DLN2.6+排气温度监测及保护功能分析

李 伟

(广东粤电花都天然气热电有限公司，广州 510800)

以GE S109F型燃气轮机为例，功率255.6 MW，压气机压比15.4，环形布置18个干式低氮分管燃烧室。透平入口燃气初温T3近1 400 ℃，热通道部件在如此高温和高速的恶劣环境下运行，只能通过测量透平排气温度再加以必要修正的间接监测方法来反映透平入口燃气初温。为了保证燃气轮机安全高效运行，监视燃气轮机排气温度分散度是一种有效手段，它能及时地反映燃烧部件可能存在的堵塞、破损、间隙异常等突发故障，便于维护人员尽早发现，及时处理，避免故障扩大导致燃气轮机严重受损。

1 功能简介

1.1 排气温度监测

在透平排气出口通道中沿径向均匀安装了31支热电偶。采用专用的排气温度处理模块(如图1所示)，其主要功能是综合31支热电偶测量值，经过计算得到一个修正的燃气初温T3，用于燃气轮机温度控制、超温报警和跳闸保护，并将有效的排气热电偶测量值用于排气温度分散度监视。

图1 燃气轮机排气温度处理模块

信号输入计算逻辑模块时，系统首先判断排气温度测量值健康状态及通信状态，然后测量值与硬件健康状态一同输入计算逻辑模块，折算成平均值参与燃气轮机控制。其算法是将31支排气热电偶测量值排序并剔除无效值，去掉最大值和最小值后取平均,求得排气温度平均值(TTXM)。TTXM与温度控制设定值(TTRX)进行比较，进而控制燃料量(FSR)，使燃气轮机运行温度始终保持在热部件承受范围内而又不损失效率，达到控制和保护的目的。

采用DLN2.6+技术的机组，增加了“传感器有效性检测”和“故障状态分析”功能逻辑。处理模块具有判断排气热电偶是否健康有效的功能[1]，具体如下：(1) 从控制器卡件中输入有效性验证；(2) 在预定的变化幅度内波动；(3) 在预定的变化率范围内波动。基于上述检测方法，生成一组热电偶测量故障类型逻辑数组TTXFLT[n]，如表1所示。

表1 热电偶测量故障类型逻辑数组 TTXFLT[n]

1.2 燃气轮机排气温度的保护功能

燃气轮机排气温度的保护功能包括三个方面：1. 燃气轮机排气热电偶故障保护；2. 燃气轮机排气温度分散度保护；3. 燃气轮机排气超温保护。

1.2.1 燃气轮机排气热电偶故障保护

燃气轮机温度测量得准确性和完好性将直接影响燃气轮机的效率和安全性能，一旦测量失灵，控制系统将保护停机。热电偶传感器测量值故障逻辑包括:1)扫描两次输入值间过高变化率；2)检测超高限值并考虑临近健康的温度值；3)启动前和点火前地限值检查；4)处理器层面故障检查。

热电偶故障形式及保护响应动作如表2[2]所示。当燃气轮机处于点火至升速到额度转速的变工况过程中，考虑燃烧工况变化剧烈，为避免不必要的保护误动，该保护处于退出状态。

1.2.2 燃气轮机排气温度分散度保护

排气温度允许分散度( TTXSPL) 的计算逻辑模块如图2所示。正常允许分散度是静态分散度极限，其计算公式为：

TTXSPL=[TTXM×TTSPL4-CTD×TTKSPL3+ TTKSPL5+MAX(TKSPL8A,TKSPL8B)]×

TTKSPRD(TXTOTTC-TXNUMTC)

(1)

表2 排气热电偶故障状态及保护动作

式中：TTXSPL为允许分散度；TTXM为排气温度平均值；TTKSPL3、TTKSPL 4、TTKSPL 5为增益常数；CTD为压气机排气温度；TKSPL8A、TKSPL8B为偏差重置基准；TTKSPRD为允许分散度修正系数；TXTOTTC为排气热电偶总数；TXNUMTC为有效排气热电偶数。

图2 燃气轮机排气分散度算法

将燃气轮机排气温度允许分散度TTXSPL分别乘以比例系数TTKSP1、TTKSP2、TTKSP3、TTKSP4、TTKSP5、TTKSP6，就得到了用于保护控制的参照值，如图3所示。实际排气温度分散度为：

Spread[X] = TTXD2[Z] - TTXD2[Y]

(2)

式中：X=1,2,3,4,当X=1时，Y= TXNUMTC(有效热电偶数量)-1，依次类推，当X=4时，Y= TXNUMTC-4；Z=0或Z=1，0表示取实际最高温度，1表示取实际次高温度。

图3 排气分散度保护算法

通过实际分散度与参照值对比，同时佐以排气热电偶位置判断，为控制系统准确诊断燃气轮机是否发生燃烧系统故障提供了可靠的依据，从而确保保护及时动作(如表3所示)，避免燃气轮机带病运行造成燃烧系统故障进一步恶化而发生重大损坏。

表3 排气温度分散度故障状态及保护动作

当燃气轮机处于变工况时，因燃料量调整较大时可能会使燃烧处于不稳定状态，投入燃烧监测功能将引起不必要的频繁报警甚至跳闸。因此当燃气轮机处于启动或正常停机、加减负荷等不稳定的工况期间应将燃烧监测禁用或弱化，以免引起不必要的报警或跳闸。在燃气轮机控制系统中通过两种方式实现排气温度分散度监测保护的暂时退出、弱化。

(1) 增加使能信号

图3中L83SPM信号，当在启动和正常停机过程中该信号置0时，任何比较器的输出均被闭锁，从而实现了保护的退出。

(2) TTXSPL增加偏置

图2中MAX(TKSPL8A,TKSPL8B)为偏置值，是否须要增加偏置值由信号L83SPLA和L83SPLB来决定。

当燃气轮机发电机组并网后出现工况过渡时(如增减负荷、燃料切换、燃料冲程基准改变等)，L83SPLA/L83SPLB置1，系统自动增加偏置实现扩大允许分散度范围，并采用一阶滤波器使偏置配合工况过渡过程由强趋弱，直至工况趋于稳定，偏置消失。

1.2.3 燃气轮机排气超温保护

TTXM同时用于燃气轮机排气超温保护，如图4所示。参与保护的还有超温跳机等温线值TTKOT1、等温线超温跳机增益值TTKOT2、温度控制基准TTRXB、排气热偶故障保护使能LT3FBEN。超温保护分为三种情况：1)若TTXM超过TTKOT1数值，燃气轮机跳闸；2)若TTXM超过(TTRXB+ TTKOT2)数值，燃气轮机跳闸；3)若当LT3FBEN置1，同时TTXM低于TTKXM4数值，燃气轮机跳闸。

图4 排气超温保护算法

2 故障分析

2.1 某电厂开机过程中机组跳闸

某电厂#2机组某次开机过程中，发生#18～#26号排气温度产生同趋势的剧烈变化，触发一类分散度超限(L26SP1置1)及二类分散度超限(L26SP2置1)，机组减负荷乃至三类排气分散度超限(L26SP3置1)保护跳闸。

经分析，9支排气热电偶同时产生同趋势的剧烈变化，可以排除元件损坏，进行孔探检查，燃烧器无异常。结合燃料、运行方式等各因素综合分析：当时燃料华白指数(G)与设计值偏差超过±10%限值，正值燃烧模式切换，延时45 s后发生低燃料燃烧，导致机组燃烧异常，排气分散度大保护动作。跳闸原因：燃料组分发生变化，未及时进行燃烧调整，负荷区间的燃烧安全边际较窄，导致机组燃烧异常，排气分散度大。表4对应跳机时的华白指数的变化率：

U=(H/S1/2-G设计)/G设计×100%

(3)

式中：U为华白指数变化率；G设计为天然气华白指数设计值，43.633 MJ/m3；H为天然气低位热值，MJ/m3；S为天然气相对密度。

表4 华白指数实时变化率

U超出设计限制，控制系统通过分散度监测及时触发保护动作，避免燃气轮机热部件进一步受损。

2.2 某电厂并网运行时机组跳闸

某电厂地处沿海地区，气源以使用海气为主，LNG为备用气源。因受台风影响，海上平台暂时关停，上游单位为保证管道压力开始使用LNG混气运行。当时，该厂燃气轮机发电机组并网运行，天然气华白指数变化率增大，排气分散度有明显上升趋势。虽值班人员第一时间通知上游注意控制混气比例，但由于存在较大延滞，最终导致该厂机组分散度高高，同时火焰抖动触发保护动作机组跳闸。

由排气温度玫瑰图(图5)可知，280 MW负荷时排气低温点位于15号排气热电偶，333 MW负荷时排气低温点位于13号排气热电偶。根据稳定负荷下排气热电偶旋转角度与燃烧通道对应数学关系[3](公式4)，初步判断3、4、5、6燃烧通道异常。

图5 排气温度玫瑰图

P=18×N/31+W/56-9

(4)

式中：P为燃烧异常通道大致位置；N为异常热电偶位置；W为当时负荷,MW。当P值大于 18，则应除以18。

停机冷却后进行孔探检查发现5号燃烧器固定螺栓断裂，拆检3、4、5、6燃烧通道后发现5号燃烧室过渡段损坏(如图6所示)。

图6 热通道损坏部位

这又是一起天然气组分出现较大波动，造成燃烧脉动剧烈从而导致热通道损坏的案例。可见燃气轮机排气温度测量得真实可靠以及排气温度分散度计算及保护策略的周全有效，对燃气轮机安全运行有着至关重要的意义。

3 结语

DLN2.6+燃烧系统是GE公司推出得全新一代高效环保的重型燃气轮机燃烧系统，较DLN 2.0+燃烧系统不仅在硬件和工艺上全新设计，其控制策略也有较大优化，增加了排气热电偶健康状态监测、排气热电偶故障保护功能，其排气温度分散度保护策略更加完善。这些举措使得控制系统可切实有效地在燃烧系统异常时，提前预警或保护动作，避免燃气轮机热部件进一步损坏，同时又能有效剔除燃气轮机变工况时不必要的报警及保护动作。

本文针对GE公司燃气轮机DLN2.6+燃烧系统排气温度监测和保护功能进行了深入阐述，有助于同类型电厂维护人员准确甄别燃烧系统故障类别，及时制定有效应对措施，实现燃气轮机高效运营。