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[摘 要]三菱9F级燃机TPS系统采用BPT温度来监测轮机叶片的温度和燃烧稳定性，为保护燃机安全运行，当BPT温度偏离平均值时TPS系统发出停机指令，但在该保护逻辑中存在一些问题需要引起用户注意。
[关键词]三菱9F级燃机 TPS系统 BPT温差保护
中图分类号：U496 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）46-0286-01
引言
某电厂#1机组为新建机组，机型为日本三菱公司的M701F4重型燃机（475MW）。某日20：54在400MW负荷时突然自动停机，运行操作员站电脑画面上显示“#2BPT温差大保护动作”，经过检修维护人员的现场处置，机组重新并网发电。事后调查发现，在20：44时#2BPT温度信号跳变被TPS系统自动屏蔽，在20：49时#2BPT温度信号正常保护自动投入，但此时的温度值与平均值的偏差高于保护定值，经300S延时后触发停机指令。经过相关专业技术人员调查分析，起因是温度元件至TPS保护机柜间回路故障引起温度信号异常而致，但在仔细检查了保护逻辑后发现，存在着一些问题，这对机组今后的稳定运行存在着隐患，因此有必要对存在的问题进行分析。
1、三菱9F级燃机及控制系统的概况
1.1 三菱9F级燃机概述
东方汽轮机有限公司生产的三菱M701F4型燃气轮机。主要由带有进口可调导叶（IGV）的17级的高效率轴流式压气机，20只环形布置的分管燃烧器的燃烧室，以及4级反动式叶片的透平组成，压气机压比18。
透平转子及动叶冷却方式：部分压气机排气经过透平冷却空气冷却器（TCA）并过滤后来冷却透平转子及动叶，冷却空气通过转子内部风道進入燃机一、二、三级动叶根部，经过叶片内部风道，在叶片表面及顶部气孔流出，从而冷却叶片。
透平静叶冷却方式：第一级静叶使用压气机排气从燃机内部进行冷却，冷却空气从外部围带流经中空静叶，并从叶顶边缘流出。第二级、第三级、第四级静叶分别使用第14级、第11级、第6级压气机抽气进行冷却。另外TCA出口抽取一部分冷却空气和第14级抽气混合后对第2级静叶进行冷却。
M701F4 燃机设置有低压、中压和高压防喘放气阀，分别从压气机第6级、第11级和第14级抽出，以防止在启动或停机期间压气机喘振。
M701F4干式低NOX燃烧器的特点包括三段式燃烧器和旁路阀，旁路阀将一部分压气机排气引入过渡段，以提高机组启动时的火焰稳定性，并在机组负载运行时维持所需的燃空比。
1.2 燃机控制系统概述
三菱控制系统DIASYS Netmation是由三菱公司开发的电厂控制系统。DIASYS Netmation控制系统是由MPS、EMS、OPS和ACS四种设备组成的，它们相互协作，形成一个系统。
MPS（多功能处理站）：用于完成自动控制和 I/O 数据的处理，存储1小时的短期数据。OPS（操作员站）：用于监控和操作电厂设备的人机接口。ACS（辅助站）：能够周期性地实时采集MPS中的数据，并存储、管理大量历史数据和外部设备如打印机等，具备数据服务器的作用。EMS（工程师站）：用于控制系统组态和维护整个 DIASYS Netmation 系统。
M701F4控制系统包含TCS（透平控制系统）、TPS（透平保护系统）、PCS（过程控制系统）、TSI（透平监视系统）等。TCS系统控制对象包括IGV、燃烧室旁通阀、防喘放气阀、燃料量，汽机透平（蒸汽阀、负荷等）主要控制对象是燃机本体设备，汽机透平本体设备及油路系统。PCS系统包括汽机旁路控制、凝汽器，汽机侧疏水等汽机侧除透平主蒸汽外的所有设备。TPS系统包括对燃机的保护相关信号收集及逻辑分析保护动作条件并判断是否发出保护动作。TSI系统监视包括缸胀、轴向位移、振动、键相（上述信号由本特利系统监视），零转速、燃气流量、火焰等信号，并转化为TCS及PS能够接受的信号形式转送给TCS和TPS系统。
2.BPT温差大保护原理概述
M701F4燃机为了防止超温，控制系统DIASYS Netmation提供两种类型的温度监控信号：叶片通道温度（BPT）监控信号和排气温度监控信号。今天我们要讨论的是叶片通道温度（BPT）变化最大值（平均温度与每个温度的差值）保护，为此M701F4燃机设置有20支BPT元件，元件为K型双支热电偶，一支进TCS（透平控制系统），一支进TPS（透平保护系统），在计算平均值时剔除最大、最小值然后除以18得出BPT平均值。其温差大保护原理框图如下（我们以#2BPT为例，其相邻的为#1和#3）：
从图中可知，燃气机组在顶环燃料投入120s后且并网60s后，当下列情况同时满足：
1、#2BPT比平均值高30℃或低60℃，延时30s；
2、相邻#3BPT比平均值高20℃或低30℃，延时30s；
或#3BPT与平均值之差的变化率大于1℃/min或小于-1℃/min，延时12.5s；
相邻#1BPT比平均值高20℃或低30℃，延时30s；
或#1BPT与平均值之差的变化率大于1℃/min或小于-1℃/min，延时12.5s后；
3、输出“#2BPT温差大跳闸”指令。
3.输入信号质量判别模块
三菱9F级燃机TPS系统对模拟量输入信号（温度信号属于模拟量信号）有质量判别模块，该质量判别模块称为INA（Analog signal input check）模块，其模块的原理框图如图2：
从图2中可以看出，模拟量输入信号先进入信号数据分析模块QGA，QGA分别对信号的量程上下限（RO＼RU）、扫描情况（CN）、数据类型和设置（AE＼DS）、事件标签（UK）和模块的计算情况（CE）与原设置的参数进行比对，其输出类型为ON/OFF开关型，然后将结果输入信号接入模块（QSA）的同时输出“信号异常报警”（该信号物理量没有超限），当QSA模块输入的7个开关量有任意一个为OFF，则输出将被冻结，如7个开关量输入全为ON，则输出Y=X，其相应关系如图3：
4.该保护存在的问题
当输入的温度信号异常时，该保护将自动屏蔽；而当温度信号回复正常时，屏蔽被自动解除。但温度信号（尤其是热电偶信号）虽然故障状态消失，如接线松动、线路因灰尘出现短路等引起热电偶的热电势减小时，控制逻辑的判断仍为正常质量点，但由于热电势的减小，致使计算机检测到的温度值降低，若温度值的变化大于所设定的跳闸值时，在屏蔽被自动解除后，将会触发保护跳闸命令，引起保护误动。因此，目前，TPS中温度保护存在由于温度信号故障而引发保护误动的风险。
另一个就是相邻BPT温差变化率的问题，其阚值过低。事发电厂在事故调查中就发现其温差变化率屡屡超限触发保护跳闸命令，这是事后第二天在CRT上的照片，可以看出其相邻BPT温差变化率的跳闸条件也满足 ，后与其它同类型电厂联系也同样有此现象。
5、改进方法
在该保护的控制逻辑中，增设“保护自动投退软开关”控制逻辑，当温度信号故障时，RS触发器置位，将保护自动退出，同时发出报警；当温度信号故障消失时，并且其温度值不大于保护动作值时，RS触发器复位，保护自动投入。同时，在CRT画面上应显示相应保护软开关的投退状态。这样运行人员可以及时发现由于信号故障引起的保护投退状况，并在同一时间通知热控检修维护人员赶到现场进行故障处理，避免由于接线或者设备故障引起的保护误动作。
相邻BPT温差变化率的阚值应在各方充分研讨的基础上适当增大。在既防止误动的基础上也要考虑到燃烧器的安全。
6、总结
三菱9F级燃机近年来在国内的用户越来越多，其使用年限普遍不长，故暴露出的问题还不多，但从这一跳机事故中可以发现，其TPS系统还存在着一些缺陷，对机组的安全运行构成了隐患。在此笔者也希望用户和厂家能够多沟通交流，共同保障9F级燃气机组的安全运行。
作者简介
黄启昆——杭州华电江东热电有限公司设备维护部热控检修专职，从事热控专业技术管理和监督工作。
[关键词]三菱9F级燃机 TPS系统 BPT温差保护
中图分类号：U496 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）46-0286-01
引言
某电厂#1机组为新建机组，机型为日本三菱公司的M701F4重型燃机（475MW）。某日20：54在400MW负荷时突然自动停机，运行操作员站电脑画面上显示“#2BPT温差大保护动作”，经过检修维护人员的现场处置，机组重新并网发电。事后调查发现，在20：44时#2BPT温度信号跳变被TPS系统自动屏蔽，在20：49时#2BPT温度信号正常保护自动投入，但此时的温度值与平均值的偏差高于保护定值，经300S延时后触发停机指令。经过相关专业技术人员调查分析，起因是温度元件至TPS保护机柜间回路故障引起温度信号异常而致，但在仔细检查了保护逻辑后发现，存在着一些问题，这对机组今后的稳定运行存在着隐患，因此有必要对存在的问题进行分析。
1、三菱9F级燃机及控制系统的概况
1.1 三菱9F级燃机概述
东方汽轮机有限公司生产的三菱M701F4型燃气轮机。主要由带有进口可调导叶（IGV）的17级的高效率轴流式压气机，20只环形布置的分管燃烧器的燃烧室，以及4级反动式叶片的透平组成，压气机压比18。
透平转子及动叶冷却方式：部分压气机排气经过透平冷却空气冷却器（TCA）并过滤后来冷却透平转子及动叶，冷却空气通过转子内部风道進入燃机一、二、三级动叶根部，经过叶片内部风道，在叶片表面及顶部气孔流出，从而冷却叶片。
透平静叶冷却方式：第一级静叶使用压气机排气从燃机内部进行冷却，冷却空气从外部围带流经中空静叶，并从叶顶边缘流出。第二级、第三级、第四级静叶分别使用第14级、第11级、第6级压气机抽气进行冷却。另外TCA出口抽取一部分冷却空气和第14级抽气混合后对第2级静叶进行冷却。
M701F4 燃机设置有低压、中压和高压防喘放气阀，分别从压气机第6级、第11级和第14级抽出，以防止在启动或停机期间压气机喘振。
M701F4干式低NOX燃烧器的特点包括三段式燃烧器和旁路阀，旁路阀将一部分压气机排气引入过渡段，以提高机组启动时的火焰稳定性，并在机组负载运行时维持所需的燃空比。
1.2 燃机控制系统概述
三菱控制系统DIASYS Netmation是由三菱公司开发的电厂控制系统。DIASYS Netmation控制系统是由MPS、EMS、OPS和ACS四种设备组成的，它们相互协作，形成一个系统。
MPS（多功能处理站）：用于完成自动控制和 I/O 数据的处理，存储1小时的短期数据。OPS（操作员站）：用于监控和操作电厂设备的人机接口。ACS（辅助站）：能够周期性地实时采集MPS中的数据，并存储、管理大量历史数据和外部设备如打印机等，具备数据服务器的作用。EMS（工程师站）：用于控制系统组态和维护整个 DIASYS Netmation 系统。
M701F4控制系统包含TCS（透平控制系统）、TPS（透平保护系统）、PCS（过程控制系统）、TSI（透平监视系统）等。TCS系统控制对象包括IGV、燃烧室旁通阀、防喘放气阀、燃料量，汽机透平（蒸汽阀、负荷等）主要控制对象是燃机本体设备，汽机透平本体设备及油路系统。PCS系统包括汽机旁路控制、凝汽器，汽机侧疏水等汽机侧除透平主蒸汽外的所有设备。TPS系统包括对燃机的保护相关信号收集及逻辑分析保护动作条件并判断是否发出保护动作。TSI系统监视包括缸胀、轴向位移、振动、键相（上述信号由本特利系统监视），零转速、燃气流量、火焰等信号，并转化为TCS及PS能够接受的信号形式转送给TCS和TPS系统。
2.BPT温差大保护原理概述
M701F4燃机为了防止超温，控制系统DIASYS Netmation提供两种类型的温度监控信号：叶片通道温度（BPT）监控信号和排气温度监控信号。今天我们要讨论的是叶片通道温度（BPT）变化最大值（平均温度与每个温度的差值）保护，为此M701F4燃机设置有20支BPT元件，元件为K型双支热电偶，一支进TCS（透平控制系统），一支进TPS（透平保护系统），在计算平均值时剔除最大、最小值然后除以18得出BPT平均值。其温差大保护原理框图如下（我们以#2BPT为例，其相邻的为#1和#3）：
从图中可知，燃气机组在顶环燃料投入120s后且并网60s后，当下列情况同时满足：
1、#2BPT比平均值高30℃或低60℃，延时30s；
2、相邻#3BPT比平均值高20℃或低30℃，延时30s；
或#3BPT与平均值之差的变化率大于1℃/min或小于-1℃/min，延时12.5s；
相邻#1BPT比平均值高20℃或低30℃，延时30s；
或#1BPT与平均值之差的变化率大于1℃/min或小于-1℃/min，延时12.5s后；
3、输出“#2BPT温差大跳闸”指令。
3.输入信号质量判别模块
三菱9F级燃机TPS系统对模拟量输入信号（温度信号属于模拟量信号）有质量判别模块，该质量判别模块称为INA（Analog signal input check）模块，其模块的原理框图如图2：
从图2中可以看出，模拟量输入信号先进入信号数据分析模块QGA，QGA分别对信号的量程上下限（RO＼RU）、扫描情况（CN）、数据类型和设置（AE＼DS）、事件标签（UK）和模块的计算情况（CE）与原设置的参数进行比对，其输出类型为ON/OFF开关型，然后将结果输入信号接入模块（QSA）的同时输出“信号异常报警”（该信号物理量没有超限），当QSA模块输入的7个开关量有任意一个为OFF，则输出将被冻结，如7个开关量输入全为ON，则输出Y=X，其相应关系如图3：
4.该保护存在的问题
当输入的温度信号异常时，该保护将自动屏蔽；而当温度信号回复正常时，屏蔽被自动解除。但温度信号（尤其是热电偶信号）虽然故障状态消失，如接线松动、线路因灰尘出现短路等引起热电偶的热电势减小时，控制逻辑的判断仍为正常质量点，但由于热电势的减小，致使计算机检测到的温度值降低，若温度值的变化大于所设定的跳闸值时，在屏蔽被自动解除后，将会触发保护跳闸命令，引起保护误动。因此，目前，TPS中温度保护存在由于温度信号故障而引发保护误动的风险。
另一个就是相邻BPT温差变化率的问题，其阚值过低。事发电厂在事故调查中就发现其温差变化率屡屡超限触发保护跳闸命令，这是事后第二天在CRT上的照片，可以看出其相邻BPT温差变化率的跳闸条件也满足 ，后与其它同类型电厂联系也同样有此现象。
5、改进方法
在该保护的控制逻辑中，增设“保护自动投退软开关”控制逻辑，当温度信号故障时，RS触发器置位，将保护自动退出，同时发出报警；当温度信号故障消失时，并且其温度值不大于保护动作值时，RS触发器复位，保护自动投入。同时，在CRT画面上应显示相应保护软开关的投退状态。这样运行人员可以及时发现由于信号故障引起的保护投退状况，并在同一时间通知热控检修维护人员赶到现场进行故障处理，避免由于接线或者设备故障引起的保护误动作。
相邻BPT温差变化率的阚值应在各方充分研讨的基础上适当增大。在既防止误动的基础上也要考虑到燃烧器的安全。
6、总结
三菱9F级燃机近年来在国内的用户越来越多，其使用年限普遍不长，故暴露出的问题还不多，但从这一跳机事故中可以发现，其TPS系统还存在着一些缺陷，对机组的安全运行构成了隐患。在此笔者也希望用户和厂家能够多沟通交流，共同保障9F级燃气机组的安全运行。
作者简介
黄启昆——杭州华电江东热电有限公司设备维护部热控检修专职，从事热控专业技术管理和监督工作。