汽輪機(jī)電子超速保護(hù)系統(tǒng)配置方案分析和優(yōu)化

浙江恒逸工程管理有限公司 張 揚(yáng)

電子超速保護(hù)系統(tǒng)作為API612（石油、化工和天然氣工業(yè)用特種用途汽輪機(jī)）標(biāo)準(zhǔn)要求的必備系統(tǒng)，已經(jīng)被全球主要設(shè)備廠商接受。但API標(biāo)準(zhǔn)中也存在一些問(wèn)題，一是標(biāo)準(zhǔn)中的要求是最低的安全標(biāo)準(zhǔn)要求，二是部分要求的實(shí)施方案不夠明確。

如：作為執(zhí)行結(jié)構(gòu)的跳車電磁閥的邏輯配置方案，標(biāo)準(zhǔn)中只推薦了2個(gè)電磁閥并聯(lián)配置的方案，并沒(méi)有考慮其實(shí)用性問(wèn)題；跳車電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)源方案中，只說(shuō)明了根據(jù)電磁閥線圈的電流大小來(lái)決定是由DO板卡直接驅(qū)動(dòng)還是由一套電源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，但并沒(méi)有對(duì)使用中間繼電器的方案進(jìn)行更深層次的說(shuō)明；對(duì)電子超速保護(hù)系統(tǒng)和其他保護(hù)系統(tǒng)的如何分工作用去驅(qū)動(dòng)跳車電磁閥，沒(méi)有給出明確方案；電子超速保護(hù)系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置的具體方案等。由此，各設(shè)備廠家有了充分的發(fā)揮空間。滿足了基本安全要求，為了節(jié)省成本的方案、設(shè)計(jì)不夠嚴(yán)謹(jǐn)，依據(jù)不夠充足的方案都出現(xiàn)在了各設(shè)備廠家中。

1 跳車電磁閥的邏輯配置方案

1.1 API推薦的2跳車電磁閥的配置方案

如圖1，控制油管線在電磁閥的上游，電磁閥下游是卸油口。正常運(yùn)行時(shí)電磁閥帶電關(guān)閉，保證了整個(gè)控制油的壓力。如出現(xiàn)故障或是跳車信號(hào)則電磁閥失電打開(kāi)，上游控制油通過(guò)電磁閥泄放到回油管線?？刂朴偷膲毫焖傧陆?，跳車閥關(guān)閉，汽輪機(jī)蒸汽切斷停機(jī)。其中有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是電子超速保護(hù)系統(tǒng)是故障安全型設(shè)置。要求在汽輪機(jī)運(yùn)行正常狀態(tài)下跳車電磁閥為帶電關(guān)閉狀態(tài)；二是2個(gè)電磁閥在油路中是并聯(lián)關(guān)系。通過(guò)這兩點(diǎn)保證了2個(gè)電磁閥和跳車動(dòng)作是1oo2的邏輯關(guān)系。只要其中一個(gè)電磁閥動(dòng)作汽輪機(jī)就可實(shí)現(xiàn)停車。安全性可超過(guò)2oo3邏輯關(guān)系達(dá)到最高[1]。此方案還增加了電磁閥動(dòng)作試驗(yàn)的功能，進(jìn)一步增加了安全性。此方案在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都是主流廠商的配置方案。

圖1 2跳車電磁閥配置方案

此方案的缺點(diǎn)也是比較明顯的，由1oo2的邏輯關(guān)系可知，此方案的誤動(dòng)作概率大，容易導(dǎo)致誤動(dòng)作停車。在當(dāng)今化工規(guī)模越來(lái)越大的情況下，作為核心機(jī)組驅(qū)動(dòng)的汽輪機(jī)的一次誤動(dòng)作的直接或是間接損失都是不能承受的，所以此方案的實(shí)用性價(jià)值較低。

1.2 電磁閥方案

如圖2，電磁閥上游是控制油路，下游是泄油回路。方案中控制油有A/B/C共3條并聯(lián)的泄油油路。每條泄油的油路中分別設(shè)置一個(gè)電磁閥和一個(gè)油控閥，電磁閥信號(hào)受到邏輯控制單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制，油控閥受到另外兩路中其中一路的電磁閥后油壓控制[2]。如果A油路電磁閥2225失電打開(kāi)，則B油路的油控閥2011打開(kāi)。此時(shí)油路系統(tǒng)中2225和2011打開(kāi)，但A/B/C中并沒(méi)有哪一條油路完全打開(kāi)，仍可保證上游的控制油壓力。如果同時(shí)B電磁閥2226也打開(kāi)則2226和2012打開(kāi)，此時(shí)3條泄油油路中B油路的整條油路線是打開(kāi)的，此時(shí)上游的控制油通過(guò)B油路泄放到回油系統(tǒng)中?？刂朴褪毫?，跳車閥關(guān)閉，汽輪機(jī)的停機(jī)。方案中3個(gè)電磁閥和3個(gè)油控閥通過(guò)3條油路線關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)3個(gè)電磁閥和跳車動(dòng)作的2oo3的邏輯。不但能保證汽輪機(jī)的安全停車，還可盡量較小誤動(dòng)作停車的概率。在安全性和實(shí)用性、誤動(dòng)作和不動(dòng)作間找到了平衡，使得設(shè)備廠家和使用者都可以接受，是一套非常不錯(cuò)的配置方案。

圖2 3跳車電磁閥配置方案

此方案的缺點(diǎn)是油路的設(shè)計(jì)是非標(biāo)準(zhǔn)件，是部分廠家的非標(biāo)制造的設(shè)備套件，常見(jiàn)于杭汽和西門(mén)子汽輪機(jī)上。在維護(hù)維修或是項(xiàng)目改造中不具備友好的改造性和推廣性。

1.3 電磁閥方案

如圖3，是在2個(gè)電磁閥方案基礎(chǔ)上改造而成，以適當(dāng)增加實(shí)用性為目的。在個(gè)2條泄壓的油路上分別增加1個(gè)電磁閥。電磁閥的技術(shù)要求不變。通過(guò)增加電磁閥數(shù)量，使得原先實(shí)用性不高的1oo2的邏輯設(shè)置方案變成了類似的2oo4邏輯關(guān)系。當(dāng)然從油路結(jié)構(gòu)中可看出，此結(jié)構(gòu)并不是純粹的2oo4邏輯關(guān)系，安全性上比完整邏輯意義的2oo4要低，是一種平衡安全性和實(shí)用性的改進(jìn)方案。因?yàn)榉桨钢械脑O(shè)備不是非標(biāo)設(shè)置，只是增加2個(gè)電磁閥，在改造中比較容易實(shí)現(xiàn)，這是此方案的最大優(yōu)勢(shì)。

圖3 4跳車電磁閥配置方案

1.4 三種方案的誤動(dòng)作和不動(dòng)作概率分析

在沒(méi)有人為參與的情況下，2、3、4跳車閥方案的誤動(dòng)作和不動(dòng)作的概率分別為（單電磁閥誤動(dòng)作和不動(dòng)作概率假設(shè)為千分之一）：千分之二/百萬(wàn)分之一、百萬(wàn)分之三/百萬(wàn)分之三、百萬(wàn)分之三/百萬(wàn)分之四。總之，通過(guò)概率分析，經(jīng)過(guò)改造后的方案，雖然從安全性上有所降低但是并不是數(shù)量級(jí)的降低，但誤動(dòng)作的概率卻是數(shù)量級(jí)上的降低。如能在維護(hù)中加入人為因素，針對(duì)每種方案中的電磁閥按時(shí)進(jìn)行電磁閥的動(dòng)作試驗(yàn)，每種方案的安全性仍將會(huì)有很大的提高。能夠保證足夠的安全。所以方案的優(yōu)化是值得的。也更能夠適應(yīng)未來(lái)化工發(fā)展的需求[3]。

2 跳車電磁閥的控制信號(hào)方案

一套機(jī)組系統(tǒng)跳車信號(hào)很多且分布在不同系統(tǒng)，如振動(dòng)、位移等信號(hào)分布在MMS系統(tǒng)，然后通過(guò)硬件接入到機(jī)組控制系統(tǒng)（CCS）。速度信號(hào)則集成在電子超速保護(hù)系統(tǒng)中。這兩套系統(tǒng)如何分工合作來(lái)驅(qū)動(dòng)一套跳車電磁閥動(dòng)作，在API612中沒(méi)有具體方案說(shuō)明。由此各廠家也都給出了不同的解決方案，常見(jiàn)的兩套方案如下。

2.1 匯總到CCS系統(tǒng)，由CCS系統(tǒng)DO板卡直接驅(qū)動(dòng)電磁閥

電子超速保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出三條獨(dú)立的速度高聯(lián)鎖的DO信號(hào)，通過(guò)CCS的3塊DI卡接收后，集成到CCS系統(tǒng)中。在CCS中通過(guò)“與”“或”“2oo3”等邏輯門(mén)組成的邏輯關(guān)系將超速保護(hù)和各類聯(lián)鎖信號(hào)合并為汽輪機(jī)停機(jī)聯(lián)鎖信號(hào)后，通過(guò)CCS的3套冗余的DO卡輸出到現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)跳車電磁閥，如現(xiàn)場(chǎng)是4電磁閥或2電磁閥方案，則相應(yīng)增加或是減少輸出的DO信號(hào)和DO卡（圖4）。

圖4 跳車閥的控制邏輯方案1

此方案因仍使用一套現(xiàn)場(chǎng)跳車電磁閥，所以需通過(guò)CCS系統(tǒng)做各聯(lián)鎖信號(hào)的集成。將來(lái)自于MMS系統(tǒng)的振動(dòng)、位移、軸溫、等信號(hào)，來(lái)自于電子超速保護(hù)的速度信號(hào)及自身系統(tǒng)內(nèi)的潤(rùn)滑油壓力、密封氣流量等信號(hào)集成到CCS內(nèi)。集成后通過(guò)一套聯(lián)鎖邏輯方案輸出一套總的跳車信號(hào)，且此信號(hào)分別直接驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)一套跳車電磁閥，不經(jīng)過(guò)中間繼電器等元器件。此種設(shè)置，DO卡件和輸出板的輸出功率需要能夠滿足電磁閥的要求。

此方案具備信號(hào)線路簡(jiǎn)單、直接等優(yōu)點(diǎn)，也可滿足安全需求，在項(xiàng)目中應(yīng)用較普遍。但如果DO卡和輸出板上還帶有其他DO輸出信號(hào)的話，需注意整個(gè)DO板卡輸出功率可能會(huì)接近其最大輸出功率，此時(shí)會(huì)存一定的誤動(dòng)作隱患[4]。

2.2 匯總到CCS系統(tǒng)，由DO板卡驅(qū)動(dòng)中間繼電器，控制電磁閥的電源信號(hào)

無(wú)論DO卡輸出功率是否過(guò)大仍可考慮一種優(yōu)化的方案。將DO卡件輸出的跳車信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，優(yōu)化為驅(qū)動(dòng)一套中間安全繼電器。中間安全繼電器接入在現(xiàn)場(chǎng)跳車電磁閥的驅(qū)動(dòng)電源線路中，DO信號(hào)通過(guò)控制中間繼電器，間接控制跳車電磁閥動(dòng)作。跳車電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可來(lái)源于一套獨(dú)立的24V冗余電源，此方案中的繼電器可使用達(dá)到SIL3級(jí)別的繼電器。通過(guò)一套硬件線路配置實(shí)現(xiàn)3個(gè)中間繼電器與跳車電磁閥動(dòng)作之間的2oo3的要求，一個(gè)繼電器的故障不會(huì)引起誤動(dòng)作或是不動(dòng)作。此方案完全不用考慮DO卡輸出功率的因素，雖增加了中間繼電器，但通過(guò)合理線路配置后，可將中間繼電器的誤動(dòng)作降低足夠安全的概率上。因?yàn)榇朔桨傅腄O卡件不在作為直接驅(qū)動(dòng)信號(hào)，也就不需要配置和電磁閥一樣的數(shù)量，但為保證安全性和繼電器的配合使用，可統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)置為3個(gè)（圖5）。

圖5 跳車閥控制邏輯方案2

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的方案不在需要考慮DO卡的功率因素，有一定的合理性和需求。但上訴兩個(gè)方案中，仍存在一個(gè)較大問(wèn)題：經(jīng)CCS集成后的方案，電子超速保護(hù)系統(tǒng)失去了獨(dú)立性的要求，并不完全符合API的要求，由此仍需一種能夠完全獨(dú)立的方案。

3 超速保護(hù)系統(tǒng)的獨(dú)立性方案

在API612中對(duì)電子超速保護(hù)系統(tǒng)是有明確獨(dú)立性要求的，但對(duì)獨(dú)立性的解釋并不明確。導(dǎo)致出現(xiàn)上述控制方案的產(chǎn)生。從理論上講的獨(dú)立性要求應(yīng)該是傳感部分，邏輯部分、執(zhí)行部分都是獨(dú)立的，才算是真正意義的獨(dú)立系統(tǒng)。顯然有些方案不算是獨(dú)立的方案，但通過(guò)對(duì)上述的方案進(jìn)行優(yōu)化和綜合，可優(yōu)化出一套完全獨(dú)立的電子超速保護(hù)系統(tǒng)的工程方案[5]。

跳車電磁閥的獨(dú)立設(shè)置方案?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)置2套2oo4的配置方案。一套作為CCS的輸出跳車信號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。一套作為電子超速保護(hù)系統(tǒng)的跳車執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖6）。

圖6 2套2oo4電磁閥配置方案

跳車電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)獨(dú)立設(shè)置方案。設(shè)置2套中間繼電器。電子超速保護(hù)系統(tǒng)的卡件輸出到對(duì)應(yīng)的一套中間繼電器RA/RB/RC。機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)的卡件輸出到對(duì)應(yīng)的一套中間繼電器RD/RE/RF。兩套中間繼電器通過(guò)硬件線路，使得繼電器與跳車電磁閥動(dòng)作是2oo3邏輯關(guān)系（圖7）。

圖7 超速保護(hù)獨(dú)立于機(jī)組系統(tǒng)的邏輯控制方案

通過(guò)圖7可看出，此方案實(shí)現(xiàn)了電子超速保護(hù)系統(tǒng)的絕對(duì)獨(dú)立。電子超速保護(hù)系統(tǒng)和機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)跳車動(dòng)作的獨(dú)立控制能力。通過(guò)增加少許設(shè)備，使得整個(gè)機(jī)組系統(tǒng)的安全性和實(shí)用性大幅提高。整個(gè)系統(tǒng)更合理，將隱患降到了最低。