汽輪機電子超速保護系統配置方案分析和優化

浙江恒逸工程管理有限公司 張 揚

電子超速保護系統作為API612（石油、化工和天然氣工業用特種用途汽輪機）標準要求的必備系統，已經被全球主要設備廠商接受。但API標準中也存在一些問題，一是標準中的要求是最低的安全標準要求，二是部分要求的實施方案不夠明確。

如：作為執行結構的跳車電磁閥的邏輯配置方案，標準中只推薦了2個電磁閥并聯配置的方案，并沒有考慮其實用性問題；跳車電磁閥的驅動信號來源方案中，只說明了根據電磁閥線圈的電流大小來決定是由DO板卡直接驅動還是由一套電源系統驅動，但并沒有對使用中間繼電器的方案進行更深層次的說明；對電子超速保護系統和其他保護系統的如何分工作用去驅動跳車電磁閥，沒有給出明確方案；電子超速保護系統獨立設置的具體方案等。由此，各設備廠家有了充分的發揮空間。滿足了基本安全要求，為了節省成本的方案、設計不夠嚴謹，依據不夠充足的方案都出現在了各設備廠家中。

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。正常運行時電磁閥帶電關閉，保證了整個控制油的壓力。如出現故障或是跳車信號則電磁閥失電打開，上游控制油通過電磁閥泄放到回油管線。控制油的壓力快速下降，跳車閥關閉，汽輪機蒸汽切斷停機。其中有兩個關鍵點：一是電子超速保護系統是故障安全型設置。要求在汽輪機運行正常狀態下跳車電磁閥為帶電關閉狀態；二是2個電磁閥在油路中是并聯關系。通過這兩點保證了2個電磁閥和跳車動作是1oo2的邏輯關系。只要其中一個電磁閥動作汽輪機就可實現停車。安全性可超過2oo3邏輯關系達到最高[1]。此方案還增加了電磁閥動作試驗的功能，進一步增加了安全性。此方案在相當長的時間內都是主流廠商的配置方案。

圖1 2跳車電磁閥配置方案

此方案的缺點也是比較明顯的，由1oo2的邏輯關系可知，此方案的誤動作概率大，容易導致誤動作停車。在當今化工規模越來越大的情況下，作為核心機組驅動的汽輪機的一次誤動作的直接或是間接損失都是不能承受的，所以此方案的實用性價值較低。

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條并聯的泄油油路。每條泄油的油路中分別設置一個電磁閥和一個油控閥，電磁閥信號受到邏輯控制單元的驅動信號控制，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，則B油路的油控閥2011打開。此時油路系統中2225和2011打開，但A/B/C中并沒有哪一條油路完全打開，仍可保證上游的控制油壓力。如果同時B電磁閥2226也打開則2226和2012打開，此時3條泄油油路中B油路的整條油路線是打開的，此時上游的控制油通過B油路泄放到回油系統中。控制油失去壓力，跳車閥關閉，汽輪機的停機。方案中3個電磁閥和3個油控閥通過3條油路線關系，能夠實現3個電磁閥和跳車動作的2oo3的邏輯。不但能保證汽輪機的安全停車，還可盡量較小誤動作停車的概率。在安全性和實用性、誤動作和不動作間找到了平衡，使得設備廠家和使用者都可以接受，是一套非常不錯的配置方案。

圖2 3跳車電磁閥配置方案

此方案的缺點是油路的設計是非標準件，是部分廠家的非標制造的設備套件，常見于杭汽和西門子汽輪機上。在維護維修或是項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個電磁閥方案基礎上改造而成，以適當增加實用性為目的。在個2條泄壓的油路上分別增加1個電磁閥。電磁閥的技術要求不變。通過增加電磁閥數量，使得原先實用性不高的1oo2的邏輯設置方案變成了類似的2oo4邏輯關系。當然從油路結構中可看出，此結構并不是純粹的2oo4邏輯關系，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用性的改進方案。因為方案中的設備不是非標設置，只是增加2個電磁閥，在改造中比較容易實現，這是此方案的最大優勢。

圖3 4跳車電磁閥配置方案

1.4 三種方案的誤動作和不動作概率分析

在沒有人為參與的情況下，2、3、4跳車閥方案的誤動作和不動作的概率分別為（單電磁閥誤動作和不動作概率假設為千分之一）：千分之二/百萬分之一、百萬分之三/百萬分之三、百萬分之三/百萬分之四。總之，通過概率分析，經過改造后的方案，雖然從安全性上有所降低但是并不是數量級的降低，但誤動作的概率卻是數量級上的降低。如能在維護中加入人為因素，針對每種方案中的電磁閥按時進行電磁閥的動作試驗，每種方案的安全性仍將會有很大的提高。能夠保證足夠的安全。所以方案的優化是值得的。也更能夠適應未來化工發展的需求[3]。

2 跳車電磁閥的控制信號方案

一套機組系統跳車信號很多且分布在不同系統，如振動、位移等信號分布在MMS系統，然后通過硬件接入到機組控制系統（CCS）。速度信號則集成在電子超速保護系統中。這兩套系統如何分工合作來驅動一套跳車電磁閥動作，在API612中沒有具體方案說明。由此各廠家也都給出了不同的解決方案，常見的兩套方案如下。

2.1 匯總到CCS系統，由CCS系統DO板卡直接驅動電磁閥

電子超速保護系統發出三條獨立的速度高聯鎖的DO信號，通過CCS的3塊DI卡接收后，集成到CCS系統中。在CCS中通過“與”“或”“2oo3”等邏輯門組成的邏輯關系將超速保護和各類聯鎖信號合并為汽輪機停機聯鎖信號后，通過CCS的3套冗余的DO卡輸出到現場3個跳車電磁閥，如現場是4電磁閥或2電磁閥方案，則相應增加或是減少輸出的DO信號和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場跳車電磁閥，所以需通過CCS系統做各聯鎖信號的集成。將來自于MMS系統的振動、位移、軸溫、等信號，來自于電子超速保護的速度信號及自身系統內的潤滑油壓力、密封氣流量等信號集成到CCS內。集成后通過一套聯鎖邏輯方案輸出一套總的跳車信號，且此信號分別直接驅動現場一套跳車電磁閥，不經過中間繼電器等元器件。此種設置，DO卡件和輸出板的輸出功率需要能夠滿足電磁閥的要求。

此方案具備信號線路簡單、直接等優點，也可滿足安全需求，在項目中應用較普遍。但如果DO卡和輸出板上還帶有其他DO輸出信號的話，需注意整個DO板卡輸出功率可能會接近其最大輸出功率，此時會存一定的誤動作隱患[4]。

2.2 匯總到CCS系統，由DO板卡驅動中間繼電器，控制電磁閥的電源信號

無論DO卡輸出功率是否過大仍可考慮一種優化的方案。將DO卡件輸出的跳車信號直接驅動電磁閥，優化為驅動一套中間安全繼電器。中間安全繼電器接入在現場跳車電磁閥的驅動電源線路中，DO信號通過控制中間繼電器，間接控制跳車電磁閥動作。跳車電磁閥的驅動信號可來源于一套獨立的24V冗余電源，此方案中的繼電器可使用達到SIL3級別的繼電器。通過一套硬件線路配置實現3個中間繼電器與跳車電磁閥動作之間的2oo3的要求，一個繼電器的故障不會引起誤動作或是不動作。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，但通過合理線路配置后，可將中間繼電器的誤動作降低足夠安全的概率上。因為此方案的DO卡件不在作為直接驅動信號，也就不需要配置和電磁閥一樣的數量，但為保證安全性和繼電器的配合使用，可統一標準、設置為3個（圖5）。

圖5 跳車閥控制邏輯方案2

經過優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。但上訴兩個方案中，仍存在一個較大問題：經CCS集成后的方案，電子超速保護系統失去了獨立性的要求，并不完全符合API的要求，由此仍需一種能夠完全獨立的方案。

3 超速保護系統的獨立性方案

在API612中對電子超速保護系統是有明確獨立性要求的，但對獨立性的解釋并不明確。導致出現上述控制方案的產生。從理論上講的獨立性要求應該是傳感部分，邏輯部分、執行部分都是獨立的，才算是真正意義的獨立系統。顯然有些方案不算是獨立的方案，但通過對上述的方案進行優化和綜合，可優化出一套完全獨立的電子超速保護系統的工程方案[5]。

跳車電磁閥的獨立設置方案。現場設置2套2oo4的配置方案。一套作為CCS的輸出跳車信號的執行機構。一套作為電子超速保護系統的跳車執行機構（圖6）。

圖6 2套2oo4電磁閥配置方案

跳車電磁閥驅動信號獨立設置方案。設置2套中間繼電器。電子超速保護系統的卡件輸出到對應的一套中間繼電器RA/RB/RC。機組保護系統的卡件輸出到對應的一套中間繼電器RD/RE/RF。兩套中間繼電器通過硬件線路，使得繼電器與跳車電磁閥動作是2oo3邏輯關系（圖7）。

圖7 超速保護獨立于機組系統的邏輯控制方案

通過圖7可看出，此方案實現了電子超速保護系統的絕對獨立。電子超速保護系統和機組保護系統分別實現了對跳車動作的獨立控制能力。通過增加少許設備，使得整個機組系統的安全性和實用性大幅提高。整個系統更合理，將隱患降到了最低。