摘要：国内对环境的要求越来越高，使燃机现在国内越来越多的得到应用。燃机超速保护作为一种重要的保护条件，需要对其有深入的了解。本文将对此保护进行简要介绍。
关键词：GE 6FA；燃机；超速保护
1.引言
燃气轮机在正常运行中高速运转，转动部件的工作应力与转速有密切关系，其离心力正比于转速的平方。当转速升高时，由离心力所造成的应力会迅速增加。一般最高允许转速按高于额定转速的20%设计。如果燃机转速升高到不允许的数值内，会导致燃气轮机设备的严重损坏。因此燃机都必须配置超速保护装置以保证机组安全运行，通常机组配置机械超速保护及电气超速保护两套互相冗余的保护系统。
随着燃机技术的发展，软硬件保护控制的不断进步，GE6FA机组只配置电气超速保护系统。阿曼萨拉拉项目燃机控制系统使用SPEEDTRONICTM Mark Vie & VieS 透平控制与保护系统。
2.GE 6FA燃机超速保护简介
2.1超速保护原理
GE 6FA燃机超速保护有三个等级：控制级、初级级和紧急级。
使用燃料阀门通过转速闭环控制回路实现控制级保护。
由控制器提供初级超速保护控制。TTUR端子板和PTUR I/O插件板将轴的转速信号送至各控制器，并由控制器计算选择中间值。如果控制器确定了跳闸条件，控制器通过PTUR I/O插件板发送跳闸信号到TRPG 端子板。三个PTUR 输出到三继电器表决电路（每个跳闸电磁线圈一个表决电路）中，经过3取2表决并切断电磁线圈电源。
独立的三冗余PPRO保护系统提供紧急超速保护功能。它使用3个来自转速检测探头的轴转速信号，每个保护模块一个。把这些信号输送到保护系统的专用端子板TPRO。每个PPRO保护板独立决定跳闸条件并把信号传送至TREG端子板。TREG以类似的途径对TRPG进行操作，在继电器电路中表决三个跳闸信号，并断开跳闸电磁线圈的电源。该系统不含软件表决，因而三个PPRO模块完全独立。PPRO和控制系统其它部分之间仅有的链路是传动状态信息的IONet电缆。
2.2 MARK Vie & VieS系统超速保护硬件介绍
1) PTUR初级轮机保护I/O卡
三个转速传感器测量燃气轮机转速并将信号传送给控制器。
速度检测是通过磁性速度探测器来感应的，磁性速度探测器安装靠近一个安装在透平轴上的多齿轮，当多齿轮通过环绕在速度探测器周围的磁场时，磁性速度探测器产生电压脉冲。轴速度探测器的脉冲的频率多少是依靠在反馈轮上齿的数量，也就是轴的RPM。大多数的重型燃气轮机所使用的磁性速度传感器带有一个60齿的速度感应轮。在这种情况下，每圈60个脉冲，所以速度信号的频率等于轴的RPM（1Hz=1RPM）。Mark系统能够接受有效频率范围在2～20000 Hz 标准的无源或可选的有源速度探测器。灵敏度为2Hz，对60个齿的轮是2rpm，电压脉冲峰到峰值为0.033V，这个电压值在无其他外部探测设备的情况下可认为透平的速度值为零。
提供大电机自动同步和主断路器控制。
监视感应轴电压和电流。
监视燃气轮机火焰探测器。，
提供初级跳闸电磁线圈接口。控制器计算并输出初级跳闸保护通过PTUR然后送至初级跳闸端子板。TRPG带有用于电气跳闸装置（ETD）的继电器接口。TRPG通常与紧急跳闸板TREG共用，以构成ETD接口的初级与紧急端。PTUR最多支持三个ETD，每个ETD由一个TRPG/TREG组驱动。
2) TRPG初级轮机保护端子板
TRPG端子板受控于安装在TTUR端子板上的PTUR I/O卡件。TRPG的三个表决电路共带有9个电磁继电器，能够与电磁跳闸装置（ETD）的三个跳闸电磁阀相连。TRPG与TREG共同形成ETD接口的初级保护和紧急保护侧。
3)PPRO紧急轮机保护I/O卡
紧急轮机保护I/O卡PPRO和相连的端子板构成了一个独立的备用超速保护系统。这些设备能够对发电机和公用总线的同步化进行后备检测。他们还为主控设备提供一个独立的监测功能。典型的保护系统配置三个三冗余（TMR）PPRO I/O卡，这些I/O卡安装在独立的单工保护端子板（SPRO）上或安装在一个TMR TPRO端子板上。也可以把三个PPRO I/O卡直接连接到TREA上，从而构成一个单板TMR保护系统。
图一 TRPG端子板（TMR）
Mark VIe 带有一个初级和紧急跳闸系统，在跳闸端子板层次上实现互动。初级保护功能通过轮机初级I/O 包PTUR 对初级跳闸板（TRPG、TRPL、TRPS、TRPA）的操作来实现。紧急保护功能通过PPRO I/O 包对备用跳闸板（TREG、TREL、TRES、TREA）的操作来实现。
PPRO 接收三个转速信号来实现超速保护功能，包括基本超速、加速、减速和通过硬件实现的超速。I/O包监测初级控制设备的操作，并可以将初级速度作为正常运转的标志。PPRO 通过一系列完整的反馈信号来监测所选跳闸板的状态和操作。如果检测到超速，PPRO 会使跳闸板上的紧急跳闸继电器动作，并启动初级设备的跳闸。I/O包完全独立于主控操作之外，并且不受后者的影响。
在初级跳闸端子板和紧急跳闸端子板之间最多可以连接三个跳闸电磁阀。在板之间接入电磁阀以后，就会将电磁阀两侧的电源分离开，并使电磁阀电压成为可见的系统反馈。初级/紧急跳闸板TRPG/TREG、TRPL/TREL 以及TRPS/TRES 成对操作，它们使用板间的连线来实现系统连接。TRPA 和TREA 不需要成对操作，可以独立使用。如果把TRPA 和TREA 成对使用，那么其功能和其它板对是一样的。
2.3保护功能
PPRO 通过硬件、可编程逻辑和固件共同实现以下保护功能。下图示为使用的时间延迟开关的标准符号：
在下面规定一个标准来表示信号源和数据流。
●名称末尾带有（SS）的信号是在PPRO 内创建的，数据流通过信号空间向外流向控制器。
●名称末尾带有 SS 的信号是在控制器内创建的，数据流通过信号空间向内流向PPRO。
●名称末尾带有（IO）的信号是在PPRO 内创建的，数据流向外流向硬件。
●名称末尾带有 IO 的信号是流向PPRO 的硬件输入信号。
●如果信号名称末尾带有 CFG，那么该信号是PPRO 设置的一部分。在这种情况下系统已经尝试显示PPRO 配置的哪一个部分包含此变量。
●如果在 CFG 中有J3，它表示跳闸板TREA、TREG 或TREL 的连接点以及相应的配置值。
●IO（SS）组合表示信号从硬件输入到PPRO，然后作为信号空间的一部分向外发送到控制器。
如果在信号名称中没有特殊的结尾，那么信号被用作 PPRO 的内部信号，不是硬件或者信号空间数据传输的一部分。这个信号对应用程序来说是不可见的，不能被后者使用，但是在准确描述包操作的过程中需要使用它。
2.4 超速跳闸
PPRO 为固件和硬件的超速保护提供了三个速度输入信号。在相关的PPRO 文件中确定了调用这三个输入（HP、IP 和LP）的标准，用户可以在系统设计中自由使用这三个输入。
固件超速跳闸功能包括：
●在速度为零时，超速阈值与信号空间阈值配置故障一致。
●从配置或者信号空间接收低阈值。
●在在线超速检测中提供相应的功能，使阈值为零。
●在离线超速检测中提供相应的功能，以便修改阈值，将阈值的范围限定在104%。
●把阈值与计算所得的速度值进行比较，并进行超速锁定操作。
硬件超速跳闸功能包括：
●当PPRO卡上电或重启后载入独立的硬件超速设定值。
●如果硬件配置的设定值大于1HZ，与来自应用程序配置经由信号空间传递的数值不同就会报警。
●当配置的设定值与硬件中存贮的设定值不同时，产生错误报警。
●超速计算及跳闸逻辑可编程化。
●正常运行中超速跳闸响应小于60ms。
实际硬件执行情况取决于两个配置项：
●OSHW_Setpoint 指定RPM超速跳闸等级。
●PRScale确定每个周期内速度传感器脉冲数值，它们用来把脉冲速率转换成RPM。
2.5速度差检测
正常情况下，任何时候由PPRO计算的速度和主系统计算的速度都不应该有显著的差异。通过速度差检测功能，可以检测来自PPRO和主控制系统的PulseRate1差异。如果这个差值在连续三个采集周期内都大于设定的阈值，就会触发SpeedDifTrip。
2.6 最大速度保持
PPRO提供最大速度保持功能，在以下情况下可以进行重置：
●使用PR_Max_RST命令（从信号空间）。
●PR1_Zero逻辑值为假（轴转动后）。
2.7 加速、减速与零速判断
2.8怠速检测
PPRO提供基于实际速度信号的主控制监控功能。如果PPRO的PulseRate1为零，保护功能就会禁用。如果速度大于零，PPRO 卡就会监控来自主控的Speed1数值。如果最近一次的Speed1的值与来自最近一个数据帧的Speed1的值相匹配，计数器就会累加，如果计数器达到一定的阈值，怠速跳闸就会触发。
2.9 跳闸信号逻辑与继电器输出
各种跳闸信号汇总为一个复合信号，该复合信号用于继电器输出逻辑。下图显示这中信号汇总过程，此功能由固件和可编程逻辑共同实现。通过硬件超速来实现跳闸的操作完全在硬件内部完成，如此一来，如果固件出现故障就不会影响到保护功能。
当超速保护动作时，PPRO输出指令至三个紧急跳闸继电器，并能够监测继电器状态反馈信号。跳闸包含固件跳闸和通过可编程逻辑实现的直接跳闸。
TREA/TREG燃气轮机跳闸保护板
TREA板使用三个PPRO I/O卡，这些卡直接安装在TREA端子板上。如此TREA/PPRO就具有完整的紧急跳闸功能。
TREG为三个紧急跳闸电磁阀提供电源，在MARK Vie系统中受控于PPRO卡，在MARK VieS系统中受控于YPRO卡。在TREG和TRPG之间最多可连接三个跳闸电磁阀。TREG为电磁阀提供直流电源的正极，TRPG则提供了负极。PPRO或YPRO I/O控制器具有紧急超速保护功能和紧急停机功能，并能够控制TREG上的12个继电器，这12个继电器中的9个分成3组，每组3个，对控制三个跳闸电磁阀的输入进行表决。
7.结论
燃机超速保护作为燃机的一项重要保护，需要调试人员及运行人员对其有深入了解。本文对GE燃机超速保护进行简要论述，为国内各燃机调试和运行维护提供一定的参考。
参考文献
[1]GE OEM manual。Mark* VIe and Mark VIeS Control Systems。 July 2016
[2]Mark* VIe Maintenance Classroom, Laboratory Manual and Reference Documents，2017
作者简介
姓名：田志刚 工作单位：青岛华丰伟业电力科技工程有限公司 职务：阿曼Ibri项目经理。
姓名：倪强 工作单位：青岛华丰伟业电力科技工程有限公司 职务：热控专业负责人。
论文作者:田志刚,倪强
论文发表刊物:《电力设备》2018年第10期
论文发表时间:2018/7/30
标签：信号论文; 速度论文; 转速论文; 阈值论文; 紧急论文; 系统论文; 继电器论文; 《电力设备》2018年第10期论文;