燃气轮机排气分散度保护简介

 燃气轮机排气分散度保护简介

杨德刚

 浙江大唐国际江山新城热电有限责任公司，浙江省江山市 324100

摘要：排气分散度是对燃机高温部件进行监测的重要指标。本文围绕排气分散度保护原理,简单介绍了排气分散度的计算方法，分析了排气分散度保护出现异常的原因-排气温度测量回路异常和燃烧系统异常,并提出相应的处理方案。排气温度测量回路异常主要源于排气温度热电偶或高温部件损坏,应逐段检查并加强日常维护；燃烧系统异常主要源于燃烧器故障或燃料喷嘴堵塞，燃料分配不均，应结合较长运行时间内的历史曲线进行综合分析或通过内窥镜进行孔探检测。

关键词：燃气轮机 排气分散度 保护

0引言

燃气轮机为了提高效率，燃气初温T3*的数值越来越高，机组在如此高的温度下运转，燃烧室或过渡段等部件会出现不同程度的裂纹等故障，很难直接对这些高温部件进行监测及故障的判断和排除，只能采用测试透平排气温度和压气机排气温度的间接检测方法来判断高温部件的工作是否正常。PG6111FA燃气轮机在排气通道均匀安装了21支热电偶。理想工况下，这些热电偶所测得的排气温度数据完全相同，但实际总存在一些偏差，这个偏差被称为燃气轮机排气温度分散度。由于燃气轮机是在高温下连续运行的，燃烧器、火焰简或过渡段等部件难免会出现氧化、裂纹、磨损、泄漏、堵塞，甚至开裂等各种异常情况，而这些高温部件在运行中无法进行直接的监测，因此只能采用测量燃气轮机排气温度的方法，间接地来判断这些部件的状态是否正常。当火焰筒破裂、燃烧不正常或当过渡段破裂时，会引起燃气轮机进口流场和排气温度流场严重不均匀，而这些不均匀会反映到排气温度场的均匀程度，即排气温度分散度的大小。

为了确定机组在正常情况下，允许排气热电偶测量结果之间有多大的偏差，每种类型的机组均规定了一个允许分散度 Sallow，当实际分散度超出这个允许值，并满足一定条件时，机组将立即跳机以确保设备的安全。机组在稳态时，允许分散度是一个常数，而机组在增减负荷的动态过程中，允许分散度会叠加上一个值，以避免在机组燃料量变化时，因实际分散度动态波动而误跳机。

1分散度在HMI界面显示及说明：

1.1画面显示：

图一 排气分散度画面

1.2说明

1.2.1 Allowable Spead和Exhaust Spead Limit，均为TTXSPL(允许分散度),即Sallow。允许分散度在100℉（37.8℃）-250℉（121.1℃）之间。

1.2.2 Turbine Inlet Temperature为CTD (压气机排气温度，即透平进气温度)。

1.2.3 Exhaust Temperature为TTXM（燃机排气温度）。

1.2.4 Exhaust Spread #1 即TTXSP1：最高点减最低点温度。

1.2.5 Exhaust Spread #2 即TTXSP2：最高点减次低点温度。

1.2.6 Exhaust Spread #3 即TTXSP3：最高点减次次低点温度。

1.2.7 Exhaust Spread #4 即TTXSP4：次高点减次次低点温度。

其计算式为TTXSP4=TTXD2[1]-TTXD2[18]，只用作显示，不作为直接判据输出。

CTD和TTXM都是用来计算允许分散度Sallow。

2 排气分散度计算

2.1排气分散度计算公式:

ttxspl_zl=median[100,(ttkspl4*TTXM-ttkspl3*CTD+ttkspl),250]

=median[100,(0.155*TTXM-0.06*CTD-10),250]

CTD=median[470, CTDA, 650]

燃机允许分散度TTXSPL=ttxspl_zl+25-Bias

L83SPMB：燃烧检测使能故障

其中：Bias为调节过程中的偏置值。Bias与startup（启动过程)，fuel transfer（燃料变化), load setpoint raise/lower（负荷升降过程）和 at high rate of FSR changes（FSR 快速变化的时候）有关。发生上述变化时，L83SPMB=1，Bias=0；可认为燃烧变化期间允许分散度增加 25℉的裕度；一旦进入新的稳定工况，L83SPMB=0，Bias趋近25℉，允许分散度回归正常计算值。

2.2 相关解释：

2.2.1 TTXD2[]为排气热电偶按数值大小由高到低排序的数组。

2.2.2  k表示进入燃烧监测的热电偶的数量，k=TXTOTTC-1，若全部热电偶通讯正常，则k=20。2.2.3 JXD[]为热电偶位置数组的索引：

2.2.4 L83SPM为燃烧监测投入允许，其为true的条件是L14HS=1,L4=1且L94X=0。

2.3第一、二、三分散度计算：

2.3.1 TTXSP1=TTXD2[0]-TTXD2[k],即最高温度減最低温度

2.3.2 TTXSP2=TTXD2[0]-TTXD2[k-1],即最高温度减次低温度

2.3.3 TTXSP3=TTXD2[0]-TTXD2[k-2],即最高温度减次次低温度

2.4 第一、二、三分散度判据：

2.4.1 L60SP1=TTXSP1≥1*TTXPL且L83SPM=true；

L60SP2=TTXSP1≥4*ttxspl_z1且L83SPM=true；

2.4.2 L60SP3=TTXSP2≥TXPL且L83SPM=true；

2.4.3 L60SP4=TTXSP3≥0.85*TTXPL且L83SPM=true

2.5 位置相邻判据：

2.5.1 L60SP5=true，表示最低点和次低点相邻；

2.5.2 L60SP6=true，表示次低点和次次低点相邻。

燃烧监测逻辑块用来整合各分散度判据，同时输出分散度报警及跳闸信号。

3 分散度在MK Vie 中报警及跳机条件

3.1 L30SPTA-Exhaust TC Trouble排气热电偶故障

    S1≥4*Sallow,L60SP2=true,延时K30SPA(4s)后L30SPTA=1，报警Exhaust TC Trouble。3.2 L30SPA-Combustion Trouble燃烧故障

燃烧不正常情况下，排气温度的分散度S1超过了允许的分散度Sallow，即S1≥1*Sallow。则L60SP1=true,延时K30SPA (3s)后L30SPA=1，报警Combustion Trouble。

3.3 L30SPT-High Exhaust Temperature Spread Trip排气分散度高跳闸

排气温度分散度保护的方法：燃气轮机控制系统会实时计算实际的排气温度分散度的大小，这三个实际分散度的值与允许分散度的值进行比较，并辅以这三个低点的元件是否存在相邻关系的条件，将产生三种遮断跳机的保护。

L30SPT：满足以下任一条件后,延时K30SPT(9s)报警并跳闸。

3.3.1 S1≥Sallow，S2≥1*Sallow且最低点和次低点相邻。

      逻辑回路：L60SP1=true，L60SP3=true且L60SP5=true，延时9s后跳机。

第一种保护的设计思想：均匀分配安装在排气通道上的热电偶测温元件，如果测量到的排气温度最低点与次低点是相邻的，且所计算的分散度 S1和 S2又超出了相应的允许值，说明在此区域内排气温度明显低于正常值。而这种现象极有可能是由于某个燃烧室或过渡段破损造成的，因此应立即跳机以避免故障扩大。

3.3.2 S1≥4*Sallow，S2≥1*Sallow且次低点和次次低点相邻。

逻辑回路：L60SP2=true，L60SP3=true且L60SP6=true。延时9s后跳机。

第二种保护的设计思想：当排气温度分散度1的值是允许分散度值的4倍以上时，逻辑认为这个排气温度最低点的热电偶元件出现了故障。在这种情况下，如果排气温度分散度次低点与次次低点仍然处于相邻位置，同时排气温度分散度次低点超出了允许值，就认为排气温度次低点与次次低点热电偶元件所处的位置是一个不正常的低温区，同时考虑到有一个热电偶元件出现故障，为了保护设备的安全，发出跳机指令。

3.3.3 S3≥0.85*Sallow。

      逻辑回路：L60SP4=true，延时9s后跳机。

第三种保护的设计思想：当排气温度分散度3超出0.85倍允许分散度之后，就意味着在排气通道上的热电偶测温元件测量到了三个不相邻的非正常低温区。在这种情况下无论是排气温度元件故障造成的，还是其他原因造成的问题，都将对机组安全运行造成重大威胁，因此需立即发出跳机指令。

4 排气温度分散度高的处理：

（1）分散度高跳闸，按照机组事故跳闸处理；

（2）分散度出现异常但未达到跳机值时：

机组运行期间若S1开始增大且无下降趋势，需密切关注；当S1明显上升（+15℃）时且有继续增加趋势时，可考虑降负荷运行，观察S1有无恢复正常及低温区的左右偏移，以判断是否排气热电偶出现问题。检查燃料压力，检查天然气P1、P2压力，检查火检强度变化。在运行期间，排气温度分布的增加超过正常的8.3-16.6℃时，应联系热工检查排气热电偶工作是否正常。当发现有一个排气温度显示不正常时，应及时查找原因进行处理，防止相邻热电偶故障时跳机。若S1稳定一段时间后又有升高的趋势，应安排立即停机，联系GE，必要时安排孔探检查。

□ 结论

  燃机排气温度场不可能完全均匀，各排气热电偶读数也会存在测量偏差，所以燃机实际运行中总会存在排气分散度。允许排气分散度由燃机燃烧监测系统自动计算生成，作为燃机燃烧系统是否正常的判断依据，稳定工况时允许分散度基本为固定值，机组启、停及工况变化过程，允许分散度短时增大（增大25℉，后逐步恢复至固定值)。排气分散度超限时，保护系统将自动发出报警，严重时使机组紧急跳闸。运行期间发现分散度异常情况,可提前停机处理,避免事故扩大。

参考文献：

[1] 大型燃气-蒸汽联合循环发电技术丛书.控制系统分册/中国华电集团公司编.-北京：中国电力出版社，2009

[2] 燃气-蒸汽联合循环发电设备及运行/杨顺虎编著.北京：中国电力出版社，2003

[3] 6FA天然气-蒸汽联合循环机组集控运行规程.浙江大唐国际江山新城热电有限责任公司，2021

[3]GE运行维护手册：GEK 118569

作者简介：

杨德刚，（1988-），男，籍贯湖北郧西，工程师，从事燃气轮机运行工作。

注：作者联系方式：手机18057006800,邮箱992909597@qq.com