浅谈9HA.01燃机SILs核心保护系统功能及调试方法

龙颜长，朱良君，宋华伟，李杰龙，张大佳，白云山

（华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

1 机组设备概述

天津某燃气蒸汽联合循环机组由一台燃气轮机、一台汽轮机、两台发电机和一台余热锅炉及相关辅助系统和设备组成，一拖一分轴布置。其中燃气轮机为GE公司生产的全球首台3D打印微孔预混PG9371/9HA.01燃机。燃机简单循环单轴机组出力为445.65MW，整套联合循环的发电量约为650MW，联合循环效率可达到62.81%。

燃气轮机转子采用单轴设计，双轴承支撑，通过中间联轴器在压气机端（冷端）与发电机相连。压气机采用14级轴流式压气机，压气机叶片采用3D叶型设计和“superfinishing”（超光洁度）技术。燃烧系统采用DLN2.6E微孔预混燃烧系统技术，采用逆流分管式设计，布置16个低NOx燃烧器，燃机透平部分采用4级透平叶轮，第1级叶片由单晶合金制造，同时采用表面热障涂层技术，后3级叶片是由航空发动机合金定向固化而成。透平叶片前3级采用强制对流空气冷却，第4 级不设冷却。本燃机机组配套的发电机为450H（QFN-530-2）氢冷同步发电机，铭牌功率PN442MW。

汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产型号为：LC165/N208-16.588/3.54/0.755、性能保证工况下发电功率为208.685MW，额定供热工况下发电功率为132.757MW。三压(带补汽)、可调抽汽、凝汽式汽轮发电机组。

锅炉采用则为无锡华光锅炉有限公司生产的型号：UG-9HA.01-R，三压、自身除氧、带SCR、再热、自然循环、无补燃、卧式余热锅炉。

2 SILs核心保护系统简介

GT SILs是Gas Turbine Safety Integrity Level system的缩写，中文称为燃机安全完整性等级系统。1998年颁布的IEC61508功能安全标准中首次提出了SIL的概念，它是一种功能安全等级的划分。IEC61508将SIL分为SIL1、SIL2、SIL3和SIL4四个等级。安全相关系统的SIL级别，是由风险分析计算得出来的，是通过分析风险暴露时间和频率、风险后果严重程度、不能避开风险的概率和不期望事件发生概率等四个因素综合得出。SIL级别越高，要求的危险失效概率就越低。

保护系统包括以下内容：YSIL I/O成套设备，TCSA作为备用保护系统的主要终端板，本地处理器和数据采集板安装在TCSA，WCSA是TCSA板上所需的子板，SCSA是通过串行总线连接到WCSA的I/O扩展板(三个)。图1显示了YSIL保护系统图，其中燃机Mark VIeS安全控制器用于各种过程控制和燃机械应用，将被控燃气轮机置于或保持在安全状态。YSIL系统采用ControlST V5.04或更高版本，是一个三重冗余SIL 3系统，它将独立于主保护系统使燃机跳闸，YSIL监控每个主控制器以进行速度差分检测，并进行诊断判断，从三个YSIL部分中的每个产生燃机跳闸信号，其在TCSA板上馈送并去跳闸继电器。

图1 YSIL保护系统

保护系统可监控多达9个无源磁性速度传感器，可为HP、IP和LP轴提供最多3套3个冗余速度传感器的输入。它还支持多达10个Rueter-Stokes火焰探测器的接口，具有4～20mA输入或8个霍尼韦尔火焰探测器输入，具有335V直流输入。跳闸保护I/O成套设备括：一个急停输入 (TCSA)，九个电动螺线管输出(TCSA两个TMR，投票的驱动器触点输出(TCSA)。

3 SILs系统功能及调试方法

3.1 调试验证前工作

在进行燃气轮机保护系统调试工作前，对硬件检查，确保电缆接线正确，机柜内所有硬件完好，可以正常送电；用户软件检查，确保系统可以正确使用，一次设备检查，对保护系统直接控制的电动阀等执行元件进行远方操作试验，对保护系统发出的热工报警进行确认各项检查完成后，强制相关燃机跳闸信号，检查启动检查界面L3ISPSTCK:CPD界面无报警，通信无故障且励磁启动允许满足，点火允许83-TVX就绪，点火程序就绪，点火变压器得电。

3.2 紧急停机保护

当燃机在启动及正常运行过程中，发生危及人身及设备安全重大事故的时候，而需要立即停止燃机或者跳机保护拒动时候，都可以立即手动打闸燃机，从而保护人身及燃机设备安全。9HA.01燃机紧急停机按钮有两处，分别安装在远方DCS集控台面处和就地mark Vies控制柜门处。保护信号均来自开关量输入，通过在就地MarK VIeS控制柜手动打闸L5L停机按钮和集控室L5R与串接紧急停机按钮L5Estop—FBZ压入开关动作，则燃机MarK VIeS安全逻辑控制器应发出动作信号，报警装置发出声光报警，实时报警栏提示对应的紧急停机按钮动作。

3.3 超速保护

燃气轮机是一种高速转动的机械，其转动部件的应力和转速有着密切的关系，由于离心力正比于转速的平方，当转速升高时，因离心力所造成的应力将会迅速增加。当转速升高20%额定转速时，应力就接近于额定转速时的1.5倍。叶轮等紧力配合的转动部件的松动转速通常也是按高于额定转速20%额定转速设计的，如果转速升高到不允许的数值，会导致燃气轮机设备的严重损坏，因此，当9HA.01燃气轮机转速超过额定运行转速的110%就动作，并迅速切断燃气轮机的燃料，使其停止运转。

3.4 振动保护

燃气轮机振动保护由几个独立的通道组成。各通道分别用装在燃气轮机或发电机轴承座上的传感器检测振动，振动传感器借助磁钢穿过固定线圈产生一个微小的电压输出，用屏蔽双芯电缆将检测器连接到在Mark-VIe控制盘上的TBQB端子板上，从TBQB端子板来的检测信号由在共同保护软件程序中运行的I/0配置参数进行标定。当检测到传感器有故障或当振幅超过程序给定的遮断整定值时，振动保护软件程序将显示出一系列报警信息，与所给定的报警和遮断值进行比较。当机组振动过大时发出报警和遮断机组，从而防止燃机在启动及运行过程中轴承振动超限引起燃机及发电机动静摩擦，危及设备安全。

3.5 燃料流量过大

在燃气轮机点火过程，为了防止点火初期时候燃气流量过大在燃气轮机内部爆燃，设置点火燃气流量过大保护，9HA.O1设置的是大于18.24IB/s，燃机跳闸。强制开启燃气控制阀，模拟点火过程，达到保护动作值LEFFF_TRP，燃气流量大于18.24IB值。则燃机MarK VIeS安全逻辑控制器应发出动作信号，报警装置发出声光报警，实时报警栏提示对应的紧急停机按钮动作。

3.6 燃机点火保护

在启动过程中，在点火期间监视燃烧室是否点燃是非常重要的，当机组点火程序触发后，一旦有两个火焰探测器见火，就算机组点火成功，允许启动程序继续进行，则火焰探测器发出信号使FSR从点火值减少至暖机值，并使程序向前继续；若”LFI_PTRP_TRP点火指令发出10s后未检测到火焰。或者”LFI_SFTRP_TRP在轻吹时检测到火焰或两个以上的火检信号故障，延时2秒。或者”LFTI_GCV_ERR点火允许前GCV3或4开度>6%，在燃烧室中还没有建立火焰，则发出信号切断燃料，启动程序中止，以免燃料积聚在燃烧室或透平内可能发生爆燃等重大事故。

3.7 燃机运行过程中火焰丢失

在燃机正常运行过程中，如果燃机突然发生火焰丢失，燃机灭火。进入燃料大量积聚在燃烧室或透平内可能发生爆炸等重大事故。所以在燃机火焰丢失后迅速切断进入天然气禁止再次点火。

3.8 危险气体探测

为了防止燃机天然气系统发生泄漏引起爆炸，燃机设置了危险气体探测系统，在燃机的控制阀系统处端和燃烧段区域，共配备2个区域探测点，设置了2个探头，对天然气进入机组内可燃气体全程进行监视，各天然气探头若检测到天然气浓度达6%LEL，则发对应位置天然气浓度高报警，如果是两个燃机间危险气体检测装置一个达到10%LEL高高，且另外一个高高或不在运行状态，延时120ms。

3.9 通风风压监视

燃机罩壳通风风压监视：其主要作用是监视从室外吸进空气，经过在通风罩壳内循环冷却后，保持关键罩壳内的气温在可接受的范围内。并将燃机运行中散发出的部分热量以及天然气供气管道可能泄漏的天然气排至罩壳外，罩壳内风压是衡量机组的安全运行重要指标。

3.10 燃机火灾保护

9HA.01燃机火灾灭火保护采用是HI-FOG 水雾喷淋灭火装置，用于燃机透平室和2号轴承空间舱室发生的碳氢化合物引起的火灾，系统包括泵系统、连接管道及就地喷头、火灾探头组成。火灾发生后依次启动泵组，从而降低电力峰值负荷。可以自动、手动或远程启动MSPU。当出现火灾会导致一个或多个洒水器上的热感应灯泡破裂。或者，打开区段阀。此外，流量监视器检测流量并启动MSPU。灭火系统高压水流随之关闭GTG机组透平室防火闸，它利用水作为介质，在特定的高压下通过高压喷头，将水雾化，水雾吸热后迅速汽化，体积急剧膨胀，起到冷却和窒息灭火的作用，同时，驱散机室内可燃气体，制造一个防爆氛围。

4 结语

依据《燃气轮机及联合循环机组启动调试导则》（DL_T_1835-2018）与厂家给出各系统说明书要求及mark系统逻辑流程，按照GE 9HA.01调试手册规定分系统调试阶段完成了各项保护试验后，各种保护控制功能运行正确、可靠且满足机组正常运行需要。在试运阶段，SIL的硬接线跳闸、复位操作、冗余切换均应满足运行要求。