末级动叶后的 BPT 变化上。当各 BPT 的分散度达到一定值,或者某个 BPT 偏差较大时,可以认定相应的燃烧器存在燃烧不良或者燃烧器损坏的情况[2]。

M701F燃气轮机在控制系统中设置了报警、自动停机、机组跳闸等BPT保护逻辑。据了解，由于M701F燃气轮机BPT温度相关保护逻辑不完善，国内多家M701F燃气轮机电厂在基建或后期运维过程中，发生BPT温度保护误动作情况导致机组非停。

1 BPT温度保护误动作案例

1.1 某电厂BPT 温度偏差大机组跳闸

某电厂出现 6号 BPT偏差大导致跳机事故，事后对 6号 BPT数据进行分析，未见异常。但检查事件顺序发现，当日机组并网后 ,多次出现“6号 BPT超限报警”，最后一次“6号 BPT超限报警”复归300 s后出现“6号 BPT偏差大跳机”。检查发现，BPT趋势数据取自 TCS(turbine control system)系统，而非 TPS(turbine protection system)系统，且 6号 BPT 数据和其他 BPT相比未见异常，基本能够判断出 6号 BPT热电偶本身应该没问题。经排查发现6号 BPT温度TPS侧温度回路中间端子箱处连接到信号转换器的接线接触不良 ,出现“虚接”而导致保护回路的 6号 BPT数据异常，机组跳闸[2]。

1.2 某电厂BPT 温度变化趋势大机组自动停机

某电厂机组正常运行中，TCS报“6号 BPT温度变化趋势大自动停机”，触发机组自动停机。事后查曲线，发现6号BPT温度TCS侧温度存在异常跳变，跳变时间持续约60 s，跳变温度最低至445 ℃，而TPS侧温度则显示正常，为594 ℃。

机组停运后检查6号BPT温度元件线路及通道，元件接线端子、中间端子箱接线端子、卡件接线端子均未发现异常；检查6号BPT温度元件本体，发现6号BPT温度TCS侧温度元件存在劣化情况，更换6号BPT温度元件后，机组再次启动后机组未再发生异常。

2 BPT温度保护控制逻辑解读

2.1 BPT温度测量回路结构

M701F燃气轮机配置的20支BPT温度元件为双支型E分度热电偶。热电偶一支送至TCS系统，参与TCS控制和保护；另一支送至TPS系统，经信号转换器，转换为2组1～5 V DC电压信号，分别送至TPS1、TPS2、TPS3。其中TPS1、TPS2并接共用1组，TPS3使用1组。BPT热电偶接线示意图如图1所示。

图1 BPT热电偶接线示意图

2.2 BPT温度保护逻辑

M701F燃气轮机控制系统在TCS侧和TPS侧分别设置自动停机(机组发自动停机令，按正常速率降负荷停机)和机组跳闸BPT保护相关逻辑。

2.2.1 TCS侧自动停机逻辑

M701F燃气轮机控制系统在TCS侧设置BPT温度偏差大和BPT温度变化趋势大两套自动停机保护逻辑。

(1) BPT温度偏差大自动停机

N 号BPT温度偏差大自动停机逻辑为：机组已并网&N号BPT温度未超限&【N 号BPT温度分散度>+25 ℃或<-40 ℃】&【N号任一相邻BPT温度分散度>+20 ℃或<-30 ℃，或N号任一相邻BPT温度分散度变化率>+1 ℃/min或<-1℃/min】。其中，N 号BPT温度分散度=N号BPT温度-20支BPT温度的平均温度。逻辑框图如图2所示。

图2 BPT温度偏差大自动停机逻辑框图

(2) BPT温度变化趋势大自动停机

N 号BPT温度变化趋势大自动停机逻辑为：机组已并网&N号BPT温度未超限&N 号BPT温度分散度变化率绝对值大于设定值&【N 号任一相邻BPT温度分散度变化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min】。逻辑框图如图3所示。

图3 BPT温度变化趋势大自动停机逻辑框图

2.2.2 TPS侧机组跳闸逻辑

M701F燃气轮机控制系统在TPS侧设置BPT温度偏差大机组跳闸主保护逻辑。

N 号BPT温度偏差大机组跳闸保护逻辑为：机组已并网&N号BPT温度未超限&【N 号BPT温度分散度>+30 ℃或<-60 ℃】&【N 号任一相邻BPT温度分散度>+20 ℃或<-30 ℃，或N 号任一相邻BPT温度分散度变化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min】。逻辑框图如图4所示。

图4 BPT温度偏差大机组跳闸逻辑框图

3 BPT 温度保护逻辑存在问题分析

3.1 BPT温度保护辅助判据失去保护辅助闭锁作用

从上述逻辑可以看出，BPT温度自动停机和机组跳闸保护逻辑，其辅助判断条件均含任一相邻BPT温度分散度变化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min。在机组实际运行中，该辅助判断条件存在以下3个问题：

1) 机组负荷变动时，BPT温度为变动状态，BPT温度分散度变化率常大于1 ℃，导致该辅助判断条件常为满足状态；同时根据实际运行状况观察，即使机组在稳定负荷状态，BPT温度也不是完全不变化的，个别变化的BPT温度分散度变化率也会大于1 ℃，导致BPT温度保护辅助判据为满足状态，失去保护闭锁作用。

2) 由于BPT平均温度为20个BPT温度测量值的平均值，当单个BPT温度异常， BPT温度变化较大(譬如变化大于20 ℃)时，会导致BPT平均温度变化超过1 ℃；由于N 号BPT温度分散度=N 号BPT温度-20支BPT温度的平均温度，该异常BPT温度元件相邻BPT温度分散度变化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min，导致BPT保护的辅助判据为满足状态，失去保护闭锁作用。

3) 同三菱厂家沟通，辅助判断条件BPT温度分散度变化率的设定值是根据以前燃烧器损伤实际案例设定的，不允许放宽。

3.2 BPT温度保护冗余不足

BPT温度保护为单点保护，即单个BPT温度测量值达到保护设定值时即可导致机组跳闸或机组自动停机。虽然BPT保护逻辑设计了BPT温度故障坏点，温度超限闭锁条件，但是在机组实际运行中，BPT温度回路异常，不是只有BPT温度故障坏点情况，还存在BPT温度波动的情况。当BPT温度波动时，BPT温度超限故障坏点闭锁条件失去保护闭锁作用。

实际运行中，单点BPT温度元件老化异常、回路接线松动、信号分配器故障、卡件异常等均有可能导致BPT温度波动，BPT温度保护误动作。

4 BPT温度保护控制逻辑优化方案

4.1 优化方案探讨

4.1.1 BPT温度保护由单点保护改为冗余保护

在燃气轮机本体原BPT温度元件附近增加一个温度元件，将BPT温度保护由单点保护改为冗余保护，该改造方案难度大、工程量大，基本无实施的可能，故对BPT 温度保护逻辑的辅助判据进行补充优化是比较可行的办法。

4.1.2 增加BPT温度变化率大逻辑保护闭锁

在N号BPT温度保护逻辑辅助判据中，增加N号BPT温度变化率大辅助判别条件，即当N号BPT温度异常波动、跳变时，N号BPT温度变化每秒超过多少时，闭锁N号BPT温度保护逻辑动作。

由于机组正常运行中，BPT温度常为变动状态，特别机组负荷变动时，BPT温度变化幅度较大，增加的温度变化率大辅助判别的变化率设定值需确定一个经过论证及实践验证的合理定值。变化率设定值太大，可能导致BPT温度保护逻辑拒动，导致异常时事故扩大；变化率设定值太小，增加的温度变化率大逻辑辅助判据不起作用，失去设定意义。该变化率需既能判别出温度异常情况进行BPT温度保护闭锁，又需能满足BPT温度正常运行变化时，BPT温度保护正常投用。

4.1.3 增加TCS系统和TPS系统BPT温度比对逻辑保护闭锁

M701F燃气轮机TCS控制系统采用三菱Diasys Netmation控制系统，系统采用总线形网络结构。TCS系统和TPS系统数据可通过总线网络进行数据交互传输、读取。而双支型BPT温度分别送至TCS系统和TPS系统形成独立的、单点的BPT温度保护，可通过TCS系统和TPS系统BPT温度数据的相互读取，进行温度相互比对。作为BPT温度回路异常时BPT温度保护的辅助判据，当TCS系统和TPS系统BPT温度偏差大于设定值时，闭锁BPT保护误动作，避免TCS侧或TPS侧的BPT温度回路异常导致的BPT保护误动作。

由于TCS系统和TPS系统BPT温度来自同一测量点的双支热电偶，双支热电偶正常温度偏差均在5 ℃以内，同时温度元件异常时导致的温度变化量正常远大于10 ℃。相对于方案4.1.2需确定一个合理温度变化率定值，本方案定值容易确定，方案更合理。

4.2 逻辑优化方案实施

4.2.1 TCS侧自动停机逻辑

BPT温度偏差大自动停机、BPT温度变化趋势大自动停机逻辑增加TCS侧和TPS侧BPT温度偏差大于10 ℃的保护闭锁逻辑。

(1) BPT温度偏差大自动停机

N 号BPT温度偏差大自动停机逻辑为：机组已并网&N 号BPT温度未超限&【N 号BPT温度分散度>+25 ℃或<-40 ℃】&【N 号任一相邻BPT温度分散度>+20 ℃或<-30 ℃，或N 号任一相邻BPT温度分散度变化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min】&【N 号TCS侧BPT温度和N号TPS侧BPT温度偏差<10 ℃】。逻辑框图如图5所示。

图5 BPT温度偏差大自动停机逻辑框图(优化后)

(2) BPT温度变化趋势大自动停机

N 号BPT温度变化趋势大自动停机逻辑为：机组已并网&N 号BPT温度未超限&N 号BPT温度分散度变化率绝对值大于设定值&【N 号任一相邻BPT温度分散度变化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min】&【N 号TCS侧BPT温度和N号TPS侧BPT温度偏差<10 ℃】。逻辑框图如图6所示。

图6 BPT温度变化趋势大自动停机逻辑框图(优化后)

4.2.2 TPS侧机组跳闸逻辑

BPT温度偏差大机组跳闸逻辑增加TCS侧和TPS侧BPT温度偏差大于10 ℃的保护闭锁逻辑，并且增加机组并网后，TCS侧和TPS侧BPT温度偏差大于5 ℃，BPT温度TCSTPS比对偏差大报警，以便及时发现BPT温度异常。

N 号BPT温度偏差大机组跳闸保护逻辑为：机组已并网&N 号BPT温度未超限&【N 号BPT温度分散度>+30 ℃或<-60 ℃】&【N 号任一相邻BPT温度分散度>+20 ℃或<-30 ℃，或N 号任一相邻BPT温度分散度变化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min】&【N 号TCS侧BPT温度和N号TPS侧BPT温度偏差<10 ℃】。逻辑框图如图7所示。

图7 BPT温度偏差大机组跳闸逻辑框图(优化后)

上述逻辑优化涉及TCS、TPS(TPS分为TPS1、TPS2、TPS3)系统20个BPT温度保护逻辑共80张BPT温度保护逻辑页修改，并新增TCS系统和TPS系统之间BPT的温度通讯信号通讯逻辑页数页。

BPT温度保护逻辑优化后，模拟BPT温度异常试验，BPT温度保护逻辑动作可靠。在实际运行中也多次预警TCS侧和TPS侧BPT温度偏差，BPT温度保护逻辑优化提高了BPT温度保护逻辑的可靠性，保障了机组安全运行。

5 结语

BPT温度是燃气轮机重要的监视、保护参数，BPT温度保护逻辑的可靠程度直接影响机组运行的可靠性。虽然国内多家M701F燃气轮机电厂由于BPT温度保护误动作导致机组非计划停运，但是三菱厂家还是坚持只给用户提供有偿的、昂贵的逻辑改造优化方案。通过自行研究、开展逻辑优化，保障了机组运行安全，并为公司节约一笔不菲的改造费用。