淺談故障首出功能在燃氣輪機的應用

呂新

摘要：本文從首出邏輯入手，采用逆故障流的方法，從燃氣輪機跳閘鏈路和跳閘模塊兩個層級對其展開故障首出功能設計，并設計了與故障首出功能相配置的顯示畫面，多維度地滿足燃氣輪機日常運行，特別是事故追憶的需要。

關鍵詞：燃氣輪機;跳閘;首出;SOE

0 ?引言

隨著燃氣輪機越來越現代化和重型化，燃氣輪機的保護功能日益完善，保護項目也越來越多。在燃氣輪機發生跳閘事故之后，如何快速地找到原因，完成事故追憶，已是迫切需要解決的問題。在發生像燃氣輪機跳閘這樣的綜合性事故后，控制系統內往往會出現諸多的報警內容，而很多報警恰恰是因為跳閘動作發生后才產生的，報警相互交織和重疊，對事故追憶形成很大阻礙。第一故障原因的檢測對事故分析有非常重要的意義，所以需要在燃氣輪機控制系統內設計故障首出功能。故障首出功能通常有三個層級的應用，即鏈路級（機組級）、模塊級和儀表級。燃氣輪機跳閘事故發生在故障危急程度最高的時候，也是產生無序報警最多的時候。本文將聚焦在鏈路級和模塊級的應用，提出燃氣輪機跳閘的故障首出功能設計方案。

1 ?燃氣輪機跳閘機理

燃氣輪機的跳閘保護一般分為三種形式：①非常重要的現場信號直接由專用保護裝置輸出至跳閘鏈路，比如轉速超速信號、喘振壓力開關信號等;②通過保護模塊閾值判斷和冗余計算后輸出到跳閘鏈路，比如燃料閥的位置信號、燃燒室的振動信號等;③其余保護通過控制模塊實現，比如軸振信號、瓦振信號等。燃氣輪機控制系統的總體架構差異，會導致保護策略略有不同，但最終都會集中到跳閘鏈路，這個鏈路的每一個常閉接點斷開時將導致掛閘電磁閥失電。如圖1所示，保護模塊、控制模塊和專用保護裝置輸出的接點都以串聯的方式連接在一起給掛閘電磁閥供電，任意一點保護動作時，常閉接點斷開，掛閘電磁閥失電，燃料遮斷閥失去液壓油，在彈簧力的作用下快速關閉，切斷燃料，燃機跳閘。

2 ?首出模塊設計

首出邏輯是實現故障首出功能設計的基礎，下面以三通道為例，介紹其基本原理，并引出故障首出模塊的概念。

首出邏輯的基本架構設計如圖2所示。

首出邏輯可以被抽象成故障首出模塊，可以設計成8通道或者16通道等。（圖3）

以8通道為例，簡要說明故障首出模塊各引腳的定義如表1所示。

3 ?方案實現

總體上，采用逆故障流方向逐級倒推出首故障的方法。

跳閘故障一般從儀表級傳導到模塊級，最后到鏈路級（機組級）。在開展故障首出設計時，通過逆故障流方向，逐級追憶，倒推出首故障。

如圖4所示。

為便于后續討論，需要預先進行一些條件假設：

①假定所有模塊都只有一路跳閘指令送到跳閘鏈路，并各自對應一個鏈路接點;

②假定保護模塊內共有4個跳閘子項目，均需要完成閾值判斷和冗余計算后才能輸出到跳閘鏈路;

③假定控制模塊內共有8個跳閘子項目;

④假定專用保護裝置有4個，相互獨立且內部都不再有子項目。

基于上述假設，我們可以將故障跳閘信號進行整理并逐一進行編碼。如表2所示。

考慮到控制模塊基本都配有SOE功能，所以故障首出功能一般都在控制模塊中設計實現。

下文所述的“故障”特指引起保護裝置發生動作的信號，即保護動作信號。

3.1 鏈路級首出故障

如前所述，任一鏈路級故障發生，燃氣輪機隨即跳閘。之前已假定所有模塊都只有一路跳閘指令送到跳閘鏈路，各自對應一個鏈路接點，也就是有六個鏈路級故障。

將此六個接點的狀態通過SOE采集進控制系統（如圖1中標記的線路A所示），然后通過故障首出模塊篩選出鏈路級首故障，快速地獲得導致機組跳閘的第一故障原因。

具體實現方案如圖5示意。

經過邏輯運算，在1-1到1-6中，唯一被置1者即為鏈路級首故障。如果沒有置1者，說明燃氣輪機跳閘事故沒有被保護觸發。如果這時候跳閘鏈路確實被打開了，可能是跳閘鏈路發生了誤動作。

鏈路級首故障同時也需要作為系統級首故障的允許條件。

3.2 模塊級首出故障

雖然保護模塊只有一個跳閘指令對應到跳閘鏈路，但其內部是有多個跳閘子項的，如前文所述，假定是4個。所有跳閘子項的出口通過“或”的方式輸出到跳閘鏈路（如圖1中在保護模塊中標記的DO）。跳閘子項在觸發的同時，經DO*通過SOE送入控制模塊（如圖1中標記的線路B）。控制模塊假定是8個跳閘子項目。專用保護裝置專項專用，沒有跳閘子項目，而且已經作為鏈路級故障參與鏈路級首出計算，因此，不再需要將觸發的跳閘信號經SOE送入控制模塊，也不再參與模塊級首出計算。

具體實現方案如圖6示意。

在完成整型轉布爾型，獲得二進制編碼后，如何對應到模塊級的故障編碼，方法同鏈路級，因篇幅有限，不再羅列。當然，如果控制系統的上位機支持對整數進行排序識別的話，整型轉布爾型這一步就可以省略，直接將首故障對應的序號（整數）送到上位機進行首出顯示即可。

經過邏輯運算，唯一被置1者即為模塊級首故障，對應編號在2-1到2-12之中。如果沒有置1者，說明模塊級故障均沒有被觸發。

實際上，模塊級的跳閘保護有近百個，只要參照上述方法完整搭建出故障首出邏輯，就能在第一時間將引起燃氣輪機跳閘的首故障挑選出來。

3.3 顯示畫面

為協助操作員快速地完成燃氣輪機跳閘事故的追憶，需要為燃氣輪機故障首出配置專門的顯示畫面，使鏈路級和模塊級的首故障信息能被操作員第一時間清楚地獲得。

顯示畫面的格式示意如圖7。

燃氣輪機正常運行時，故障背景顏色均為畫面背景色;燃氣輪機跳閘事故發生時，首故障的背景顏色會自動變成紅色，并且以1Hz的頻率閃動，以便能被操作員明確識別。

4 ?結語

本方案適用性廣，在保護模塊或保護裝置不擁有TTD（Time-Tagged Data）功能的情況下亦適用。同一個運算周期的故障信號會按照邏輯模塊的先后順序進行運算，因此首故障識別的分辨率為故障首出所在邏輯頁的運算周期。

本方案僅提供一種設計故障首出的方法，在具體應用中，需要根據控制系統的總體架構和保護策略做出適應性的調整。通過機組級和系統級的首出故障，基本可以滿足燃氣輪機日常運行的需要。如有需要，同理，可以進行儀表級故障首出設計，進行故障定位。

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