西門子燃驅壓縮機組超速保護系統升級改造實踐

李平 劉功銀

摘要：本文通過對西門子燃驅壓縮機組的原有超速保護系統進行分析總結，針對其存在的缺陷，創新性地提出了優化升級方案，實施后有效地避免了由于轉速信號跳變導致機組緊急停機故障，保障了機組的平穩運行。

Abstract： This article analyzes and summarizes the original overspeed protection system of Siemens combustion-driven compressor units， and innovatively proposes an optimized upgrade plan based on its defects. After implementation， it effectively avoids the emergency shutdown of the unit due to the jump of the speed signal. Failure to ensure the smooth operation of the unit.

關鍵詞：燃驅壓縮機組;超速保護;升級改造

Key words： combustion drive compressor unit;overspeed protection;upgrading

中圖分類號：TQ441.41? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0135-03

0? 引言

燃氣輪機是一種高速轉動的機械，其轉動部件的應力和轉速有著密切的關系，由于離心力正比于轉速的平方，當轉速升高時，因離心力所造成的應力將會迅速增加。當轉速超出額定轉速的20%時，應力就接近于額定轉速時的1.5倍。葉輪等緊力配合的轉動部件的松動轉速通常也是按高于額定轉速20%來設計的，如果轉速升高到不允許的數值，會導致燃氣輪機設備的嚴重損壞。因此，超速保護系統成為燃氣輪機重要的保護裝置之一。西氣東輸二線西門子燃驅機組采用硬件超速保護和邏輯超速保護兩種方式對機組進行保護。其中，硬件超速保護系統采用羅克韋爾公司的XM系列模塊，該系列模塊完全獨立于機組控制系統，其通過硬線與機組控制系統建立聯系;邏輯超速保護是由機組控制系統對轉速進行比較和判斷。近年來，我公司西門子燃驅機組多次發生由于超速保護系統觸發導致機組跳閘故障，但是技術人員經過排查發現實際轉速一直很穩定，沒有出現超速現象，是由于其中一個轉速信號跳變導致超速保護系統誤觸發跳閘信號。針對此問題，經過對機組超速保護的一系列升級改造，較好地解決了此問題，保證了機組的平穩運行。

1? 機組原超速保護系統現狀

西氣東輸西二線西門子燃驅機組邏輯超速保護由SIS PLC（安全）、PCS PLC（順控）來執行，硬件超速保護由超速保護模塊XM220、XM441模塊及安全繼電器系統來實現。西門子燃驅機組GG的低壓壓氣機共有三個轉速信號，分別是NL1、NL2、NL3，其中NL1、NL2進入SIS系統，NL1、NL3進入XM220模塊。轉速信號超速保護邏輯如下：

①SIS程序使用NL1、NL2，2個轉速信號（模擬量信號）采用高選方式進行聯鎖，2個探頭只要有1個探頭超過7000RPM，SIS PLC直接執行緊急停機邏輯;

②PCS程序中使用超速保護模塊XM220分別輸出的NL1、NL3超速干結點（數字量信號），1oo2（二選一）只要有1個轉速跳變，也產生跳機信號;

③安全繼電器中使用超速保護繼電器模塊XM441輸出的NL1、NL3超速干結點信號，1oo2（二選一）只要有1個轉速跳變，硬接線產生跳機信號。

SIS、PCS、安全繼電器，由于采用高選或“二選一”邏輯，無法過濾轉速信號自身跳變帶來的誤TRIP（跳機）問題。動力渦輪轉速探頭PT存在相同的邏輯判斷方式，只要有1個轉速探頭跳變，均會導致機組誤“TRIP”。

1.1 PCS程序現狀

表1中，UC1、UC3指XM220，即雙轉速信號處理模塊，UC2、UC4指XM441，即繼電器模塊。

由表1可以看出，PCS接入超速保護模塊TRIP信號，“或”邏輯，只要有1個探頭出現trip信號，立即執行鎖定停車邏輯。二選一無法避免信號跳變造成停車的問題;“三選二”既保證信號的可靠性，又保證信號的容錯問題。

1.2 SIS程序現狀（表2）

在表2中，n1act為NL1和NL2的高選值，當n1act在機組運行時大于7000RPM，控制系統認為GG超速，執行跳機邏輯。PT與NL相似，在此不再贅述。考慮到n1act還參與其它的邏輯控制，因此對n1act不做任何改動。但是原邏輯中當n1act超過7000RPM會停機，在做三選二優化后，有可能使n1act超過7000RPM而不停機，而n1act直接關系GG滑油的供油量，原邏輯中n1act理論上最大是7000RPM，在此次超速保護系統改造后，n1act有可能超過7000RPM，那么n1act超過7000RPM究竟對GG滑油有沒有影響呢？由圖1可以看出，在啟機過程中，GG滑油的供油量隨著NL轉速的上升供油量也在逐漸上升，當NL達到5300RPM后，GG滑油的供油量不再增長，因此，即使n1act超過7000RPM，也不會影響GG滑油的供油量。

2? 優化方案

本優化方案的依據是轉速處理模塊XM220具備轉速信號處理、開路檢測、超速判斷等功能，本方案用到Xdcr Fault和Tacho Fault兩種故障監測模式，其中Xdcr Fault是指轉速傳感器的直流偏置電壓超限，一般的，當機組停止運行時，Xdcr Fault都會超過最低電壓Fault Low;Tacho Fault是指沒有檢測到轉速。因此需要給XM220一個旁路信號，當機組停機后，XM220的報警信號不使能。

而XM442具備對超速信號三選二表決功能，同時將轉速信號開路信號等同于超速信號，也能監測24V電源是否正常。其中，XM442的繼電器輸出響應時間是40毫秒。

2.1 對NL的優化

取消原XM220及XM441模塊，安裝三個新XM220及一個XM442模塊。將NL3信號引入超速保護模塊XM220，由XM220對NL1、NL2、NL3進行監測，使用繼電器模塊（XM442）經三選二表決后輸出的干結點接入PCS。PCS系統利用原有通道接入表決后干結點信號執行跳機邏輯。刪除原邏輯中超速保護邏輯。原邏輯中有開路二選二跳機邏輯，由于XM442已經對開路信號有監測功能，因此刪除PCS內開路跳機邏輯，只保留開路報警功能。在PCS中新增XM模塊的旁路信號，當NL轉速低于1500RPM時，取消XM220及XM442的使能信號。

在SIS系統中，轉速信號無容錯機制，取消n1act作為超速保護邏輯判斷的依據，引入NL3轉速，當NL1、NL2、NL3個轉速中有2個>=7000rpm時，執行超速保護跳機邏輯。

刪除安全繼電器中原NL1、NL2的超速信號，接入繼電器模塊（XM442）經三選二表決后輸出的干結點，執行硬件跳機邏輯。

2.2 對PT的優化

取消原XM220及XM441模塊，安裝三個新XM220及一個XM442模塊。將PT2信號接入到超速保護模塊XM220，在PCS中刪除原來的PT3、PT4的單獨超速信號，利用原有通道接入來自XM442三選二邏輯判斷后輸出的干結點，執行TRIP邏輯。刪除原邏輯中超速保護邏輯。刪除PCS內信號開路跳機邏輯，只保留信號開路報警功能。在PCS中新增XM模塊的旁路信號，當PT轉速低于500RPM時，取消XM220及XM442的使能信號。

在SIS系統中，取消PT1、PT2兩者的高選值作為超速保護判斷邏輯，引入PT3轉速，當PT1、PT2、PT3三個轉速中有2個>=5300rpm時，執行超速保護跳機邏輯。

刪除安全繼電器中原NL3、NL4的超速信號，接入繼電器模塊（XM442）經三選二表決后輸出的干結點，執行硬件跳機邏輯。

3? 結論

目前，本技術方案已經在西氣東輸烏蘇站二線1#2#機組、煙墩站二線1#、2#、3#機組上實施，效果良好，至今沒有發生因為轉速信號跳變導致的跳機故障，有效地提高了機組平穩運行的能力。

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