二拖一联合循环机组大联锁方案设计与研究

1、二拖一联合循环机组大联锁方案设计与研究路浩中国能源建设集团天津电力建设公司调整试验所摘要本文阐述了大联锁在发电厂中的重要性，并以委内瑞拉比西亚联合循环机组为例，介绍了二拖一联合 循环机组的配置，结构特点。在此基础上，针对二拖一类型的联合循环机组的大联锁逻辑构成进行重点描 述，并与传统火电机组的大联锁进行了对比分析，描述了设计过程。该机组大联锁逻辑设计的特点是：在 逻辑控制上将机组进行单元制划分，从而可以集中管理，分散控制；区分了余热炉的运行状态，从而更加 清晰的判断余热炉主保护是否参与大联锁控制保护；将RB逻辑加入到大联锁逻辑控制中，从而使机组更加高效、经济、安全的运行。大联锁燃机余热炉联合循

2、环发电机组1 .引言随着能源结构的调整和开发， 发电机组的结构在不断调整和改善，自动化水平也在提高，燃气轮机联合机组也逐渐进入市场，取代传统的小型燃煤机组。 联合循环机组的配置的主要设备为：燃机、余热炉、汽轮机和发电机。所谓联合循环机组就是燃机将燃料（燃油、天然 气）与进入燃烧室的压缩空气进行混合燃烧后，高温烟气进入燃气轮机膨胀作功，带动燃气轮机转子转动，拖动发电机发电；作功后的高温烟气由燃机排气扩散段出口经烟道进入余热 锅炉，余热锅炉利用高温烟气加热锅炉给水，产出过热蒸汽，去蒸汽轮机作功，拖动汽轮发电机发电。与传统的火力发电机组相比， 联合循环机组中的余热炉和燃机的结构特点有所不同，工艺流程

3、不同，从而导致逻辑保护的差异性。 对于二拖一类型的联合循环机组相比与传统火电 机组来说，涉及的工况更多，逻辑保护控制方案的设计更加复杂，在保护每台主机设备的同时，要考虑全厂机组的安全、经济高效的运行。2 .二拖一联合循环机组的配置以委内瑞拉比西亚燃机联合循环电站项目为例,它主要设备包括2台西门子SGT6-5000F燃机（GTG , 2台余热锅炉（HRSG , 1台蒸汽轮发电机（STG和3台主变压器。在环境 温度33 C,相对潮湿度80%条件下，每台燃机发电机设计发电 166MW余热锅炉和汽轮机， 在环境温度33C、相对湿度80烁件下，汽轮发电机可以发电 167MW本机组的特点就是燃 机配备烟气

4、旁路烟筒， 实现燃机发电机组的单循环发电机， 也能带动余热炉参与联合循环机组发电；每台余热炉配备一套蒸汽旁路系统， 旁路接在余热炉出口电动门和并汽门之间，共计两套，方便联合循环阶段单台炉的启停操作。如图 2.1所示。全厂不设计辅汽联箱， 轴封 汽源接口取自每台炉的并汽阀和汽机主汽门之间，通过减温减压器实现所需蒸汽， 由于轴封汽源设计的不够合理，增加了大联锁逻辑保护实现的难度。图2.1联合循环机组布置图3 .大联锁控制保护方案为保证机组安全稳定运行，尤其是在事故工况下机组能稳定的运行到机组可以承担的最 好运行结果，大联锁逻辑保护的意义尤为重要，特别是目前情况下， 机组对经济效益要求逐渐提高，对大

5、联锁控制方案提出了新的要求，需要在机组安全稳定的情况下，实现机组经济效益的最大化，资源的最优利用，通过与传统火电燃煤机组的对比，来介绍如何设计实现二拖一联合循环机组的大联锁控制保护方案。3.1 传统火电燃煤机组大联锁控制保护方案传统火电燃煤机组大联锁控制保护方案经过多年的发展已经很成熟，但也有所不同，从点火方式式上分为：燃油、微油和等离子；从锅炉的类型上分为：汽包炉、直流炉、流化床锅炉等，但是对于机组大联锁控制保护方案主要包括主燃料跳闸（MFT、危急遮断（ETS） 和发电机保护（GRP三部分，大联锁方案考虑的是三者之间相互跳闸的联锁关系，在任何一方出现紧急事故时能处理好三者之间的关系，尽量降低

6、本身事故的同时，避免另外两大设备及其附属设备不出现异常或损害。传统火电燃煤机组大联锁控制保护方案中三者处于平等地位，不以任何一方为主导，特点是以汽机保护盘柜 ETS作为联接锅炉保护和发电机保护的桥梁，实现三大设备的横向联锁保护。如图 3-1所示。简单之处在于，任何一方跳闸后，其 与两方设备，必须跳闸，不能继续运行。锅炉跳闸一Bi汽机跳闸发电机跳闸一，图3-1大联锁示意图3.2 二拖一联合循环机组大联锁控制保护方案对于二拖一联合循环机组大联锁控制保护方案的设计来说，设计的中心原则与传统的火电燃煤机组类似，不同点和难点在于一台燃机或者余热炉跳闸后，剩余的燃机、余热炉以及汽机如何继续运行，因此燃机的

7、主保护、锅炉的主保护，以及锅炉和汽机之间的保护联锁，应增加加以区分判断， 有别于传统火电机组的互跳关系。对于委内瑞拉比西亚项目来说，全厂配备有西门子 T3000控制系统，Ovation的DCS系统和DEH系统，及能在DCS系统实现全 厂的负荷控制，也可以在T3000和DEH系统中分别控制燃机和汽机的负荷，各系统之间的联锁保护通过硬接线来实现。3.2.1 燃机的主保护燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。 在空气和燃气的主要流程中，由压气机、燃烧室和燃气透平这三大部件组成的燃气轮机循环， 通称为简单循环。燃气轮机的工作过程：压气机连续地从大气中吸入空气并将其

8、压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀 做功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃机的控制系统能实现燃机的启停操作，并配有主保护系统，它燃机的主要保护类似锅炉的FSSS系统和汽机的ETS系统的集成体。（包括首出）、复位和跳闸的对于燃机的主保护系统设计从三部分考虑：跳闸判断条件 后续动作。跳闸判断条件：主要为启动失败、润滑油系统故障（温度、油压、油位）、叶片温度异常、IGV故障、燃烧系统故障、超速保护、发电机轴温高、频率异常、发电机故障、外围

9、附 属系统故障等。复位方式：采用画面的中的手动复位按钮，在无跳闸条件时， 对跳闸出口指令和跳闸首出进行复位。跳闸的后续动作：关燃料快关阀，来切断燃料；关 IGV和VGVU断进气。这类似于传统 燃煤机组中停磨，停风机。对于燃机的主保护系统分为软逻辑保护和硬回路保护，硬回路中主要是通过两个跳闸按钮（分别布置在控制柜和操作台）或转速卡的DO俞出，直接切断燃油快关阀的工作电源使其断电关闭。3.2.2 介绍余热炉的保护控制如何设计。1）传统的燃煤发电机组锅炉的主保护通过FSSS系统来实现：燃烧器的控制和燃料安全控制。燃烧器控制系统的功能是对锅炉燃烧系统设备进行监视和控制，保证点火器，油枪和磨煤机组系统的

10、安全启动、停止和运行。燃料安全系统的功能是在锅炉点火前和跳闸停炉后 对炉膛进行吹扫，防止可燃物在炉膛堆积。在检测到危及设备、人身安全的运行工况时，启 动主燃料跳闸（MFT ,迅速切断燃料，紧急停炉。然而对于余热炉来说，它是通过燃机的 排烟量来控制余热炉的升温升压，相对于传统锅炉来说只有“锅”没有“炉”，不存在点火燃烧装置，仅是通过燃机排放的烟气来实现余热炉的升温升压。所以，余热炉的主保护不同与传统燃煤锅炉的 MFT对于余热炉主保护控制方案来说，同样从三个方面（逻辑保护的触发条件、后续动作指令以及复位条件）和两种方式（软件和硬接线保护）出发，对于余热炉来说，它的热动力来自燃机的排放烟气，在异常情

11、况下应该切断燃机烟气进入余热炉，所以可以不设置余热炉的急停按钮，但必须设计燃机的急停按钮。软逻辑设计如下：1）逻辑保护的触发条件应该从汽包水位异常、 主蒸汽超温超压考虑， 经过与制造厂讨论后，决定将锅炉的主保护条件为：汽包水位异常（超高和超低）、主蒸汽和再热蒸汽超温超压、锅炉的烟筒挡板在 关的位置、汽机跳闸和燃机跳闸信号。其中，需要说明的是“锅炉的烟筒挡板关”的条件， 杭锅厂设计烟筒内部的烟气挡板的初衷是想在停炉后减慢锅炉的冷却速度，实际意义不大， 但是机组运行过程中，此挡板如果在关位置会对燃机的排气背压造成影响，从这个角度出发，将此条件作为锅炉保护的条件之一。2）跳闸后续动作指令的设计应该从

12、保护余热炉自身设备，以及相关的主要设备出发。锅炉厂的最初的保护方案：关断燃机的烟气挡板和跳闸汽机。此方案仅适合一拖一的联合循环发电机组，不适用于二拖一类型的机组。根据比西亚项目的系统特点，应该增加并汽阀、 减温水控制阀和蒸汽旁路阀的保护逻辑。对于关断燃机的烟气挡板门来实现对锅炉的保护，从实际运行的情况看效果不是很好，一方面对烟气的旁路挡板冲刷大，易于破坏；另外一方面对于SGT-5000F西门子明确提出燃机降低到60%A下的负荷，才允许调节烟气挡板由联合循环的位置到单循环的位置， 否则，影响燃机的背压，危害到燃机的安全运行，但是该燃机的最大降负荷速率为20MW/min降负荷过程相对时间较长，与“

13、紧急情况下切断锅炉的热源”的原则矛盾，综合上述两方面的原因：将“关断燃机的烟气挡板”来保护余热炉的方案取消，改为直接“跳闸燃机”。3） 复位方式对于传统的燃煤机组的复位条件， 锅炉无跳闸条件，启动锅炉的吹扫程序来完成对主保 护MFT的复位。但是对于余热炉来说， 没有送引风机，综合考虑，添加手动复位按钮来实现， 保证灵活性和可控性。3.2.3介绍二拖一联合循环机组的主设备之间的横向保护，主要从二拖一工况和一拖一工况实现，示意图见图 3-2和图3-3。图3-2二拖一工况大联锁示意图图3-3 一拖一工况大联锁示意图1）机组在二拖一运行工况下大联锁保护动作情况：所谓二拖一工况，即：两台燃机发电机、两台

14、燃机、两台余热炉、一台汽轮机和汽轮发 电机都在运行，此时全厂经济效益高，资源合理利用。 燃机发电机首先跳闸的情况：跳闸对应的燃机，跳闸燃机对应的余热炉，一台余热炉跳闸则关并汽阀，开旁路，触发一台余热炉切除联合循环的逻辑，DCS系统通过硬接线发 RB信号到DEH系统，DEH改为功率控制回路，目标负荷为 RB发生时汽机负荷的 45%如果两台炉都跳闸则开旁路，跳闸汽机， 汽机跳闸则跳闸汽轮发电机。 燃机首先跳闸的情况：跳闸对应的燃机发电机和余热炉， 一台余热炉跳闸则关并汽阀，开旁路，触发一台余热 炉切除联合循环的逻辑，DCS系统通过硬接线发 RB信号到DEH系统，DEH改为功率控制回路， 目标负荷为

15、RB发生时汽机负荷的45%如果两台炉都跳闸则跳闸汽机，汽机跳闸则跳闸汽 轮发电机。 余热炉首先跳闸的情况:跳闸对应的燃机，跳闸燃机相应的燃机发电机，一台余热炉跳闸则关并汽阀，开旁路，触发一台余热炉切除联合循环的逻辑，DCS系统通过硬接线发 RB信号到DEH系统，DE畋为功率控制回路，目标负荷为 RB发生时汽机负荷的45%如果两台炉都跳闸则开旁路，跳闸 汽轮机，汽机跳闸则跳闸汽轮发电机。 汽轮机首先跳闸的情况：跳闸汽轮发电机，开旁路，余热炉和燃机继续运行。 汽轮发电机首先跳闸的情况：跳闸汽轮机，开旁路，余热炉和燃机继续运行。2）机组在一拖一运行工况下大联锁保护动作情况：所谓一拖一工况，即：一台燃

16、机发电机、一台燃机和一台余热炉参与联合循环带动汽轮机和汽轮发电机运行。此工况下，与传统燃煤机组类似。 参与联合循环的燃机发电机首先跳闸：跳闸对应的燃机，跳闸燃机对应的余热炉，开旁路，跳闸汽机，汽机跳闸则跳闸汽轮发电机。 参与联合循环的燃机跳闸首先：跳闸对应的燃机发电机和余热炉，开旁路，跳闸汽机，汽机跳闸则跳闸汽轮发电机。参与联合循环的余热炉跳闸：跳闸对应的燃机，跳闸燃机相应的燃机发电机，开旁路，跳闸汽轮机，汽机跳闸则跳闸汽轮发电机。汽轮机首先跳闸:跳闸汽轮发电机，参与联合循环的锅炉的旁路快开。 汽轮发电机首先跳闸：跳闸汽轮机，参与联合循环的锅炉的旁路快开。根据上面两种工况下的描述可知：对于联合

17、循环机组的大联锁保护设计的特点是：燃机和燃机发电机的跳闸关系、汽轮机和汽轮发电机之间的跳闸关系是固定的，燃机和余热炉之间的跳闸关系根据中间是否设计有烟气挡板而略有不同，余热炉与汽轮机之间逻辑保护需要根据旁路的容量加以区分。本控制方案的设计的特点在于：1）增加了余热炉是否参与联合循环的逻辑判断，从而更加准确的判断是一拖一还是二拖一的工况，使大联锁的跳闸逻辑更加合理，保证安全经济的运行。2）在充分考虑系统的结构特点，根据不同工况设置并汽阀门联锁保护条件，防止两台炉之间串汽，保证跳炉后轴封的汽源。3）充分利用100%蒸汽旁路的特点，取消了汽机跳闸余热炉的逻辑，使余热炉有效的做到 热备用，能有效快速相应汽轮机的需求。4）在二拖一工况跳转到一拖一工况的逻辑中设计RB逻辑，保证了工况跳转的自动过渡，减少了运行人员的操作。4.二拖一联合循环机组大联锁控制保护方案的扩展1）对于设计有小岛运行功能的机组应该根据脱离外网后，应该利用燃机快速响应负荷的特 点，来实现燃机带负荷，根据燃机的出力情况，有选择的跳闸汽轮机及汽轮发电机。2）对于汽机旁路设计不是 100%量的机组，汽轮机跳闸，应该设计燃机 RB,来降低余热炉 的负荷，满足旁路容量，达到热备用。5.结束语本文将联合循环机组的主保护与传统