1、第10章 燃气轮机保护系统1北京市高等教育精品教材立项项目简介简介燃机超速保护燃机超速保护燃机超温保护燃机超温保护燃机燃烧监测燃机燃烧监测燃机熄火保护燃机熄火保护燃机振动保护燃机振动保护本章主要内容本章主要内容 一一 、简介、简介 保护系统和控制系统不可分割；保护系统和控制系统不可分割；正常运行，由控制系统实施控制；偏离正常运行参数，正常运行，由控制系统实施控制；偏离正常运行参数，保护系统报警、指示故障；机组关键参数超过临界值保护系统报警、指示故障；机组关键参数超过临界值或控制设备故障危及机组安全，报警同时通过切断燃或控制设备故障危及机组安全，报警同时通过切断燃料使机组跳闸。料使机组跳闸。切断
2、燃料通过两个独立装置实现：切断燃料通过两个独立装置实现：燃料截止阀；通过电气和液压两个信号关闭。燃料截止阀；通过电气和液压两个信号关闭。燃料泵和燃料控制阀，通过电气信号关闭。燃料泵和燃料控制阀，通过电气信号关闭。二、二、燃机超速保护燃机超速保护1.功能：功能：转动部件应力和转速有密切关系。转速升高离心力所转动部件应力和转速有密切关系。转速升高离心力所造成的应力将会迅速增加。造成的应力将会迅速增加。转速超过允许值导致燃机设备严重损坏。转速超过允许值导致燃机设备严重损坏。燃机转速超过一定限度，超速保护动作，切断燃机燃燃机转速超过一定限度，超速保护动作，切断燃机燃机燃料，使其停止运转。机燃料，使其停
3、止运转。分为机械超速保护系统和电子超速保护系统。分为机械超速保护系统和电子超速保护系统。2.机械超速保护系统机械超速保护系统主要包括辅助齿轮轴上危急遮断器、超速遮断机构、限主要包括辅助齿轮轴上危急遮断器、超速遮断机构、限位开关等组件位开关等组件1)危急遮断器危急遮断器(超速螺栓超速螺栓)：用以感测燃机超速，是弹簧加压且偏心安置在支架上的螺栓用以感测燃机超速，是弹簧加压且偏心安置在支架上的螺栓组件。超速之前弹簧力使其维持在安装座上。组件。超速之前弹簧力使其维持在安装座上。轴转速增加，作用在螺栓上的离心力超过弹簧力时，螺栓向轴转速增加，作用在螺栓上的离心力超过弹簧力时，螺栓向外甩出遮断超速遮断机构
4、。外甩出遮断超速遮断机构。弹簧力可以调整，借以调整遮断轴转速。弹簧力可以调整，借以调整遮断轴转速。2)超速遮断机构：超速遮断机构：紧靠超速螺栓组件，装在辅助齿轮轴上。实质为液压泄放阀。紧靠超速螺栓组件，装在辅助齿轮轴上。实质为液压泄放阀。与电液遮断阀并联安装。与电液遮断阀并联安装。保护动作时，超速螺栓组件遮断超速遮断机构的遮断闭锁销，保护动作时，超速螺栓组件遮断超速遮断机构的遮断闭锁销，使遮断阀机械释放并将液压安全油遮断系统泄压，关闭燃料使遮断阀机械释放并将液压安全油遮断系统泄压，关闭燃料截止阀，切断燃料遮断机组。截止阀，切断燃料遮断机组。3)限位开关：限位开关：限位开关与超速遮断机构一起连接
5、到报警器，遮断机构遮限位开关与超速遮断机构一起连接到报警器，遮断机构遮断即行动作，表明该机构已遮断。断即行动作，表明该机构已遮断。遮断机构可手动遮断，必须在设备上手动复位。遮断机构可手动遮断，必须在设备上手动复位。3.Mark-V电子超速保护系统电子超速保护系统 通常采用三个控制用测速传感器和三个保护用测速传感器。通常采用三个控制用测速传感器和三个保护用测速传感器。双倍三冗余测速，提高测速准确性和可靠性。双倍三冗余测速，提高测速准确性和可靠性。包括主电子超速保护系统和副电子超速保护系统。包括主电子超速保护系统和副电子超速保护系统。1)主电子超速保护系统：主电子超速保护系统：包括检测透平转速的磁
6、性传感器、转速检测软件和相关逻包括检测透平转速的磁性传感器、转速检测软件和相关逻辑回路。整定值可由可调控制常数决定。辑回路。整定值可由可调控制常数决定。工作原理：工作原理：磁性测速传感器磁性测速传感器(77NH-1、2、3)产生的透平转速信号产生的透平转速信号TNH与超速整定值与超速整定值TNKH_OS(110%n0)进行比较。进行比较。超过整定值，超速遮断信号超过整定值，超速遮断信号L12H送至主保护回路，使透平送至主保护回路，使透平停机。停机。比较器后设寄存器，超速后信息寄存在其内而闭锁。即使比较器后设寄存器，超速后信息寄存在其内而闭锁。即使转速转速TNH小于超速整定值，寄存器保留超速信息
7、而不复位。小于超速整定值，寄存器保留超速信息而不复位。直至通过主复位信号直至通过主复位信号L86MR1予以复位。予以复位。试验副电子超速保护系统和机械超速保护系统时，通过试验副电子超速保护系统和机械超速保护系统时，通过L83HOST_CMD命令，主电子超速保护给定点切换到试验命令，主电子超速保护给定点切换到试验给定点给定点TNKHOST，以便把电子超速遮断设定在略高于机，以便把电子超速遮断设定在略高于机械超速遮断转速。械超速遮断转速。2)副电子超速保护系统副电子超速保护系统:副超速保护系统功能由控制盘内独立的副超速保护系统功能由控制盘内独立的保护模块完成。保护模块完成。直接用直接用ETR-紧急
8、跳闸继电器工作。紧急跳闸继电器工作。磁性测速传感器和超速给定值跨接器磁性测速传感器和超速给定值跨接器(Berg Jump)进行比较，进行比较，转速整定值由硬件给定并通过控制系统软件查看。转速整定值由硬件给定并通过控制系统软件查看。超过跨接器给定值时，超过跨接器给定值时，ETR继电器驱动器切断燃油截止阀继电器驱动器切断燃油截止阀线圈电源。线圈电源。3 3、燃机超温保护、燃机超温保护1.透平等透平等 线的控制原理线的控制原理 较高的透平前温直接测量、控制非常困难；较高的透平前温直接测量、控制非常困难；大气温度不变，通过测量燃机排气温度来间接反映透大气温度不变，通过测量燃机排气温度来间接反映透平前温
9、。两者变化趋势相同。平前温。两者变化趋势相同。考虑大气温度变化，要维持燃机透平前温为常数，要考虑大气温度变化，要维持燃机透平前温为常数，要相应对排气温度做修正。一般可用大气温度、压气机相应对排气温度做修正。一般可用大气温度、压气机出口压力等参数进行修正。出口压力等参数进行修正。排气温度和压气机出口压力之间的关系曲线，即为温排气温度和压气机出口压力之间的关系曲线，即为温控基准线。控基准线。3T2.Mark-V超温保护系统超温保护系统 正常运行，环境温度保持不变条件下，温控系统投入运行，正常运行，环境温度保持不变条件下，温控系统投入运行，排气温度和压气机出口压力相应处于温控基准线上某点。排气温度和
10、压气机出口压力相应处于温控基准线上某点。环境温度升高，对应点沿温控基准线向左上方移动。环境环境温度升高，对应点沿温控基准线向左上方移动。环境温度降低，对应点沿温控基准线向右下方移动。温度降低，对应点沿温控基准线向右下方移动。温控器故障，透平前温失控，超过额定参数后使透平寿命温控器故障，透平前温失控，超过额定参数后使透平寿命下降，甚至烧毁。下降，甚至烧毁。Mark-V超温保护系统设置三道超温保护线。超温保护系统设置三道超温保护线。3.超温保护算法：超温保护算法：1)TTKOT3超温报警线超温报警线温控基准线温控基准线TTRX向上平移向上平移TTKOT3常数常数(13.9C)即得第一报警线。即得第
11、一报警线。正常情况下，透平排气温度应小正常情况下，透平排气温度应小于温控基准于温控基准TTRX加上超温报警加上超温报警常数确定的给定值。比较器常数确定的给定值。比较器1AB，经或门，经或门4输入寄存器输入寄存器5将将超温故障信号保存，并输出超温遮断信号超温故障信号保存，并输出超温遮断信号L86TXT。排气温度恢复正常，比较器排气温度恢复正常，比较器2输入输入AB，输出信号经或门送入寄存器输出信号经或门送入寄存器5保存，输出超温遮断逻辑保存，输出超温遮断逻辑L86TXT，机组遮断停机。机组遮断停机。寄存器寄存器5有闭锁作用。有闭锁作用。TTKOT1一般等于或接近等于一般等于或接近等于TTKOT2
12、和和TTRX之和。之和。四、四、燃机燃烧监测燃机燃烧监测 燃机火焰筒或过渡段等高温部件会出现破裂现象，难以直接对其进行监测。燃机火焰筒或过渡段等高温部件会出现破裂现象，难以直接对其进行监测。采用透平排气温度和压气机排气温度间接检测高温部件工作是否正常采用透平排气温度和压气机排气温度间接检测高温部件工作是否正常1.燃烧监测软件燃烧监测软件1)排气温度允许分散度排气温度允许分散度SALLOW正常允许分散度是静态分散度极限，变化典型值在正常允许分散度是静态分散度极限，变化典型值在30-125F之间。取之间。取透平排气温度和压气机排气温度平均值的函数。透平排气温度和压气机排气温度平均值的函数。允许分散
13、度不能取为常数。允许分散度不能取为常数。使用压气机出口温度作为计算排气温度允许分散度的主要依据。使用压气机出口温度作为计算排气温度允许分散度的主要依据。534TTKSPLTTKSPLCTDATTKDSPLTTXMTTXSPL 压气机排气温度压气机排气温度CTDA经中间值选择器经中间值选择器1把其限制在把其限制在TTKSPL1和和TTKSPL2之间，经中间值选择器之间，经中间值选择器1的输出送给计算允许分散的输出送给计算允许分散度度2，其输入还包括透平排气温度，其输入还包括透平排气温度TTXM。允许分散度允许分散度2的计算结果由中间值选择器的计算结果由中间值选择器3限定在限定在TTKSPL5和和
14、TTKSPL7，中间值选择器，中间值选择器3的输出为为机组运行时可以允许的的输出为为机组运行时可以允许的排气分散度排气分散度TTXSPL，其经，其经CONSTANTS修正后作为判断燃烧修正后作为判断燃烧是否正常的标准。是否正常的标准。2)燃烧监测原理燃烧监测原理燃机正常运行，测量排气温度数值送至计算机计算实际分散度燃机正常运行，测量排气温度数值送至计算机计算实际分散度4。先把排气温度数值按大小排队，计算最高排气温度和最低排气先把排气温度数值按大小排队，计算最高排气温度和最低排气温度之差温度之差S1送至比较器送至比较器1和和2的的A端；计算最高排气温度和第二低端；计算最高排气温度和第二低排气温度
15、之差排气温度之差S2送至比较器送至比较器3A端；计算最高排气温度和第三低端；计算最高排气温度和第三低排气温度之差排气温度之差S3送至比较器送至比较器4A端。端。用实际排气温度分散度和允许排气温度分散度相比较，判断燃用实际排气温度分散度和允许排气温度分散度相比较，判断燃烧是否正常。烧是否正常。2.Mark-V燃烧监测保护燃烧监测保护1)排气热电偶故障报警排气热电偶故障报警S1/SallowK2，发出，发出热电偶故障报警信号热电偶故障报警信号L30SPTA。排气温度分散度是允许排气温度分散度是允许值的值的5倍是不可能的。倍是不可能的。据此判断热电偶故障使据此判断热电偶故障使测量失常。测量失常。2)
16、燃烧故障报警燃烧故障报警S1/SallowK2，产生燃烧故障报警。，产生燃烧故障报警。排气温度分散度过高遮断。排气温度分散度过高遮断。3)排气温度分散度过高遮断排气温度分散度过高遮断a)第一种遮断条件，需满足以下三个条件：第一种遮断条件，需满足以下三个条件：K1S1/SallowK3=0.8，最高排气温度超过第二个最低排气温，最高排气温度超过第二个最低排气温度之差超过度之差超过0.8倍时，比较器倍时，比较器3输入端输入端AB发出遮断逻辑信号发出遮断逻辑信号L60SP3。指示排气温度最低和第二低的两个热电偶安装位置相邻。指示排气温度最低和第二低的两个热电偶安装位置相邻。只满足前两个条件时，说明燃
17、烧不正常，报警但不遮断。同时满只满足前两个条件时，说明燃烧不正常，报警但不遮断。同时满足三个条件，机组遮断停机。足三个条件，机组遮断停机。原因：测量到排气温度最低点和第二个低点是相邻的，并且分散度原因：测量到排气温度最低点和第二个低点是相邻的，并且分散度都超过所允许值，说明此区域内排气温度异常，或说此区域是排气都超过所允许值，说明此区域内排气温度异常，或说此区域是排气温度场的低温区，且超过允许情况。温度场的低温区，且超过允许情况。b)第二种条件遮断第二种条件遮断S1/SallowK2=5.0。比较器。比较器2的输入的输入AB输出报警和条件遮输出报警和条件遮断信号断信号L60SP2。S2/Sal
18、lowK3=0.8.说明排气温度的第二个最低的热电偶在排说明排气温度的第二个最低的热电偶在排气通道中的所在地排气温度过低，超出允许值。比较器气通道中的所在地排气温度过低，超出允许值。比较器3AB，输出报警和条件遮断逻辑信号输出报警和条件遮断逻辑信号L60SP3。指示排气温度第二低和第三低的热电偶是相邻的。指示排气温度第二低和第三低的热电偶是相邻的。原因：热电偶有一个出现故障，其测量值不可信。排气温度第二原因：热电偶有一个出现故障，其测量值不可信。排气温度第二低所在位置是个不正常的低温区。条件三证明第二低热电偶所处低所在位置是个不正常的低温区。条件三证明第二低热电偶所处位置确实是不正常的燃烧低温
19、区。考虑已有热电偶故障，安全起位置确实是不正常的燃烧低温区。考虑已有热电偶故障，安全起见，机组遮断停机。见，机组遮断停机。c)报警或遮断报警或遮断S3/SallowK4时，认为燃烧不正常。比较器时，认为燃烧不正常。比较器4AB，输出报警，输出报警逻辑信号逻辑信号L60SP4，连续报警，连续报警5分钟不退出报警状态则输出逻分钟不退出报警状态则输出逻辑遮断信号辑遮断信号L60SPZ，机组遮断停机。，机组遮断停机。d)遮断停机遮断停机S1/SallowK1，而且，而且Mark-V数据通信故障数据通信故障L3COMM_IO=1时，也使机组主保护动作而遮断停机。时，也使机组主保护动作而遮断停机。3.燃烧
20、监测退出燃烧监测退出燃机启动和正常停机、加减机组负荷等不稳定的过渡工况期间燃机启动和正常停机、加减机组负荷等不稳定的过渡工况期间应将燃烧监测系统切除以免引起报警和遮断。稳定工况运行才应将燃烧监测系统切除以免引起报警和遮断。稳定工况运行才能投入。能投入。燃烧监测退出控制软件在正常允许分散度上增加偏置值，顾及燃烧监测退出控制软件在正常允许分散度上增加偏置值，顾及在过渡过程实际分散度瞬间的增大。偏置是温度值，变化范围在过渡过程实际分散度瞬间的增大。偏置是温度值，变化范围在在0C与与110C之间。之间。稳态工作偏置值为稳态工作偏置值为0C，出现过渡过程，偏置增加，通常维持，出现过渡过程，偏置增加，通常
21、维持2分钟结束，然后数值成指数状以分钟结束，然后数值成指数状以2分钟的时间常数衰减至分钟的时间常数衰减至0C。引起偏置陡升的条件：引起偏置陡升的条件：燃料切换；燃料切换；燃机启动和停机；燃机启动和停机；负荷的变化由调节器负荷的变化由调节器RAISE或或LOWER信号产生；信号产生；FSR的快速变化而产生负荷变化。的快速变化而产生负荷变化。五、燃机的熄火保护五、燃机的熄火保护1.熄火保护功能熄火保护功能1)用于启动程序系统。用于启动程序系统。机组点火程序触发后，一旦有两个火焰探测器，机组点火成机组点火程序触发后，一旦有两个火焰探测器，机组点火成功，启动程序继续；点火一分钟后，在燃烧室中还没有建立
22、功，启动程序继续；点火一分钟后，在燃烧室中还没有建立火焰，则发出信号切断燃料，终止启动程序。火焰，则发出信号切断燃料，终止启动程序。2)用于保护系统。用于保护系统。火焰检测系统可自我检测。例燃机在低于启动点火转速时，火焰检测系统可自我检测。例燃机在低于启动点火转速时，所有通道必须指出无火焰。如误动作而指出有火焰，作为火所有通道必须指出无火焰。如误动作而指出有火焰，作为火焰检测故障报警，机组不能启动。焰检测故障报警，机组不能启动。启动程序完成，有一个探测器指出无火焰作为火焰检测故障启动程序完成，有一个探测器指出无火焰作为火焰检测故障报警，燃机继续运行。一是火焰探测器受污染或回路故障；报警，燃机继
23、续运行。一是火焰探测器受污染或回路故障；而是该火焰筒熄火，但还存在联焰可能。而是该火焰筒熄火，但还存在联焰可能。2.火焰检测系统火焰检测系统1)火焰探测器火焰探测器探测器数量取决于机组型号、燃烧系统类型和在某些情况下的探测器数量取决于机组型号、燃烧系统类型和在某些情况下的燃料品种。燃料品种。火焰检测系统通常用感受紫外线来判别燃烧室是否点火成功。火焰检测系统通常用感受紫外线来判别燃烧室是否点火成功。输出锯齿形脉冲信号，频率正比于被检测火焰强度。输出锯齿形脉冲信号，频率正比于被检测火焰强度。Mark-V处理方法：统计在处理方法：统计在0.0625秒时间间隔内的脉冲数目，秒时间间隔内的脉冲数目，并与
24、一个门槛值比较进行判断。并与一个门槛值比较进行判断。传感器开路或短路导致没有火焰信号。传感器开路或短路导致没有火焰信号。2)火焰检测系统火焰检测系统系统输出有无火焰的逻辑信号系统输出有无火焰的逻辑信号L28FD同时送往启动系统和保同时送往启动系统和保护系统，以便在启动时监视点火是否成功，运行时提供燃烧室护系统，以便在启动时监视点火是否成功，运行时提供燃烧室熄火报警或遮断保护。熄火报警或遮断保护。六、燃机振动保护六、燃机振动保护1.Mark-V振动检测系统振动检测系统振动保护由多个独立通道组成。各通道分别用装在燃机或发电机振动保护由多个独立通道组成。各通道分别用装在燃机或发电机轴承座上的传感器检
25、测振动；轴承座上的传感器检测振动；借助磁钢穿过固定线圈产生一个微小电压输出。检测器连接到借助磁钢穿过固定线圈产生一个微小电压输出。检测器连接到Mark-V控制盘上的控制盘上的TBQB端子板上；端子板上；从端子板来的检测信号在共同保护软件程序中运行的从端子板来的检测信号在共同保护软件程序中运行的I/O配置参配置参数进行标定。检测到传感器故障或超过程序给定遮断整定值发出数进行标定。检测到传感器故障或超过程序给定遮断整定值发出一系列报警信息。一系列报警信息。振动保护系统包括冗余的振动传感器和装在相关控制软件中的计振动保护系统包括冗余的振动传感器和装在相关控制软件中的计算程序。算程序。2.Mark-V
26、振动保护系统振动保护系统1)传感器失效故障传感器失效故障振动所测数值为零或远低于机组正常工作振动数值，则可断定振动所测数值为零或远低于机组正常工作振动数值，则可断定是传感器故障。是传感器故障。任何输入通道失效，显示振动传感器失效。任何输入通道失效，显示振动传感器失效。传感器断路或短路故障持续存在一定时间，显示振动传感器故传感器断路或短路故障持续存在一定时间，显示振动传感器故障。燃机不中断运行。障。燃机不中断运行。传感器测量信号经输入传感器测量信号经输入/输出模拟转换而进行功率放大，输入模输出模拟转换而进行功率放大，输入模数转换器将振动信号转换成数字量，送入计算机数转换器将振动信号转换成数字量，
27、送入计算机的主的主保护的比较器保护的比较器1的的A端。端。B端输入正常振动的某个给定值。如果端输入正常振动的某个给定值。如果AB，输出逻辑信号，输出逻辑信号L39VA=1，发出振动大报警，机组，发出振动大报警，机组仍运转。振动值减小至使仍运转。振动值减小至使AB，输出信号经人工或自动复位选择器后，送入寄存器，输出信号经人工或自动复位选择器后，送入寄存器，发出逻辑信号发出逻辑信号L39VT=1，机组遮断停机后无法重新启动。，机组遮断停机后无法重新启动。排除故障，输入主复位逻辑信号排除故障，输入主复位逻辑信号L86MR1使寄存器使寄存器8和和9复复位，机组才能重新启动。位，机组才能重新启动。END
