CN111810300A

CN111810300A - 燃气轮机保护装置

Info

Publication number: CN111810300A
Application number: CN202010635007.6A
Authority: CN
Inventors: 刘炯; 吴志方; 郑婷; 邹勇
Original assignee: Dongfang Electric Automatic Control Engineering Co ltd
Current assignee: Dongfang Electric Automatic Control Engineering Co ltd
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2040-07-03
Also published as: CN111810300B

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机保护装置，包括三级保护装置回路，第一级保护装置回路用于对输入的燃气轮机停机信号进行分类，每一种类别对应设置一种继电器回路结构，分类后的燃气轮机停机信号通过对应的继电器回路结构处理后输入到第二级保护装置回路；第二级保护装置回路用于对第一级停机处理信号进行汇总处理，输出继电器常带电信号或停机失电信号；第三级保护装置回路为停机输出主回路回路，用于接收第二级保护装置回路输出的停机失电信号。采用本发明可将风险降低到可以接受的水平，并减少负面影响，同时实现了风险规避失败后的保护。

Description

燃气轮机保护装置

技术领域

本发明涉及燃气轮机保护领域，尤其涉及一种基于功能安全的燃气轮机保护装置。

背景技术

燃气轮机的发展代表着国家重大装备制造业的总体水平，是国家高新技术与科技实力的重要标志之一。目前，世界上只有美、英、俄、德、法、日等少数国家具备独立研制燃气轮机的能力。在燃气轮机关键技术中，保护方法的设计也显得尤为重要，保护方法应至少具有避免因非正常运行工况下可能引起设备的损坏和在危险运行工况下燃气轮机机组跳闸停机功能。目前，国外不同的燃气轮机制造厂商都有自己配套的保护方法，国内针对自主知识产权的燃气轮机保护方法目前还是空白。

在现有技术中，不同燃气轮机制造商的保护方法都是采用控制器、IO模块、软件平台的方式实现。其最重要的功能是避免“误动”和“拒动”误动是在不该停机的时候由于某种原因使得保护系统发出了停机指令，拒动是该发生停机指令的时候系统没有发出停机指令；误动将会带来经济损失，拒动可能会引发重大安全事故。传统的保护方法是系统检测到停机保护项时，才触发保护动作（例如当燃气探测器检测到燃气泄漏时，立即触发停机保护，将燃气关断阀关闭，燃气排放阀打开），这种保护方法是依靠被动的保护措施来实现的，无法实现主动保护功能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有燃气轮机保护技术中存在的上述问题，提供一种燃气轮机保护装置。采用本发明，在检测到潜在的触发停机的危险情况时触发保护，以防止发生危险事件或提供缓解措施以减少危险事件的后果；且在危险没有规避的情况下再触发直接的保护动作；因而采用本发明可将风险降低到可以接受的水平，并减少负面影响，同时实现了风险规避失败后的保护。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种燃气轮机保护装置，其特征在于：包括三级保护装置回路，第一级保护装置回路用于对输入的燃气轮机停机信号根据燃气轮机保护工艺进行分类，每一种类别对应一种继电器回路结构，经过分类后的燃气轮机停机信号通过对应的继电器回路结构处理后输入到第二级保护装置回路；第二级保护装置回路用于对第一级停机处理信号进行汇总处理，输出继电器线包常带电信号或停机失电信号；第三级保护装置回路为停机输出主回路，用于接收第二级保护装置回路输出的继电器线包停机失电信号。

所述保护装置由电源回路供电，电源回路包括两套冗余设计的继电器24VDC电源，每套冗余电源由两个电源模块组成，第一套冗余电源用于给保护系统一级处理回路中的第一级输入继电器提供电源，第二套冗余电源用于给保护系统一级处理和保护系统二级处理回路中的第二级输入继电器提供电源。

所述第一级保护装置回路将保护停机信号分为四个类别：三点、两点或、两点与、三点+条件；第二级保护装置回路设置继电器带电/失电翻转，正常情况下总输出TR继电器带电，失电停机；第三级保护装置回路设置四个类别：TCS停机、安全油建立请求、TR停机和电源丢失停机。

所述三点对应的继电器回路结构为三取二回路，三取二主回路中设置自锁回路，继电器1-1.1-2.1-3常开触点串联送出停机事件记录至其他系统，继电器1-5.1-6.1-7的常开触点送出停机项至第二级保护装置。

所述“两点或”对应的继电器回路结构为四取二回路，四取二回路中设置自锁回路，继电器2-1.2-2的常开触点串联，继电器2-3.2-4的常开触点串联，四副触点中间短接，继电器2-1.2-3的常开触点分别送出停机事件记录至其他系统，继电器2-5.2-6.2-7的常开触点送出停机项至第二级保护装置。

所述“两点与”对应的继电器回路结构为四取二回路，四取二回路中设置自锁回路，继电器3-1.3-3的常闭触点串联，继电器3-2.3-4的常闭触点串联，四副触点中间短接，继电器3-1.3-3常闭触点分别送出停机事件记录至其他系统，继电器3-5.3-6.3-7的常开触点送出停机项至第二级保护装置。

所述三点+条件对应的继电器回路结构为三取二回路，条件与停机项采用串联的方式，三取二主回路中设置自锁回路，继电器4-1.4-2.4-3常开触点串联送出停机事件记录至其他系统，继电器4-5.4-6.4-7的常开触点送出停机项至第二级保护装置。

所述第二级保护装置回路设置停机自锁回路，还设置有六个IR1~IR6中间继电器，中间继电器的常闭触点分为三条支路至输出继电器TR，TR正常情况带电，触发停机时失电。

所述第三级保护装置回路包括四条主回路，每条主回路设置5种节点，分别是TCS停机、安全油建立请求、2个TR停机和电源丢失停机；电源丢失停机设置八只继电器触点，其中继电器PW1.PW2.PW3.PW4的触点为一组，串入SV1和SV2；继电器PW5.PW6.PW7.PW8的触点为一组，串入SV3和SV4；PW1触点与PW3触点串联，PW2触点与PW4触点串联，两条串联回路之间增加桥型连接； PW5触点与PW7触点串联，PW6触点与PW8触点串联，两条串联回路之间增加桥型连接。

所述第一级保护装置回路中设置有复位回路，复位通过复位按钮驱动安全继电器，安全继电器辅助触点接入第一级保护装置回路中的各个停机回路，在第二级保护装置回路的总回路上设置总出口复位回路，通过继电器“复位5”实现。

采用本发明的优点在于：

一、本发明中，设计纯继电器执行回路，一定程度上摆脱系统软件的束缚，不受燃气轮机制造厂商的垄断。

二、本发明中，针对燃气轮机的安全运行要求，该设计装置达到SIL3安全等级，为机组安全稳定运行提供可靠的保障。

三、本发明中，将燃气轮机保护装置继电器执行回路的处理分成三级，每一级回路的功能互相独立，减小影响因子的同时便于维护。

附图说明

图1是第一级保护装置回路采用三点、两点或的结构原理图；

图2是第一级保护装置回路采用两点与、三点+条件的结构原理图；

图3是复位回路、电源回路的结构原理图；

图4是第二级保护装置回路的结构原理图；

图5是第三级保护装置回路的结构原理图。

具体实施方式

实施例1

一种燃气轮机保护装置，包括三级保护装置回路，第一级保护装置回路用于对输入的燃气轮机停机信号根据燃气轮机保护工艺进行分类，每一种类别对应一种继电器回路结构，经过分类后的燃气轮机停机信号通过对应的继电器回路结构处理后输入到第二级保护装置回路；第二级保护装置回路用于对第一级停机处理信号进行汇总处理，输出继电器线包常带电信号或停机失电信号；第三级保护装置回路为停机输出主回路，用于接收第二级保护装置回路输出的继电器线包停机失电信号。

所述第三级保护装置回路包括四条主回路，每条主回路设置5种节点，分别是TCS停机、安全油建立请求、2个TR停机和电源丢失停机。电源丢失停机设置八只继电器触点，其中继电器PW1.PW2.PW3.PW4的触点为一组，串入SV1和SV2；继电器PW5.PW6.PW7.PW8的触点为一组，串入SV3和SV4；PW1触点与PW3触点串联，PW2触点与PW4触点串联，两条串联回路之间增加桥型连接； PW5触点与PW7触点串联，PW6触点与PW8触点串联，两条串联回路之间增加桥型连接。

实施例2

本实施例结合附图对本发明做进一步说明。

图1、图2保护方法一级处理，该部分是对保护停机项的输入处理，将燃气轮机保护停机分为四种类别，分别是三点、两点（或）、两点与、三点+条件。图1中的三点，针对现场或其他设备触发的保护停机项，例如润滑油压力低停机。为提高可靠性，采用三点输入，经过中间继电器1-1.1-2.1-3进行三取二判断以保证信号可靠，三取二驱动中间继电器1-5.1-6.1-7将停机信号传入保护装置回路二级处理。在该部分对信号扩展三取二目的为防止停机信号的干扰以及便于停机后事故分析，通过继电器1-5实现自锁回路，保护停机后，人为复位清除停机项。为了将停机事件纪录，将继电器1-1.1-2.1-3的常开触点以串联的方式送出停机事件记录，触点采用串联的设计方式的目的为当触发保护停机时，如果三个停机信号中有任何一个未触发，在不影响机组保护停机的情况下提示运行人员，有一个信号有异常，检查对应的回路，清除输入三点中的某一点故障。

图1中的两点（或），针对现场或其他设备触发的停机项，比如采用停机按钮进行停机，采用两点输入，经过中间继电器2-1.2-2、2-3.2-4进行四取二判断以保证可靠性。两点输入信号中，任何一个信号触发，即触发停机，输入为常开触点，继电器2-1.2-2、2-3.2-4的辅助触点均为串联，四副触点中间短接。四取二驱动中间继电器2-5.2-6.2-7将保护停机信号传入保护装置回路二级处理。在该部分四取二为防止停机信号的干扰以及便于停机后事故分析，通过继电器2-5实现自锁回路，保护停机后，人为复位清除停机项。同时，为了将停机事件纪录，将继电器2-1.2-3的常开触点分别送出停机事件记录，当触发保护停机时，如果两个停机信号中有任何一个未触发时，在不影响机组保护停机的情况下提示运行人员，有一个信号有异常，检查对应的回路，清除输入两点中的某一点故障。

图2中的两点（与），针对现场或其他设备触发的停机项，例如电源故障停机，采用两点输入，经过中间继电器3-1.3-2.3-3.3-4进行四取二判断以保证设备可靠。两点同时触发，即触发停机，输入为常闭触点，继电器3-1.3-3的常闭触点串联，继电器3-2.3-4的常闭触点串联，四副触点中间短接。四取二驱动中间继电器3-5.3-6.3-7将信号传入保护装置回路二级处理。在该部分四取二为防止停机信号的干扰以及便于停机后事故分析，通过继电器3-5实现自锁回路，保护停机后人为复位清除停机项。同时，为了将停机事件纪录，将3-1.3-3继电器常闭触点分别送出停机事件记录，当触发停机时，可以记录两个点触发的先后时序，方便事故分析。图2中的三点+条件，是针对现场某种设备加上其他条件触发的保护停机项，例如安全油压力低停机，在机组开机之前，安全油并未建立，压力低停机一直存在，这时又不希望因保护项存在，机组不能开机，就需要加入这种附加条件，条件与保护停机项采用串联的方式，采用三点输入，经过中间继电器4-1.4-2.4-3进行三取二判断，三取二的目的是保证设备可靠，三取二驱动中间继电器4-5.4-6.4-7将信号传入保护装置回路二级处理。在该部分三取二种为防止停机信号的干扰以及便于停机后事故分析，通过继电器4-5实现自锁回路，保护停机后人为复位清除停机项。同时，为了将停机事件纪录，将继电器4-1.4-2.4-3常开触点串联的方式送出停机事件记录，采用串联的设计方式，当触发停机时，如果三个停机信号中有任何一个未触发，在不影响机组保护停机的情况下提示运行人员，有一个信号有异常，检查对应的回路，清除输入三点中的某一点故障。

图3是保护装置回路中的复位回路、电源回路的设计方法。为了锁定停机项以及方便运行人员在停机后事故分析，保护装置回路第一级处理回路中引入了复位回路，复位通过复位按钮驱动安全继电器，继电器辅助触点接入各个停机回路，同时在二级处理的总回路上设置总出口复位回路，通过继电器“复位5”实现。发生停机事件后，锁定停机回路，当停机项消失，再次启动机组前，必须人为按下复位按钮后方能清除保护停机回路，增加人为确认，确保设备安全。该保护装置回路采用纯继电器回路，保证继电器回路的电源的持续性是尤为重要，保护装置回路中第一级，第二级中的继电器都来自不同电源，本方法设置两套冗余的电源，第一套冗余电源由两个电源模块01A和01B块组成，经过二极管耦合，任意一个电源模块故障都不会影响继电器回路电源的输出，电源24VDC冗余电源1主要给第一级输入继电器提供电源。第二套电源由两个电源模块02A和02B块组成，经过二极管耦合，任意一个电源模块故障都不会影响电源的输出，该电源24VDC冗余电源2主要给第一级输入三取二继电器以及保护方法二级处理的继电器提供电源。设置两组电源的监控继电器PW1.PW2.PW3.PW4.PW5.PW6.PW7.PW8将电源监控纳入保护方法第三级主回路，任何一组电源丢失，都将触发保护停机，保障机组安全运行。

图4是保护装置回路二级处理的设计方法。二级处理为一级处理中各个类别保护停机项汇总处理，基于三重化冗余容错的输出设计方案。每一种停机项在这部分完成三取二，驱动中间继电器IR1.IR2.IR3.IR4.IR5.IR6。为符合人们常规思维方式，输入类别为三点，两点或，三点+条件，为常开触点，即机组正常运行时，输入触点不闭合，当触发停机项时，触点闭合，即中间继电器1-5.1-6.1-7或2-5.2-6.2-7或4-5.4-6.4-7带电，二级回路中与之相关的触点闭合。输入类别为两点与，为常闭触点，即机组正常运行时，输入触点闭合，当触发停机项时，触点断开，即中间继电器3-1.3-2.3-3.3-4失电，继电器3-5.3-6.3-7带电，二级回路中与之相关的触点闭合。二级回路不管输入是什么样的类别，中间继电器IR1.IR2.IR3.IR4.IR5.IR6带电停机。为提高设备可靠性，在二级回路中设计了继电器带电与失电的翻转，取继电器IR1.IR2.IR3.IR4.IR5.IR6的常闭触点，驱动中间继电器TR1.TR2.TR3.TR4.TR5.TR6.TR7.TR8，再将其辅助触点引入保护方法三级主回路中，即正常情况下TR1~TR8都带电，当有保护停机项触发时，TR1~TR8失电，实现最终出口继电器的“失电停机”。

图5是保护装置回路三级处理的设计方法。该三级为保护方法最终出口，保护装置回路出口设置了4个停机电磁阀，分别是SV1.SV2.SV3.SV4。正常情况下SV1~SV4都处于带电状态，保护方法动作的本质是让SV1.SV2.SV3.SV4失电。为保证设备可靠，SV1~SV4为冗余设计，任何一个电磁阀故障都不会影响机组运行，设置SV1.SV3为一组，SV2.SV4为一组，SV1.SV3或SV2.SV4都失电不会影响机组运行，降低误动概率。基于分组，对于主回路电磁阀电源设置两路冗余110VDC电源，一组给SV1和SV3供电，另外一组给SV2和SV4供电，任何一路电源丢失都不影响机组运行，避免机组“误跳”。为控制电磁阀的带电和失电，在主回路上设置了TCS停机，安全油建立请求，TR停机，电源停机四大类别，其中TR停机来自保护方法的二级输出，这是保护项中的重要组成部分，为保证设备可靠动作，采用TR两点冗余触点设计，防止某个TR继电器故障时带来的“拒动”。主回路单独设置TCS停机，TCS是指燃气轮机控制系统，燃气轮机控制系统是整个燃气轮机中重要的系统，由TCS发出的保护停机指令设置7点，其中3点（常开触点）划入保护项一级处理中的“三点”，通过TR进入停机电磁阀主回路，确保机组停机。此处为另外4点（常闭触点），直接并入停机电磁阀主回路，增加冗余设计，保证保护方法可靠动作。安全油建立请求为燃气轮机独有，该功能为预留功能。设置此功能的目的是增加人为干预，此功能可根据机组情况，灵活选择，当没有此功能时，只要无保护停机项，电磁阀就会带电，由于燃气轮机运行工艺，某些时候需要接入这个请求功能。电源丢失停机为图3中两组冗余电源的监控，电源丢失停机通过八只电源监视继电器（PW1~PW8）的触点组合设计来实现保护方法可靠动作。其中PW1.PW2.PW3.PW4为一组，串入SV1和SV2。PW5.PW6.PW7.PW8为一组，串入SV3和SV4。对于PW1~PW4采用PW1触点与PW3触点串联，PW2触点与PW4触点串联，两条串联回路之间增加桥型连接。对于PW5~PW8采用PW5触点与PW7触点串联，PW6触点与PW8触点串联，两条串联回路之间增加桥型连接。上述两组的分配方式以及串联的方式都是为了提高保护方法的可靠性，相比其他保护方法的设计，该系统更加安全稳定。

Claims

1.一种燃气轮机保护装置，其特征在于：包括三级保护装置回路，第一级保护装置回路用于对输入的燃气轮机停机信号根据燃气轮机保护工艺进行分类，每一种类别对应一种继电器回路结构，经过分类后的燃气轮机停机信号通过对应的继电器回路结构处理后输入到第二级保护装置回路；第二级保护装置回路用于对第一级停机处理信号进行汇总处理，输出继电器线包常带电信号或停机失电信号；第三级保护装置回路为停机输出主回路，用于接收第二级保护装置回路输出的继电器线包停机失电信号。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机保护装置，其特征在于：所述保护装置由电源回路供电，电源回路包括两套冗余设计的继电器24VDC电源，每套冗余电源由两个电源模块组成，第一套冗余电源用于给保护系统一级处理回路中的第一级输入继电器提供电源，第二套冗余电源用于给保护系统一级处理和保护系统二级处理回路中的第二级输入继电器提供电源。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机保护装置，其特征在于：所述第一级保护装置回路将保护停机信号分为四个类别：三点、两点或、两点与、三点+条件；第二级保护装置回路设置继电器带电/失电翻转，正常情况下总输出TR继电器带电，失电停机；第三级保护装置回路设置四个类别：TCS停机、安全油建立请求、TR停机和电源丢失停机。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机保护装置，其特征在于：所述三点对应的继电器回路结构为三取二回路，三取二主回路中设置自锁回路，继电器1-1.1-2.1-3常开触点串联送出停机事件记录至其他系统，继电器1-5.1-6.1-7的常开触点送出停机项至第二级保护装置。

5.根据权利要求3所述的燃气轮机保护装置，其特征在于：所述“两点或”对应的继电器回路结构为四取二回路，四取二回路中设置自锁回路，继电器2-1.2-2的常开触点串联，继电器2-3.2-4的常开触点串联，四副触点中间短接，继电器2-1.2-3的常开触点分别送出停机事件记录至其他系统，继电器2-5.2-6.2-7的常开触点送出停机项至第二级保护装置。

6.根据权利要求3所述的燃气轮机保护装置，其特征在于：所述“两点与”对应的继电器回路结构为四取二回路，四取二回路中设置自锁回路，继电器3-1.3-3的常闭触点串联，继电器3-2.3-4的常闭触点串联，四副触点中间短接，继电器3-1.3-3常闭触点分别送出停机事件记录至其他系统，继电器3-5.3-6.3-7的常开触点送出停机项至第二级保护装置。

7.根据权利要求3所述的燃气轮机保护装置，其特征在于：所述三点+条件对应的继电器回路结构为三取二回路，条件与停机项采用串联的方式，三取二主回路中设置自锁回路，继电器4-1.4-2.4-3常开触点串联送出停机事件记录至其他系统，继电器4-5.4-6.4-7的常开触点送出停机项至第二级保护装置。

8.根据权利要求3所述的燃气轮机保护装置，其特征在于：所述第二级保护装置回路设置停机自锁回路，还设置有六个IR1~IR6中间继电器，中间继电器的常闭触点分为三条支路至输出继电器TR，TR正常情况带电，触发停机时失电。

9.根据权利要求3所述的燃气轮机保护装置，其特征在于：所述第三级保护装置回路包括四条主回路，每条主回路设置5种节点，分别是TCS停机、安全油建立请求、2个TR停机和电源丢失停机；电源丢失停机设置八只继电器触点，其中继电器PW1.PW2.PW3.PW4的触点为一组，串入SV1和SV2；继电器PW5.PW6.PW7.PW8的触点为一组，串入SV3和SV4；PW1触点与PW3触点串联，PW2触点与PW4触点串联，两条串联回路之间增加桥型连接； PW5触点与PW7触点串联，PW6触点与PW8触点串联，两条串联回路之间增加桥型连接。

10.根据权利要求3所述的燃气轮机保护装置，其特征在于：所述第一级保护装置回路中设置有复位回路，复位通过复位按钮驱动安全继电器，安全继电器辅助触点接入第一级保护装置回路中的各个停机回路，在第二级保护装置回路的总回路上设置总出口复位回路，通过继电器“复位5”实现。