一种用于燃气轮机发电机组的控制装置及功率保护方法与流程

本发明属于燃气轮机控制技术领域，更具体涉及一种用于燃气轮机发电机组的控制装置及功率保护方法。

背景技术：

逆功率运行工况就是发电机组的电动机运行方式，燃气轮机发电机组逆功率保护的现有控制方法在国内目前属于空白，国内的发电机组保护方案都是基于汽轮发电机组的保护方案，对于汽轮机，当由于某种原因使主汽门突然关闭或机组保护动作使主汽门关闭，如果发电机出口断路器没有跳闸，则发电机逐渐过渡到电动机运行状态，即由向电网系统发出有功功率转变为从电网吸收有功功率，拖着汽轮机旋转，由于气缸中充满蒸汽，它与汽轮机尾部叶片摩擦产生热，从而使汽轮机尾部的长叶片产生过热而造成损坏，对汽轮机造成危害，因此通常情况下不允许汽轮机长期运行在此工况下，逆功率保护可以起到很好的保护作用，现有汽轮机逆功率保护是基于两种情况：

1、当主汽门关闭时，在控制室内发出声光信号。如果主汽门是误关闭，则迅速进行恢复，机组即可正常运行。如果在规定时间内不能恢复供汽，则由值班人员将发电机组切除。

图1为现有的主汽门关闭时的逆功率保护逻辑示意图。采取电气连锁切除发电机断路器的方法，当主汽门关闭后，引入主汽门关断阀的辅助触点经延时去切除发电机出口断路器。当主汽门关闭后，如果发电机有功功率小于等于系统设置的逆功率继电器整定值时，在时间内发出信号进行报警，值班人员密切关注功率变化，如果在t1时间内发电机出口断路器未跳闸，经过延时后在t2时刻跳发电机出口断路器并发送报警信号，t1和t2整定时间一般为0.5～1.5s。

2、装设灵敏度高的逆功率继电器保护装置，带时限动作于信号，经汽轮机允许的逆功率时间延时动作于解列发电机。

图2为带时限动作的逆功率保护逻辑，当发电机有功功率测量值小于逆功率保护动作整定值时，在初始t1时间内发送报警信号，在t2时间内发声光报警信号并动作于发电机解列，该保护作为逆功率保护的后备保护，其报警及跳发电机出口断路器整定时间较长，一般设置为10s～60s。

对于目前国内引进的主流f/e级重型燃气轮机发电机组，其发电机逆功率保护设置如下：

图3为发电机逆功率保护逻辑示意图。控制系统检测机组是否接收到停机信号，当接收到正常停机或者紧急跳机信号时，逆功率限制值设置为发电机额定功率的1.5％左右，当没有接收到停机信号或者紧急停机信号时，逆功率限值设置为－1％发电机额定功率。将发电机逆功率限值与功率变送器高选值进行比较，当发电机功率变送器高选值小于逆功率限值时，延时2.5s跳发电机出口断路器。

现有发电机逆功率保护在主汽门关闭时，如系误动引起的关闭，在控制系统中没有给出判断条件及方法；如果系统确实需要正常停机或者紧急停机，控制信号已经发出而此时主汽门仍然没有关闭造成拒动但发电机出口断路器已跳闸，或者控制信号已经发出但主汽门未关严，此时虽然进汽不多，但发电机出口断路器已跳闸都可能造成机组飞车的严重事故，对于燃气轮机发电机组，如果燃料控制阀未关严，未燃尽物质有爆炸和着火的危险，缺少对汽门或者燃料控制阀阀位的检测，无法可靠保证机组的安全运行。

现有技术缺少对测量仪表电流互感器ta和电压互感器tv异常或断线的监视保护，如果由于功率测量仪表本身造成的误判引起低功率或逆功率跳闸，对发电企业来说不仅造成很大的经济损失，对电力系统稳定性也会造成影响。

现有技术的逆功率继电器动作整定值只考虑了汽轮机在逆功率运行时的最小损耗、发电机在逆功率运行时的最小损耗，没有考虑传动轴的机械效率、汽轮机主油泵及发电机顶轴油泵的损耗，负荷齿轮箱的机械效率，燃气轮机发电机组逆功率继电器动作整定值目前也没有公开的资料可供借鉴。

技术实现要素：

基于上述技术问题，本发明提供一种用于燃气轮机发电机组的控制装置及功率保护方法，综合考虑发电机低功率时多种关联特性，从而实现发电机的逆功率保护控制。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于燃气轮机发电机组的控制装置，包括：

控制器，以及分别与所述控制器连接的功率变送器、燃料控制阀线性位置变送器、功率因数变送器、功率保护单元；

其中，所述功率变送器用于对发电机组实时功率进行测量并传输到所述控制器，所述燃料控制阀线性位置变送器用于对所述燃料控制阀的阀位进行实时监控并将监控数据传输到所述控制器；所述功率因数变送器用于实时地测量所述发电机组的功率因数并传输到所述控制器；所述控制器根据接收的数据启动所述功率保护单元。其中，所述功率保护单元包括设置在所述燃气轮机发电机组中的双冗余的第一正向低功率继电器和第二正向低功率继电器、功率方向继电器、电压互感器、电流互感器；

其中，当所述控制器判断所述第一正向低功率继电器或第二正向低功率继电器动作，所述功率方向继电器检测到发电机功率方向由母线流向电网线路，所述电压互感器异常闭锁及电流互感器异常闭锁无释放时，并且发电机工作电压满足机组并网允许电压时，延时设定的时间启动逆功率跳闸或启动正向低功率保护。

其中，所述功率保护单元还包括：检测单元，第一逆功率继电器、第二逆功率继电器；

检测单元，用于检测是否启动正向功率保护或发电机出口断路器是否处于合闸状态；

其中，所述检测单元检测到发电机出口断路器处于合闸状态，且正向低功率保护启动后，当所述控制器判断所述电压互感器断线异常闭锁和电流互感器断线闭锁未释放，功率方向继电器检测到发电机有功功率为负启动跳闸，发电机工作电压高于发电机组并网允许工作电压，判断所述发电机组的第一有功功率值小于或等于第一逆功率继电器的动作整定功率值得大小，或第二有功功率值小于或等于第二逆功率继电器的启动正整定率值的大小时，启动逆功率跳闸。

其中，所述燃料控制阀线性位置变送器包括燃料主控制阀线性位置变送器和燃料次控制阀线性位置变送器，所述燃料主控制阀线性位置变送器用于监测所述主控制阀的开闭，所述燃料次控制阀线性位置变送器用于监测所述次控制阀的开闭。

其中，所述功率保护单元还包括报警器，所述报警器用于所述控制单元启动正向低功率保护或逆功率跳闸时，发出报警信号。

其中，所述报警信号为声音报警信号。

其中，所述报警信号为光信号。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于燃气轮机发电机组的功率保护方法，所述燃气轮机发电机组包括上述的控制装置，该方法包括：

控制器接收到设置在发电机组的燃料控制阀阀门的开度信号后，检测发电机组的正向有功功率值；

判断所述发电机组的正向功率是否低于预设的阈值；

是，则启动正向低功率保护或逆功率跳闸，断开所述发电机的出口线路。

其中，所述判断发电机组的正向功率是否低于预设的阈值，具体包括：

当所述控制器判断所述第一正向低功率继电器或第二正向低功率继电器动作，所述功率方向继电器检测到发电机功率方向由母线流向电网线路，所述电压互感器异常闭锁及电流互感器异常闭锁无释放时，并且发电机工作电压满足机组并网允许电压时，则判断所述发电机组的正向功率低于预设的第一阈值，需要启动正向低功率保护。

其中，所述判断发电机组的正向功率是否低于预设的阈值，还包括：当控制器检测到发电机出口断路器处于合闸状态，且正向低功率保护启动后，当所述控制器判断所述电压互感器断线异常闭锁和电流互感器断线闭锁未释放，功率方向继电器检测到发电机有功功率为负启动跳闸，发电机工作电压高于发电机组并网允许工作电压，所述发电机组的第一有功功率值小于或等于第一逆功率继电器的动作整定功率值的大小，或第二有功功率值小于或等于第二逆功率继电器的启动整定功率值的大小时，则判断所述发电机组的正向功率低于预设的第二阈值，需要启动逆功率跳闸。。

本发明提供一种用于燃气轮机发电机组的控制装置及功率保护方法，具有以下有益效果：

1、以燃气轮机发电机组燃料主控制阀及次控制阀阀位检测为功率测量的基础依据，当发电机组正常停机或者紧急停机需要降负荷时，控制阀的阀位检测能可靠的判断发电机是否逆功率；

2、控制系统设置电了压互感器和电流互感器的断线闭锁保护，防止互感器一次或二次回路没有运行电压引起低功率或者逆功率误动引起跳机，增加系统的可靠性；

3、控制系统设置了功率方向继电器对发电机功率方向做出判断，发电机发出有功功率为正方向功率，此时功率方向继电器不会动作，当发电机有功功率为负时，表明发电机从电网吸收有功功率，发电机变为电动机运行，此时功率方向继电器接收到反方向功率，功率方向继电器动作并启动跳闸回路；

4、用双冗余功率继电器来测量发电机低功率及逆功率值，任何一只功率继电器达到低功率及逆功率整定值并动作时，系统启动声光报警及跳闸回路，在逆功率保护中引入低功率保护启动逻辑，为机组运行人员处理异常情况提供了参考依据，有效消除发电机逆功率跳闸时可能出现的误判，增强逆功率保护跳闸的动作可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有的程序跳闸逆功率保护出口逻辑示意图；

图2示出了现有的逆功率后备保护出口逻辑示意图；

图3示出了现有的f/e级重型燃气轮机发电机组逆功率逻辑示意图；

图4示出了本发明的用于燃气轮机发电机组的控制装置的结构框图；

图5示出了本发明的控制装置进行发电机正向低功率保护的逻辑图；

图6示出了本发明的控制装置进行发电机逆功率主保护的出口逻辑图；

图7示出了本发明的燃气轮机分管式燃烧室燃料主控制阀及次控制阀的控制流程图；

图8示出了本发明的燃气轮机分管式燃烧室燃料主控制阀及次控制阀阀位检测控制图；

图9示出了本发明的发电机逆功率后备保护逻辑图；

图10示出了本发明的一种用于燃气轮机发电机组的功率保护方法。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

图4示出了本发明的用于燃气轮机发电机组的控制装置的结构框图。

如图4所示，本发明的实施例的用于燃气轮机发电机组的控制装置，具体包括：

控制器10，以及分别与控制器连接的功率变送器20、燃料控制阀线性位置变送器30、功率因数变送器40、功率保护单元50；

其中，功率变送器20用于对发电机组实时功率进行测量并传输到所述控制器，燃料控制阀线性位置变送器30用于对燃料控制阀的阀位进行实时监控并将监控数据传输到控制器10；功率因数变送器30用于实时地测量所述发电机组的功率因数并传输到控制器10；控制器10根据接收的数据启动功率保护单元。

本发明的实施例针对大容量燃气轮机发电机组，设置了正向低功率保护和逆功率跳闸两套保护，正向低功率保护主要用于保护当发电机输出有功功率未完全调整到零时提前误发跳闸指令而造成机组飞车，将跳闸回路经由低功率保护闭锁，当检测到出现逆功率后才放开跳闸，作为紧急停机的闭锁条件；逆功率跳闸用于燃气轮机透平低压缸动叶片的风损过热保护，并作为燃机正常停机的闭锁条件，另外在停机指令发出后若发电机出口断路器未及时跳闸而燃料主控制阀和次控制阀没有关严而造成燃料泄露时，防止未燃尽物质发生着火和爆炸的危险。

进一步地，发电机低功率或逆功率运行时，功率因数会低于额定值，此时要维持发电机端电压保持恒定，需增加励磁电流，从而使励磁电流超过其额定值，导致转子绕组温度升高，绕组过热，超过其允许温度，将低功率因数限制作为逆功率跳闸的报警条件，使控制系统提前做出预判，在保证功率测量及燃料控制阀位置检测精准的情况下对发电机逆功率定值进行整定并保护。

进一步的实施例中，如图5所示，功率保护单元50中的正向低功率保护由双冗余正向低功率继电器kp1、kp2、功率方向继电器kw、电压互感器tv、电流互感器ta、发电机电压继电器kv组成。其中正向低功率继电器kp1、kp2用于测量发电机的功率，当运行负荷p1、p2低于发电机正向低功率设定值pset而使得任何一个正向低功率继电器动作、功率方向继电器kw检测到发电机功率方向由母线流向电网线路、电压互感器异常闭锁及电流互感器异常闭锁都没有释放且发电机工作电压满足机组并网允许电压uset时，延时t秒启动逆功率跳闸或者启动手动跳闸。tv断线异常闭锁、ta断线异常闭锁是为了防止互感器一次或二次绕组断线引起误判，u＜uset是为了防止机组没有运行电压误判发电机低功率引起误动。

正向低功率保护设定值按发电机额定功率的0.3～1％来设置，整定值设置依据为上限值所对应的燃气轮机发电机组的转速不会超过其允许转速，下限为考虑了燃料主控制阀和次控制阀关闭时的泄露，避免功率继电器不会动作，低功率保护延时设置为1s左右，防止发电机在正常启动期间瞬态功率有摆动时造成低功率保护误动作。

在又一个实施例中，功率保护单元还包括检测单元，用于检测是否启动正向功率保护或发电机出口断路器是否处于合闸状态。

进一步地，如图6所示，在发电机出口断路器处于合闸状态且正向低功率保护启动后，控制系统判断电压互感器tv断线异常闭锁和电流互感器ta断线异常闭锁是否释放，如果释放，表明功率测量线路出现故障，运行人员需要对测量线路的一次和二次绕组进行检查，防止功率测量出现误判；功率方向继电器kw对发电机功率方向做出判断，发电机发出有功功率为正方向功率，此时功率方向继电器kw不会动作；当发电机有功功率为负时，表明发电机从电网吸收有功功率，发电机变为电动机运行，此时功率方向继电器接收到反方向功率，功率方向继电器动作并启动跳闸回路。发电机有功功率测量采用双冗余测量方式，系统首先判断有功功率表ppa1、ppa2线路是否正常，当功率表正常工作时，将有功功率表ppa1测量值p1、有功功率表ppa2测量值p2分别与逆功率继电器kp3、kp4的动作整定功率值pop进行比较，当任何一只有功功率表的测量值小于或者等于逆功率继电器kp3、kp4的动作整定值pop时，逆功率跳闸启动；控制系统还对发电机工作电压u与发电机组并网允许工作电压uset进行比较，发电机并网运行时，其端电压略高于电网电压，保证发电机在初始并网时就能向电网送出有功功率，该设置能防止机组没有运行电压引起低功率或逆功率误判，因此将其引入逆功率跳闸的闭锁条件；控制系统对燃气轮机燃料主控制阀和次控制阀的阀位进行跟踪检测。

在又一个实施例中，如图7所示为分管式燃烧室燃料主控制阀和次控制阀的控制流程图，燃料主控制阀vmc-1控制燃烧室总的燃料量，并按控制规律分别给燃料次控制阀vmc-2、vmc-3、vmc-4、…、vmc-n供给压力和流量相同的燃料，燃料次控制阀一般设置为6～12个，附图7中次控制阀以示意图形式画出，具体的次控制阀个数依据不同燃烧室分管燃烧喷嘴个数决定。

附图8为分管式燃烧室燃料主控制阀及次控制阀阀位检测控制图，阀门的开度通过位置反馈装置“线性位置变送器lvdt”来检测，阀门开度通过反馈装置lvdt后变成电压信号反馈给控制器，经高选后的信号和所给定的位置信号相加，结果为零时，伺服阀绕组中没有电流流过，表明控制阀处于关闭状态，不断的调整送入伺服阀绕组的伺服电流，使控制阀移动到不同位置上，进而使阀门开度和阀门状态都得到控制和监视，控制系统加入了阀位检测后，可以有效防止阀门未关严而发电机出口断路器跳闸引起机组飞车的事故发生，在阀位监测时，不仅要监测燃料主控制，而且也要监视燃料次控制阀，确保燃料主控制阀关闭且燃料次控制阀也已关闭，防止燃烧室燃料喷嘴泄露引起机组爆炸的危险，同时将其作为发电机出口断路器主保护的闭锁条件，增加系统的可靠性。由此，当上述发电机逆功率主保护满足程序跳闸条件时，延时t秒跳发电机出口断路器并发出声光报警信号，延时时间一般设置为0.5～1s。

在发电机逆功率主保护中，逆功率继电器kp3、kp4的动作功率pop整定如下：

pop＝krel(p1+p2+p3+p4)；

式中，krel为可靠系数，取0.5～0.8；p1为燃气轮机逆功率运行时的最小损耗，由厂家提供；p2为发电机逆功率运行时的最小损耗，可根据发电机效率进行计算：p2＝(1-η)pgn，pgn为发电机额定功率，η为发电机效率，取98％～99％；p3为燃气轮机轴的机械损耗，轴效率按最低99％计算；p4为负荷齿轮箱的机械损耗，负荷齿轮箱传动效率按最低98.6％计算。

工程中逆功率主保护pop经过计算，其定值一般为1％～2％pgn，其取值宜取整定计算范围的较低值，以满足系统动作灵敏性要求。

发电机后备保护逻辑如附图9所示，在该保护中不受燃料控制阀关闭、线性位置变送器产生的反馈来控制，当系统检测到设备正常且发生了逆功率时，设置两段时限来进行保护，第一段时限内发声光报警信号，第二时段内作用于发电机出口断路器解列并灭磁，第一段时限一般设置为1～1.5s，第二时限设置为10～60s。

在本发明的又一个实施例中，如图10所示，提供一种用于燃气轮机发电机组的功率保护方法，该燃气轮机发电机组包括上述的控制装置，该方法包括：

s1、控制器接收到设置在发电机组的燃料控制阀阀门的开度信号后，检测发电机组的正向有功功率值；

s2、判断所述发电机组的正向功率是否低于预设的阈值；

s3、是，则启动正向低功率保护或逆功率跳闸，断开所述发电机的出口线路。

上述实施例的功率保护方法，基于上述的控制装置，其具体的判定和操作过程在上述的控制装置的实施例中已具体描述，在此不再赘述。

本发明提供一种用于燃气轮机发电机组的控制装置，在燃气轮机燃料主控制阀和次控制阀上分别安装线性位置变送器，用于获取燃料阀门开度信号；并且阀门开度通过线性位置变送器后变成电压信号反馈给控制器，经高选后的信号和所给定的位置信号相加，结果为零时，表明控制阀中没有电流流过，阀门处于关闭状态，调节过程结束。并且将各个阀门开度反馈信号送到控制器，并与控制器设定的决策模式进行比较，驱动受控制程序控制的控制器触点执行分断指令，来断开发电机出口断路器辅助线圈，从而实现对断开发电机出口断路器的控制。此外，发电机正向低功率时的启动保护逻辑，设置了双冗余的功率继电器来测定发电机有功功率，当任何一只功率继电器动作时，低功率保护启动，两只功率继电器正向低功率保护的整定值选择一致，按发电机额定功率的0.3～1％来设置，正向低功率保护的控制电路，包括电压互感器、电流互感器、功率方向继电器、功率继电器，电压互感器和电流互感器用于判断功率测量线路是否正常，功率方向继电器用于判断发电机是送出有功功率还是吸收有功功率，作为逆功率跳闸的启动条件，功率继电器用于对发电机功率实时值与整定值进行比较，当实时值小于整定值时，低功率保护启动并向控制系统发出电信号。

此外，发电机逆功率主保护逻辑中，在正向低功率保护启动后，继续实时监控功率测量线路，并加入燃料主控制阀及次控制阀的阀位监控，当检测到主控制阀及次控制阀关闭，任何一只功率继电器测量值小于或者等于逆功率跳闸整定值时，延时启动声光报警并跳发电机出口断路器。延时时间设置为0.5～1s。

进一步地发电机逆功率后备保护逻辑中，当功率测量线路正常时，两只逆功率继电器任何一只的测量值小于或者等于逆功率跳闸整定值时，设置两端保护时限，第一段时限作用于声光报警，时限一般设置为1～1.5s，第二时限作用于发电机出口断路器跳闸并灭磁，设置为10～60s。

本发明提供一种用于燃气轮机发电机组的控制装置及功率保护方法，具有以下有益效果：

1、以燃气轮机发电机组燃料主控制阀及次控制阀阀位检测为功率测量的基础依据，当发电机组正常停机或者紧急停机需要降负荷时，控制阀的阀位检测能可靠的判断发电机是否逆功率；

2、控制系统设置了电压互感器和电流互感器的断线闭锁保护，防止互感器一次或二次回路没有运行电压引起低功率或者逆功率误动引起跳机，增加系统的可靠性；

3、控制系统设置了功率方向继电器对发电机功率方向做出判断，发电机发出有功功率为正方向功率，此时功率方向继电器不会动作，当发电机有功功率为负时，表明发电机从电网吸收有功功率，发电机变为电动机运行，此时功率方向继电器接收到反方向功率，功率方向继电器动作并启动跳闸回路；

4、用双冗余功率继电器来测量发电机低功率及逆功率值，任何一只功率继电器达到低功率及逆功率整定值并动作时，系统启动声光报警及跳闸回路，在逆功率跳闸中引入低功率保护启动逻辑，为机组运行人员处理异常情况提供了参考依据，有效消除发电机逆功率跳闸时可能出现的误判，增强逆功率跳闸跳闸的动作可靠性。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。