M701F燃氣輪機BPT溫度保護邏輯解讀和優化

念小文

(中海福建燃氣發電有限公司，福建 莆田 351156)

三菱M701F燃氣輪機采用干式低氮燃燒器，燃氣輪機的周向共有20個燃燒器，為了防止燃氣輪機透平初溫過高或溫度變化趨勢過快損傷燃氣輪機燃燒室和透平葉片，M701F燃氣輪機設置了20個葉片通道溫度(blade path temperature，BPT)來監測保護燃氣輪機的熱通道部件[1]。在機組運行過程中,如果各個燃燒器中的燃燒情況不同 ,可能引起燃燒溫度和燃氣溫度的變化,經過透平葉片后,以一定的滯后角的形式反映到置于透平末級動葉后的 BPT 變化上。當各 BPT 的分散度達到一定值,或者某個 BPT 偏差較大時,可以認定相應的燃燒器存在燃燒不良或者燃燒器損壞的情況[2]。

M701F燃氣輪機在控制系統中設置了報警、自動停機、機組跳閘等BPT保護邏輯。據了解，由于M701F燃氣輪機BPT溫度相關保護邏輯不完善，國內多家M701F燃氣輪機電廠在基建或后期運維過程中，發生BPT溫度保護誤動作情況導致機組非停。

1 BPT溫度保護誤動作案例

1.1 某電廠BPT 溫度偏差大機組跳閘

某電廠出現 6號 BPT偏差大導致跳機事故，事后對 6號 BPT數據進行分析，未見異常。但檢查事件順序發現，當日機組并網后 ,多次出現“6號 BPT超限報警”，最后一次“6號 BPT超限報警”復歸300 s后出現“6號 BPT偏差大跳機”。檢查發現，BPT趨勢數據取自 TCS(turbine control system)系統，而非 TPS(turbine protection system)系統，且 6號 BPT 數據和其他 BPT相比未見異常，基本能夠判斷出 6號 BPT熱電偶本身應該沒問題。經排查發現6號 BPT溫度TPS側溫度回路中間端子箱處連接到信號轉換器的接線接觸不良 ,出現“虛接”而導致保護回路的 6號 BPT數據異常，機組跳閘[2]。

1.2 某電廠BPT 溫度變化趨勢大機組自動停機

某電廠機組正常運行中，TCS報“6號 BPT溫度變化趨勢大自動停機”，觸發機組自動停機。事后查曲線，發現6號BPT溫度TCS側溫度存在異常跳變，跳變時間持續約60 s，跳變溫度最低至445 ℃，而TPS側溫度則顯示正常，為594 ℃。

機組停運后檢查6號BPT溫度元件線路及通道，元件接線端子、中間端子箱接線端子、卡件接線端子均未發現異常；檢查6號BPT溫度元件本體，發現6號BPT溫度TCS側溫度元件存在劣化情況，更換6號BPT溫度元件后，機組再次啟動后機組未再發生異常。

2 BPT溫度保護控制邏輯解讀

2.1 BPT溫度測量回路結構

M701F燃氣輪機配置的20支BPT溫度元件為雙支型E分度熱電偶。熱電偶一支送至TCS系統，參與TCS控制和保護；另一支送至TPS系統，經信號轉換器，轉換為2組1～5 V DC電壓信號，分別送至TPS1、TPS2、TPS3。其中TPS1、TPS2并接共用1組，TPS3使用1組。BPT熱電偶接線示意圖如圖1所示。

圖1 BPT熱電偶接線示意圖

2.2 BPT溫度保護邏輯

M701F燃氣輪機控制系統在TCS側和TPS側分別設置自動停機(機組發自動停機令，按正常速率降負荷停機)和機組跳閘BPT保護相關邏輯。

2.2.1 TCS側自動停機邏輯

M701F燃氣輪機控制系統在TCS側設置BPT溫度偏差大和BPT溫度變化趨勢大兩套自動停機保護邏輯。

(1) BPT溫度偏差大自動停機

N 號BPT溫度偏差大自動停機邏輯為：機組已并網&N號BPT溫度未超限&【N 號BPT溫度分散度>+25 ℃或<-40 ℃】&【N號任一相鄰BPT溫度分散度>+20 ℃或<-30 ℃，或N號任一相鄰BPT溫度分散度變化率>+1 ℃/min或<-1℃/min】。其中，N 號BPT溫度分散度=N號BPT溫度-20支BPT溫度的平均溫度。邏輯框圖如圖2所示。

圖2 BPT溫度偏差大自動停機邏輯框圖

(2) BPT溫度變化趨勢大自動停機

N 號BPT溫度變化趨勢大自動停機邏輯為：機組已并網&N號BPT溫度未超限&N 號BPT溫度分散度變化率絕對值大于設定值&【N 號任一相鄰BPT溫度分散度變化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min】。邏輯框圖如圖3所示。

圖3 BPT溫度變化趨勢大自動停機邏輯框圖

2.2.2 TPS側機組跳閘邏輯

M701F燃氣輪機控制系統在TPS側設置BPT溫度偏差大機組跳閘主保護邏輯。

N 號BPT溫度偏差大機組跳閘保護邏輯為：機組已并網&N號BPT溫度未超限&【N 號BPT溫度分散度>+30 ℃或<-60 ℃】&【N 號任一相鄰BPT溫度分散度>+20 ℃或<-30 ℃，或N 號任一相鄰BPT溫度分散度變化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min】。邏輯框圖如圖4所示。

圖4 BPT溫度偏差大機組跳閘邏輯框圖

3 BPT 溫度保護邏輯存在問題分析

3.1 BPT溫度保護輔助判據失去保護輔助閉鎖作用

從上述邏輯可以看出，BPT溫度自動停機和機組跳閘保護邏輯，其輔助判斷條件均含任一相鄰BPT溫度分散度變化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min。在機組實際運行中，該輔助判斷條件存在以下3個問題：

1) 機組負荷變動時，BPT溫度為變動狀態，BPT溫度分散度變化率常大于1 ℃，導致該輔助判斷條件常為滿足狀態；同時根據實際運行狀況觀察，即使機組在穩定負荷狀態，BPT溫度也不是完全不變化的，個別變化的BPT溫度分散度變化率也會大于1 ℃，導致BPT溫度保護輔助判據為滿足狀態，失去保護閉鎖作用。

2) 由于BPT平均溫度為20個BPT溫度測量值的平均值，當單個BPT溫度異常， BPT溫度變化較大(譬如變化大于20 ℃)時，會導致BPT平均溫度變化超過1 ℃；由于N 號BPT溫度分散度=N 號BPT溫度-20支BPT溫度的平均溫度，該異常BPT溫度元件相鄰BPT溫度分散度變化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min，導致BPT保護的輔助判據為滿足狀態，失去保護閉鎖作用。

3) 同三菱廠家溝通，輔助判斷條件BPT溫度分散度變化率的設定值是根據以前燃燒器損傷實際案例設定的，不允許放寬。

3.2 BPT溫度保護冗余不足

BPT溫度保護為單點保護，即單個BPT溫度測量值達到保護設定值時即可導致機組跳閘或機組自動停機。雖然BPT保護邏輯設計了BPT溫度故障壞點，溫度超限閉鎖條件，但是在機組實際運行中，BPT溫度回路異常，不是只有BPT溫度故障壞點情況，還存在BPT溫度波動的情況。當BPT溫度波動時，BPT溫度超限故障壞點閉鎖條件失去保護閉鎖作用。

實際運行中，單點BPT溫度元件老化異常、回路接線松動、信號分配器故障、卡件異常等均有可能導致BPT溫度波動，BPT溫度保護誤動作。

4 BPT溫度保護控制邏輯優化方案

4.1 優化方案探討

4.1.1 BPT溫度保護由單點保護改為冗余保護

在燃氣輪機本體原BPT溫度元件附近增加一個溫度元件，將BPT溫度保護由單點保護改為冗余保護，該改造方案難度大、工程量大，基本無實施的可能，故對BPT 溫度保護邏輯的輔助判據進行補充優化是比較可行的辦法。

4.1.2 增加BPT溫度變化率大邏輯保護閉鎖

在N號BPT溫度保護邏輯輔助判據中，增加N號BPT溫度變化率大輔助判別條件，即當N號BPT溫度異常波動、跳變時，N號BPT溫度變化每秒超過多少時，閉鎖N號BPT溫度保護邏輯動作。

由于機組正常運行中，BPT溫度常為變動狀態，特別機組負荷變動時，BPT溫度變化幅度較大，增加的溫度變化率大輔助判別的變化率設定值需確定一個經過論證及實踐驗證的合理定值。變化率設定值太大，可能導致BPT溫度保護邏輯拒動，導致異常時事故擴大；變化率設定值太小，增加的溫度變化率大邏輯輔助判據不起作用，失去設定意義。該變化率需既能判別出溫度異常情況進行BPT溫度保護閉鎖，又需能滿足BPT溫度正常運行變化時，BPT溫度保護正常投用。

4.1.3 增加TCS系統和TPS系統BPT溫度比對邏輯保護閉鎖

M701F燃氣輪機TCS控制系統采用三菱Diasys Netmation控制系統，系統采用總線形網絡結構。TCS系統和TPS系統數據可通過總線網絡進行數據交互傳輸、讀取。而雙支型BPT溫度分別送至TCS系統和TPS系統形成獨立的、單點的BPT溫度保護，可通過TCS系統和TPS系統BPT溫度數據的相互讀取，進行溫度相互比對。作為BPT溫度回路異常時BPT溫度保護的輔助判據，當TCS系統和TPS系統BPT溫度偏差大于設定值時，閉鎖BPT保護誤動作，避免TCS側或TPS側的BPT溫度回路異常導致的BPT保護誤動作。

由于TCS系統和TPS系統BPT溫度來自同一測量點的雙支熱電偶，雙支熱電偶正常溫度偏差均在5 ℃以內，同時溫度元件異常時導致的溫度變化量正常遠大于10 ℃。相對于方案4.1.2需確定一個合理溫度變化率定值，本方案定值容易確定，方案更合理。

4.2 邏輯優化方案實施

4.2.1 TCS側自動停機邏輯

BPT溫度偏差大自動停機、BPT溫度變化趨勢大自動停機邏輯增加TCS側和TPS側BPT溫度偏差大于10 ℃的保護閉鎖邏輯。

(1) BPT溫度偏差大自動停機

N 號BPT溫度偏差大自動停機邏輯為：機組已并網&N 號BPT溫度未超限&【N 號BPT溫度分散度>+25 ℃或<-40 ℃】&【N 號任一相鄰BPT溫度分散度>+20 ℃或<-30 ℃，或N 號任一相鄰BPT溫度分散度變化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min】&【N 號TCS側BPT溫度和N號TPS側BPT溫度偏差<10 ℃】。邏輯框圖如圖5所示。

圖5 BPT溫度偏差大自動停機邏輯框圖(優化后)

(2) BPT溫度變化趨勢大自動停機

N 號BPT溫度變化趨勢大自動停機邏輯為：機組已并網&N 號BPT溫度未超限&N 號BPT溫度分散度變化率絕對值大于設定值&【N 號任一相鄰BPT溫度分散度變化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min】&【N 號TCS側BPT溫度和N號TPS側BPT溫度偏差<10 ℃】。邏輯框圖如圖6所示。

圖6 BPT溫度變化趨勢大自動停機邏輯框圖(優化后)

4.2.2 TPS側機組跳閘邏輯

BPT溫度偏差大機組跳閘邏輯增加TCS側和TPS側BPT溫度偏差大于10 ℃的保護閉鎖邏輯，并且增加機組并網后，TCS側和TPS側BPT溫度偏差大于5 ℃，BPT溫度TCSTPS比對偏差大報警，以便及時發現BPT溫度異常。

N 號BPT溫度偏差大機組跳閘保護邏輯為：機組已并網&N 號BPT溫度未超限&【N 號BPT溫度分散度>+30 ℃或<-60 ℃】&【N 號任一相鄰BPT溫度分散度>+20 ℃或<-30 ℃，或N 號任一相鄰BPT溫度分散度變化率>+1 ℃/min或<-1 ℃/min】&【N 號TCS側BPT溫度和N號TPS側BPT溫度偏差<10 ℃】。邏輯框圖如圖7所示。

圖7 BPT溫度偏差大機組跳閘邏輯框圖(優化后)

上述邏輯優化涉及TCS、TPS(TPS分為TPS1、TPS2、TPS3)系統20個BPT溫度保護邏輯共80張BPT溫度保護邏輯頁修改，并新增TCS系統和TPS系統之間BPT的溫度通訊信號通訊邏輯頁數頁。

BPT溫度保護邏輯優化后，模擬BPT溫度異常試驗，BPT溫度保護邏輯動作可靠。在實際運行中也多次預警TCS側和TPS側BPT溫度偏差，BPT溫度保護邏輯優化提高了BPT溫度保護邏輯的可靠性，保障了機組安全運行。

5 結語

BPT溫度是燃氣輪機重要的監視、保護參數，BPT溫度保護邏輯的可靠程度直接影響機組運行的可靠性。雖然國內多家M701F燃氣輪機電廠由于BPT溫度保護誤動作導致機組非計劃停運，但是三菱廠家還是堅持只給用戶提供有償的、昂貴的邏輯改造優化方案。通過自行研究、開展邏輯優化，保障了機組運行安全，并為公司節約一筆不菲的改造費用。