专用超速保护装置功能分析及其在燃气轮机中的应用与优化_王秋实.pdf

Mar.2023No.1DONGFANG TURBINE2023年3月第1期专用超速保护装置功能分析及其在燃气轮机中的应用与优化专用超速保护装置功能分析及其在燃气轮机中的应用与优化Abstract：This paper introduces the main function and configuration analysis of Braun overspeed protection device of E16A342,and puts forward the application design of the device in the overspeed protection function of gas turbine,and on this basis putsforward some optimization schemes,which have certain reference value for practical engineering application.Key words：E16A342,Braun overspeed protection device,gas turbine,overspeed protection王秋实，谢琪，王金建，赵瑜，沈新军（中国联合重型燃气轮机技术有限公司，北京，100016）摘要：文章介绍了E16A342型Braun超速保护装置的主要功能及其组态分析，提出了该设备在燃气轮机超速保护功能中的应用设计情况，并在此基础上提出了一些优化方案，对实际工程应用具备一定的参考价值。关键词：E16A342，Braun超速保护装置，燃气轮机，超速保护中图分类号：TK47,TH86,TM02文献标识码：A文章编号：1674-9987（2023）01-0052-04Function Analysis of Special Overspeed Protection Deviceand Its Application and Optimization in Gas TurbineWANG Qiushi，XIE Qi，WANG Jinjian，ZHAO Yu，SHEN Xinjun（China United Gas Turbine Technology Co.,Ltd.,Beijing,100016）DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.01.0141引言燃气轮机是1种高速转动的机械设备，由于离心力正比于转速的平方，因此，其转动部件在转动时产生的应力与转速有着密切的关系。普遍认为，当转速升高20%，应力就接近于额定转速时的1.5倍。为避免燃机部件因转速过高而引起严重损坏而造成巨大损失，燃气轮机必须进行相关超速保护设计1。目前燃气轮机的超速保护设计主要通过软保护和硬保护实现。所谓软保护，即通过控制系统中以逻辑处理的方式实现切断跳闸电磁阀的供电，从而迅速切断燃气轮机的燃料，使其停止运转；硬保护，则通过专用转速保护装置来切断跳闸电磁阀的供电，分为机械式和电子式。机械式超速保护装置，如危急遮断器、限位开关等，由于其本身设计的缺陷及长期处于静止状态而引起的卡涩容易造成动作失常，使其变得不可靠，因此，目前燃气轮机超速保护系统一般都配备电子超速第一作者简介：王秋实（1986-），男，硕士研究生，工程师，毕业于北京科技大学控制科学与工程专业。主要从事仪控系统设计与开发应用工作。52No.1Mar.2023DONGFANG TURBINE2023年3月第1期保护装置，如GE公司的9FA/9E燃气轮机，主要采用Mark-V超速保护系统1-2。为了进一步提升超速保护的可靠性，本文提出采用经过SIL3级认证的E16A342型Braun超速保护装置，来实现燃气轮机的超速硬保护，并且在此基础上，进一步提出一些优化措施。2Braun超速保护装置E16A342型Braun超 速 保 护 装 置 包 含1个E1691型测试模块和3个E1667型监视器模块A、B、C3，如图1所示，它的逻辑设计基础是失电跳机，用于自诊断和监测转速信号/票选（Voter）信号，实现“三取二”（2oo3）表决，切断3路跳闸电磁阀电源，从而强制燃气轮机停机。相关功能需要通过设备参数（P00P17）进行组态编程。图1E16A342型Braun超速保护装置2.1超速保护功能3个E1667型监视器模块A、B、C分别接收来自现场燃机转速传感器的转速信号，通过设定阈值实现单通道装置报警（Outputs Monitor warningalarm输出端口）或三取二装置跳机（Output Trip-Lines I,II,III输出端口）。组态编程见表1。表1超速保护组态编程其中，额定频率与额定转速之间的关系由式（1）确定：额定转速额定频率齿数60（1）注：为计算方便，取燃气轮机齿数=60；2.2票选功能E16A342型Braun超速保护装置包含多达6路票选输入通道，每路票选通道含3路输入信号。通过控制系统输出DO信号至票选输入通道，实现单通道装置报警（Outputs Monitor warning alarm输出端口）或三取二装置跳机（Output Trip-Lines I,II,III输出端口）。以票选通道1（Voter 1：Input I/II/III）为例，组态编程见表2。表2Voter 1组态编程2.3SP2低速保护功能SP2低速保护功能主要用于监测燃机启动时3路转速输入信号在一定时间内能否达到某个安全设定值，以排除现场转速传感器出现故障的情况。该功能由3个DI信号控制，来自控制系统DO输出，当该信号由高电平切换为低电平时，按照设定的触发时间进行倒计时，计时时间到达时，检测当前转速信号n，若单通道nSP2设定值，则触发报警（Outputs Monitor warning alarm输出端口），若三取二nSP3时，Outputs Speed alarm SP3端口失电）0（报警状态根据实测转速更新）1（nSP3时，面板LED4由绿变红）设备参数P02.07P02.08P02.09含义通道冗余偏差设定值连续偏差次数N设定值（示意）430 r/min5设备参数P03.04P01.05P01.07P01.08P01.09含义加速度功能使能分频器加速度设置精度最大加速度设定值检测时间设定值（示意）11（1255）0（整数）1 0001（20 ms）SP1varSP1ASP1BSP1ValueaccelerationdN/dtdN/dt max0054No.1Mar.2023DONGFANG TURBINE2023年3月第1期保护系统跳闸电磁阀回路控制系统报警信号跳闸信号Braun超速保护装置票选信号A5S霍尔转速传感器图3燃气轮机超速保护设计示意图4优化为了实现安全性与经济性的有效结合，在保证燃机转速超过设定阈值时，超速保护设计的硬保护与软保护需要立即动作，触发跳机，同时，还要尽可能降低燃机误动作率，即在燃气轮机正常运转期间，尽可能忽略次要因素引起的跳机。基于以上原则，同时从硬保护出发，主要从以下3个方面进行设计优化。（1）功能优化从本文第2节可以看到，E16A342型Braun超速保护装置包含多种保护功能，然而，某些功能对于燃气轮机的超速保护设计而言并没有实际应用价值，且功能越多样，由此引起的不稳定因素越多，从而更加影响燃气轮机的稳定运行，因此，在保证超速保护功能实现的前提下，需尽可能减少其他冗余功能，提升燃机运行效率。考虑取消以下功能项：SP2低速保护功能：P02.06设置为0；SP3超速报警功能：P05.00设置为9999；加速度功能：P03.04设置为0。（2）参数优化当燃气轮机因超速、票选或者其他逻辑引起跳机保护功能后，即现场出现了非常严重的问题，需要进行停机检查故障并消除后，才允许再次启动。因此，参数P03.01（超速报警值回差）需要给定一个相对较大的数值，用以防止因参数设置的过小，导致转速在超速报警值附近扰动时，引起已触发跳机信号恢复，一般情况下，将P03.01设置为50%左右或者更高。（3）人因消除E16A342型Braun超速保护装置组态设定是通过设备操作面板的按键及数显完成的，一旦设计确定，组态参数在任何情况下都不允许变动或者修改。因此，可以开启该装置的密码保护功能，并取消操作面板按键复位功能，以防止现场误操作或人为蓄意破坏。5结束语本文分析了E16A342型Braun超速保护装置的各项功能及相关组态编程设计，并从工程应用出发，主要在功能、参数及人因等方面，提出了该装置的应用设计及优化方案，具备一定的实际参考价值。参考文献1张彩,苏烨,沈俊,等.GE公司9FA燃气轮机离线超速试验及问题处理J.发电设备,2014,28(5):336-340.2周晖.9E燃气轮机MarkV(TMR)控制系统故障分析及对策J,燃气轮机技术,2006,19(4):55-59.3E16x342-Manual_EN_Rev11 Z,BRAUN GMBH,2020,06.4郑彦豪.西门子SGT-4000F型燃气轮机保护控制系统研究J.机械管理开发,2020,35(11):60-62.5吕新.基于故障树方法的燃气轮机超速保护方案可靠性分析J.电子测试,2020(11):64-66.6朱翠金,闯喜宏.浅析GE公司燃气轮机MARK 控制系统的保护系统功能J,东北电力技术,2006,27(4):38-41.7国家能源局.防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义M.北京:中国电力出版社,2014.55