燃机发电机功率回路问题引起的机组跳闸分析及改造
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江苏华电戚墅堰发电有限公司的研究人员李鲲，在2016年第10期《电气技术》杂志上撰文，由于燃机发电机有功功率回路设计不合理，运行中的燃机发电机电压互感器在断线处理中引起机组跳闸，通过分析找出原因并进行了改造。
随着节能减排的实施，近年来燃机电站投产日益增多，由于燃机自动化程度高、逻辑复杂，往往在设计基建中的隐藏问题会带来较大的安全隐患。下面结合实际，针对燃机发电机电压互感器回路及燃烧调整的逻辑进行了分析，供同行参考。
1 设备概述
某电厂2011年底新投产两台220MW三菱M701DA联合循环机组，燃机和汽轮机分轴布置，燃机发电机采用东方电气的QFR-165-2-15.75发电机，额定有功功率150MW，每台发电机出口有两组电压互感器分别命名为1YH、2YH，电压互感器采用大连北方互感器公司的JDZX9-15Q全封闭户内单相电压互感器，三相电压互感器共6个初级小车；发电机自并励励磁方式，一套励磁柜运行、另一套备用。
燃机控制系统采用三菱重工开发的DIASYS Netmation控制系统，由三部分组成： TCS燃机控制系统，TPS燃机保护系统，CPFM (combustionpressure fluctuation monitor)燃烧压力波动监视系统。
2 CPFM保护原理
M701DA燃机采用预混燃烧模式，该模式是为了降低氮氧化物排放并提高燃烧效率。但是预混燃烧的稳定范围比较窄,不能适应燃机在大范围内变工况运行的需求,尤其在低负荷工况下容易熄火。
预混燃烧的另外一个副作用是易产生振荡现象——声波、流体力学和放热之间相互作用。振荡出现时,会伴随着放热量和压力的大幅波动。若外界因素发生变化,剧烈的声光释放又会产生大量的热量,反过来又加剧了声光的释放,激发压力波动的产生。燃烧室压力波动会引起燃烧不稳定,影响机组正常运行,严重的燃烧波动会导致热部件的损坏。
三菱为燃机配备了CPFM作为燃烧监控的手段，并提供保护功能。M701DA燃机的CPFM采用9个压力波动传感器，检测10个频段的压力波动。同一频段任两个压力波动传感器达到高报警值，并RUNBACK；同一频段任两个压力波动传感器到达高高限值延时10秒跳机。燃烧压力波动保护定值见表1。
表1 燃烧压力波动保护定值
3 事件经过
2013年某日，燃机侧有功功率83MW，燃机发电机“电压互感器回路断线”报警，运行人员检查发现燃机发电机励磁柜已从A柜切换至B柜，保护柜内阻抗、失磁等带电压量的保护均被闭锁。在“1YH”次级小开关处测得B相电压为0，A、C相电压正常；2YH次级三相电压正常，判断为“1YH”电压互感器B相初级熔丝熔断，并询问热控专业停用电压互感器对燃机无影响情况下，对1YH进行停电检查。在压变停用过程中，燃机跳闸。
4 事故时序
（1）0:31，燃机侧TCS发“GT PT FAILURE”（发电机电压互感器故障），“GT AC POWERSUPPLY FAILURE ”（发电机交流采样故障）报警,DCS画面“燃机发电机出口PT断线”。由运行、检修部门专工到场进行检查、判断。
（2）3:56:10，进行停用1YH压变操作。此时负荷从83MW突降至57MW，IGV（可转导叶）从22.4%突关至1.1%，燃机侧燃烧剧烈波动。
（3）3:36:15 #7、9、11压力波动MID2（中2）段报警；3:36:16 #3压力波动MID2段超跳机值；3:36:19 #9、11压力波动MID2段超跳机值；3:36:20 燃机跳闸（如图1所示）。
图1 燃机功率与CPFM曲线图
5 原因分析
处理电压互感器初级熔丝熔断故障可以在线进行，因为电压互感器故障后造成的影响已发生，但此次处理为何会造成有功负荷剧烈波动造成燃机跳闸，经对燃机控制系统采录曲线分析和现场调查，原因如下：
（1）在跳机后，更换初级熔丝时发现现场1YH初级熔丝完好，测量实际为“2YH”初级熔丝熔断，一次二次接线不对应。经比对图纸发现发电机电压互感器柜厂家设计与电力设计院图纸不符，而基建期间施工单位在接线时发现图纸问题并未向业主交代。现场设备运行标示牌则按照设计院图纸布置，导致运行人员停错了电压互感器。
（2）燃机控制系统采样的三个有功变送器的电压量均接至2YH的次级，当断开2YH B相二次回路时，进入有功功率变送器的B相采样失去，三个有功变送器输出都下降1/3。
图2 改造前的燃机发电机有功变送器接线
(3)在燃机控制系统逻辑组态中，三个有功信号采取三取中方式，此种接线及逻辑组态在三个输入信号错误时，则输出信号失真。功率回路接线及逻辑组态在单一变送器故障或断线时能起作用，当发生两个以上变送器故障时将会造成燃机控制系统误判。
图3 改造前的燃机发电机有功输出逻辑
（4）控制系统中负荷设定值与采样到的负荷出现偏差，燃机自动增加燃料量以提升出力。但是由于采样负荷下降，又造成IGV自动关闭、燃烧旁通阀打开。燃机燃烧器运行工况偏离设计工况，导致燃烧异常燃烧压力波动增大超过跳机值导致燃机跳闸。
（5）燃机的有功功率变送器回路及逻辑组态存在安全隐患，有功信号的电压均采样自同一个电压互感器，缺少冗余，在正常运行中，电压互感器初级熔丝熔断、二次回路故障、人为误操作均可能造成机组跳闸，存在非常大的安全隐患。
（6）新投产机组，生产人员对机组的逻辑、接线不熟悉，不能有效做到安全风险预控。
6 功率回路的改造
根据以上分析，可以从电压互感器二次接线、功率回路改造、燃机控制系统逻辑3个环节着手。利用机组小修机会，对同期投产的两套燃机发变组电压互感器回路及功率回路进行了改造，对燃机控制系统组态逻辑进行了修改。
（1）按照电力设计院竣工图对燃机发电机电压互感器回路进行整改，采取不动二次回路，只更改电压互感器本体位置的方法进行改造，并对标示重新张贴，使一次、二次接线相对应。并在整改后首次开机时进行电气试验验证接线正确性。
（2）如图4所示，在原有三只（#1、2、3）有功变送器的基础上，新增加一只同型号的有功变送器（#4有功变送器），将原有的2组PT，分别接入4个有功变送器。其中#1、3有功变送器取自1YH，#2、4有功变送器取自2YH。
图4 改造后的燃机发电机有功变送器接线
（3）TCS系统逻辑改为#3和#4有功变送器输出值取高后再与#1、#2有功变送器输出值取中。
图5 燃机发电机有功输出逻辑
经过以上3项改造措施的实施，确保了发电机任一个电压互感器运行中故障或停用，均不会因为功率回路原因造成燃机的非正常运行。
7 结束语
目前国内部分燃机可能仍存在取一个电压互感器采样作为机组有功判断的接线和逻辑。在发生同样问题时仍可能造成严重的后果，必须高度重视这一问题。
通过对燃机发电机有功功率回路发生问题的分析及改造，解决了燃机运行中存在的安全隐患。在机组设计、基建、施工、运行中，必须全面考虑设备安全运行的各种因素，及时发现解决问题，确保机组的安全可靠运行。