JP4673358B2 - 設備のための保護システムならびに保護システムの検査のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念事項による保護システムおよび保護システムの検査のための方法に関する。

設備のための電気的ならびに電子的な保護システムは公知である。例えば、電気液圧式の操作および開閉駆動装置を装備した緊急遮断弁またはバイパス弁を有するターボセットのための保護システムは公知である（例えば、特許文献１参照）。駆動装置は電気的な制御信号を受信する手段を有し、それによってターボセットの弁またはその他の操作機構が操作される。この場合に制御信号は、場合によっては増幅器の中間回路を介して、電気的な保護システムの一部である装置システムによって発生させられる。可用性を高めるために、装置システムは、それぞれ入／出力端末装置を備えた２つの同一のプログラム可能な中央ユニットからなる。入／出力は、要求に応じて、１チャンネルまたは冗長性の理由から２チャンネルの構成とされる。装置の両内部バスは常にフェールセーフのコンパレータモジュールを介して不等価性を監視される。不等価である場合にはシステムエラーが存在し、システムエラーは設備における安全弁等の装備の制御を遮断し、それによって設備が保護される。

入力はターボセットの運転時に検出される動作パラメータであり、これらは２つのグループに分けることができる。すなわち、一方は強くスピードが重視される保護基準のグループであり、他方はあまりスピードが重視されない保護基準のグループである。保護システムには、これらの保護基準のそれぞれについて、保護回路が設けられている。

強くスピードが重視される保護基準とは、測定値が許容範囲外にある場合に自発的かつできるかぎり迅速な応答、すなわち遮断を必要とする保護基準であると理解される。これらの基準には、ターボセットの回転数、発電機ブロック保護および圧縮機ポンプ監視が含まれる。ここに挙げた基準においては、応答が、障害発生後最大５０ミリ秒以内に行なわれるべきである。言い換えれば、設備を危険にさらす動作状態は、その発生後に保護システムによって認識されて、確実に５０ミリ秒以内に、保護システムによって作動させられる設備の緊急遮断をもたらすべきである。この過程はトリップと呼ばれる。

あまりスピードが重視されない保護基準は、長い応答時間を許容する障害を持つ動作パラメータを含む。あまりスピードが重視されない保護基準についての例は、軸受油圧、タービン温度保護、軸受振動および軸受温度である。これらの場合、５０ミリ秒よりも明らかに大きい応答時間が容認できる。

最大５０ミリ秒の短い応答時間を守るために、従来では装置システムとしてプログラム可能な自動化システムが使用された。このシステムは信号の中断処理を行なうことができる。この中断処理は、強くスピードが重視される保護基準、すなわち設備の非常に重要な動作パラメータのために用意された。中断処理によって、要求される応答時間を保証することができる。なぜならば、これによって、強くスピードが重視される保護基準の信号を自動化システムによって優先的に（優先順位をつけて）処理することができるからである。したがって、自動化システムにおける内部に記憶されたプログラム経過の無限に実行される命令は中断信号発生後にただちに遮断される。結果として、自動化システムと操作機構もしくはそれの電気制御部との間に他の制御構成要素が介挿されなければならないということなく、強くスピードが重視されるタービン保護回路の実現がこの種の自動化システムにより可能である。

そうこうしているうちに、自動化システムの現在市販されている新しい後継システムは、非常に重要な動作パラメータの中断処理の可能性を提供していない。したがって、強くスピードが重視されるこれらの保護基準は、この種の自動化システムの使用時にもはやこれによって優先順位がつけられて実行されることができず、プログラム可能な自動化システムにおいて内部に記憶されたプログラム経過がこれを用意している場合にはじめて実行されることができる。中断処理なしの自動化システムを使用する場合には、要求されるターボセットの保護のための応答時間を確実に守ることができず、それによって中断処理なしの自動化システムは前述の種類の保護システムへの使用には不適切であると思われる。

プログラム可能なフェールセーフの自動化システムの使用の代わりに、強くスピードが重視される保護基準およびあまりスピードが重視されない保護基準のためのフェールセーフの保護回路を純粋なリレーモジュールによって構成することも公知である。リレーモジュールは、多数のリレーが保護回路を形成するために互いに配線されている電気回路である。これらのリレーモジュールは確かに要求される応答時間を達成するが、しかし診断情報開示度が不十分である。このことは、リレーモジュールもしくはリレーモジュールの相互接続において発生する例えば電位短絡の如き誤りが不十分にしか検出できないことを意味する。リレーモジュールのこの僅かな診断情報開示度のゆえに、リレーモジュールは、手動により行なわれる繰り返えされる検査によって健全性がチェックされなければならない。検査は一般にターボセットの発電所使用者の義務であり、しかもこれは遮断されたターボセットにおいてしか行なうことができない。繰り返えされる手動による検査は、細心の注意および発電所使用者の専門知識に対する高度の要求を意味し、繰り返される検査のための条件は、既にそうでなくとも少ないリレーモジュール使用の容認を更に悪化させる。
独国特許出願公開第３３０９４３１号明細書

したがって、本発明の課題は、中断処理なしの自動化システムの使用のもとで設備の緊急遮断のための短い応答時間を持っている設備のための保護システムを提供することにあり、そして特に要求されるメンテナンスが最小限になるように保護システムを構成しようとするものである。更に、特に要求されるメンテナンスが最小限であってかつメンテナンスに便利である保護システムの検査のための方法を提供しようとするものである。

保護システムに向けられた課題は、請求項１の特徴事項による方法による保護システムによって解決される。

冒頭に述べた如き保護システムにおいて、少なくとも１つの制御リレーを有する制御リレー回路が設けられ、制御リレー回路を介して他の動作パラメータが負荷制御ユニットに転送可能であり、制御リレー回路が自動化システムによって検査可能である。設備のあまりスピードが重視されない保護基準が第１の動作パラメータであり、設備の強くスピードが重視される保護基準が他の動作パラメータであるとよい。

本発明は、更にまた設備の操作機構に作用を及ぼすために、他の動作パラメータ、とりわけ強くスピードが重視される保護基準を、自動化システムを介してではなくて、それの代わりに制御リレー回路を介してもたらすならば、中断処理のない自動化システムの使用にもかかわらず、要求される５０ミリ秒以下の非常に短い応答時間を守ることができるという認識に基づく。それゆえ、５０ミリ秒よりも長い応答時間要求を有する保護回路は自動化システムを介してもたらされる。したがって、これは、あまりスピードが重視されない保護基準に適用される。５０ミリ秒以下の応答時間要求を有する保護回路のために、すなわち強くスピードが重視される保護基準のために、制御リレー回路が設けられている。

強くスピードが重視される保護基準のためにのみ、少なくとも１つの制御リレーを有する制御リレー回路の使用ならびにそれらの保護回路としての電気配線が設けられている。あまりスピードが重視されない保護基準は中断処理のない自動化システムによって検出され処理される。なぜならば、あまりスピードが重視されない保護基準にとって５０ミリ秒以内の最大限の速度での処理がどうしても必要というわけではないからである。しかしながら、制御リレー回路は固有の診断情報明細を持っていないために、自動化システムはフェールセーフに構成されていて、制御リレーの機能も制御リレーの配線も自動化システムによって検査可能であるように制御リレー回路と接続されている。

手動の検査の代わりに、今やフェールセーフの自動化システムによって行なわれる自動検査が用意されている。この検査は、低コストであって僅かな費用にて行なうことができる。検査は自動化システムによって周期的に行なうこともできる。検査の間において発生し得る制御リレー回路内における電気的誤りおよび電位短絡は速やかに検出可能であり、それによって設備の不必要な高速トリップもしくは起こり得る保護失敗を回避することができる。これは、使用者に対して、一方ではメンテナンスコストを、他方では不必要な高速遮断によって発生するであろうコストを節約させる。

全体として、誤りのタイムリーな認識および通報のためにリレー回路を誤りなく使用できることの保証がもたらされ、それによって設備の安全運転を保証することができる。誤りが発生する場合には、本発明による保護システムの使用および検査方法の実行によって適切な時機に誤りを認識して適切な措置によって取り除くことができる。

有利な発展形態は従属請求項に示されている。

強くスピードが重視される保護基準およびあまりスピードが重視されない保護基準の動作信号による負荷制御ユニットの統一のとれた制御を達成するために、自動化システムの信号出力と負荷制御ユニットとの間の結合が、このために他の制御リレーを有する制御リレー回路を介して間接的に行なわれる。

好ましくは、可用冗長性の形成のために、それぞれ１つのトリップ線を有する個別に制御可能な一対の負荷制御ユニットが設けられていて、一対の負荷制御ユニットがトリップ線をＯＲ結合様式にしたがって操作要素に結合する。このために、それぞれの保護回路の信号が別々の信号連鎖回路を介してそれぞれ両負荷制御ユニットの１つへ導かれる。設備の故障のない動作時には、バイアス電流の原理にしたがって、それぞれの負荷制御ユニットの入力に電圧信号もしくは電流信号が存在する。設備は、障害のある動作状態のために両トリップ線が応答した場合にのみ自動的に遮断される。これは、それぞれの負荷制御ユニットの入力の１つにおいて「無電圧」もしくは「無電流」なる信号をもたらし、それに基づいて操作要素が設備の遮断のために無電圧に切り替えられる。両トリップ線のうちの１つのみが応答した場合には、これは信号連鎖回路の１つにおける誤りを示唆する。保護回路のこの種の構成の使用によって誤トリップを回避することができる。

制御リレー回路が信号連鎖の一部として少なくとも１つのバイアス電流線を含み、バイアス電流線中に制御リレー回路の制御リレーの１つ以上の開閉要素が設けられていて、制御リレー回路のバイアス電流線が負荷制御ユニットの入力に接続されているとよい。バイアス電流原理に基づいて動作するバイアス電流線は、原理的に、強くスピードが重視される被監視動作パラメータとあまりスピードが重視されない被監視動作パラメータとの直列接続を可能にする。バイアス電流原理の使用によって、監視すべき動作パラメータが能動的に監視される。受動的な電気的もしくは電気機械的な誤りはバイアス電流線において発生時に直ちに認識可能であり、このことは発見されない誤りを回避する。

特に有利なやり方では、安全冗長性の形成のために、各負荷制御ユニットが入力側に２つの別々のバイアス電流線を有し、これらのバイアス電流線が負荷制御ユニットにおいてＡＮＤ結合様式にしたがって結合されている。このような構成により、制御リレー回路の安全性が著しく高められる。なぜならば、後続接続された負荷制御ユニットを介して所属のトリップ線を無電圧に切り替えるために、両バイアス電流線の一方だけが設備の故障動作を指示しなければならないからである。

保護システムが、それぞれ２つのバイアス電流線を有する２つのトリップ線を含む場合には、耐障害性の保護システムがもたらされる。バイアス電流線内の誤りは、保護システムの故障も保護機能の誤応答ももたらさない。更に、設備の運転中においてバイアス電流線および後続接続された負荷制御ユニットの誤りの検査が可能である。

他の実際的な構成によれば、制御リレー回路が、監視すべき動作信号ごとにかつバイアス電流線ごとにそれぞれ１つの制御リレーを有し、制御リレーがそれぞれ１つの励磁入力および少なくとも１つの開閉要素を含み、励磁入力が自動化システムのそれぞれの動作信号に属する信号出力に接続されていて、それらの開閉要素の１つがバイアス電流線中に設けられている。

各バイアス電流線について、１つの励磁入力および少なくとも１つの開閉要素を有する縦リレーが設けられているならば有利である。自動化システムによって予め与え得る検査信号をバイアス電流線に供給するために、開閉要素がそれぞれのバイアス電流線に設けられていて、励磁入力が自動化システムの信号出力に接続されている。この構成により、各バイアス電流線に個別に時間的に順々に検査信号を作用させることができる。検査信号はバイアス電流線中にある開閉要素の開路によって発生させられる。この場合に、縦リレーの開閉要素はバイアス電流線内の入力側に、つまり給電点と他の制御リレーの開閉要素との間に配置されている。この種の配置により、バイアス電流線の電流路全体、つまり給電点から負荷制御ユニットまでの電流路が検査可能である。電流路は、配線および制御リレーの開閉要素によって構成される。

有利な構成においては、自動化システムへの信号帰還のために、負荷制御ユニットの入力に直接に接続されている該当バイアス電流線出力部分が自動化システムの信号入力に接続されている。したがって、バイアス電流線から取り出される検査信号は、検査信号の供給点とこれの分岐点との間にある開閉要素ならびにそれの配線を検査することできるようにするために、できるだけ供給点から離れたところで自動化システムによって検出される。したがって、観察されるバイアス電流線の状態が全体として自動化システムによって監視可能である。

他の有利な構成では、自動化システムへの信号帰還のために、該当のトリップ線が自動化システムの信号入力に接続されている。特に、それにより検査信号が導き戻される。検査信号により負荷制御ユニットも制御されることから、検査信号の助けにより負荷制御ユニットの動作能力の検査も可能である。このためには、さらに操作要素に伝達される（検査）信号を自動化システムに評価のために供給すべく、トリップ線を自動化システムの信号入力の１つに接続すべきである。

トリップ線による非常に短いトリップ信号の場合に負荷制御ユニットの確実かつ持続的な遮断を保証し、かつ異なるバイアス電流線の信号の有り得る遅延を自動化システム内および制御リレー回路内の異なる動作時間によって補償して同期化するために、各バイアス電流線中にそれぞれ１つのトリップメモリが設けられている。トリップメモリは制御リレーの開閉要素と負荷制御ユニットとの間に配置されている。バイアス電流線に導かれた信号は、トリップメモリによって中間記憶され、特に「無電流」なる信号が中間記憶される。それは、保護システムの正常動作時にほんの僅かしか時間的にずれていない遮断パルスも設備の緊急遮断のトリップ判定のために考慮することを可能にするためである。

検査信号の発生後もトリップメモリがそれの状態を変えるために、トリップメモリは自動化システムのリセット信号によってもリセット可能であるべきである。検査信号の手動の受領返報はもはや必要でない。

検査段階の間における保護システムの規則どおりトリップの有り得ないケースについては、トリップメモリの自動的なリセットが阻止されるのが特に有利である。それにより、設備の規則どおりの遮断の自動的な受領返報が確実に回避される。このために、保護システム内には、上述の場合にトリップメモリのリセットを阻止するトリップ認識リレーおよびリセット釈放リレーが設けられている。可用冗長性の保護システムにおいては、これらのリレーの入力側がトリップメモリに後続配置されている負荷制御ユニットに属していないバイアス電流線に接続されている。というのは、これらのバイアス電流線の１つを介して、規則どおりの遮断信号が、操作要素をトリップの前にまだ供給電圧に接続していた負荷制御ユニットに導かれるからである。したがって、これらのバイアス電流線の１つにおけるバイアス電流の不足は規則どおりのトリップを指示し、これは同時にトリップメモリの自動的なリセットの阻止のために利用される。

保護システムの検査のための方法に向けられた課題は、制御リレー回路の検査が保護システムの自動化システムの１つによって実行されることによって解決される。保護システムはそうでなくてもフェールセーフの自動化システムを含むことから、自動化システムは保護システムのフェールセーフ部分として誤りを生じやすい部分、すなわち制御リレー回路を検査する。それゆえ、保護システムはそれのフェールセーフ機能においてそれの制御リレー回路に関しても例外のなく自動的に検査する。

とりわけ、この方法は請求項１乃至１３の１つに記載の保護システムにおいて実施可能である。保護システムが請求項４および５にしたがって構成されているならば、方法は、設備の運転中においても実施可能であり、バイアス電流線の１つの検査のために、動作ステップａ）乃至ｄ）が実行される。
ａ）検査すべきバイアス電流線に後続接続されていないトリップ線が操作要素に電圧を供給しているかどうかのトリップ線検査が行なわれ、
ｂ）操作要素へ電圧が供給されている場合に、自動化システムによって、検査すべきバイアス電流線について、検査信号がｔ＝０秒において制御リレーの１つにより発生させられ、
ｃ）バイアス電流線の信号経過またはトリップ線の信号経過が自動化システムによって検出され、そして
ｄ）自動化システムによって、検出された信号経過の時間的評価により制御リレー回路の状態が検出されること。

制御リレー回路の誤りのない状態においては、できるだけ給電点に近いところでバイアス電流線に供給された検査信号が伝播し、要求された最大時間内にバイアス電流線の出力側で、すなわち負荷制御ユニットの手前で自動化システムによって検出されるべきである。とりわけ、検査信号発生は自動化システムによる縦リレーの制御によって行なわれるべきである。検査信号の走行時間が最大時間を必要とすべきならば、制御リレー回路の誤りのある状態に原因があり、このことは相応の故障警報の結果となり、メンテナンス措置を必要とする。自動化システムが予め与えられた最大時間内に制御リレー回路から検査信号返報を受信した場合には、検査されたバイアス電流線は故障なしとして評価することができる。

検査開始と、帰還される検査信号が自動化システムによって適切な時機に検出されたか、それとも遅れて検出されたかの時点との間の最大時間は、０．５秒、特に０．３秒であるとよい。

保護システムが安全冗長性および可用冗長性（耐障害性）に構成されているかぎり、バイアス電流線の１つの検査は設備の運転中にも実施可能である。一般にはバイアス電流線の検査を半年周期で実施することで十分である。ガスタービン設備が６か月より長く遮断なしに運転されることは非常にまれであることから、制御リレー回路の誤りのない配線および動作の保証のためには、設備の始動段階または停止段階の期間中に検査を実施することで一般に十分である。他のターボセットまたは動作様式については、より短いまたはより長い周期も考えられ得る。安全冗長性および可用冗長性の保護システム設計のおかげで、バイアス電流線の１つにおける検査信号の降下が設備の緊急遮断を招くことはない。設備の緊急遮断のためには、バイアス電流線の２つが等価の遮断信号（「無電流」）を持たなければならず、これらの２つのバイアス電流線がそれぞれ、対の両制御リレー回路に作用しなければならない。それゆえ、必要ならば検査は原理的にターボセットの運転中にも行なうことができる。検査により制御リレー回路に誤りが発見されたとすると、この誤りは設備の運転中にも取り除くことができる。

本発明の有利な実施例を図面に示し、以下の記述において更に詳細に説明する。

図１に、設備のためのフェールセーフで高可用性の保護システムの概略的な回路が示されている。

図１は、図示されていない設備のための電気保護システム１０の部分的な概略回路図を示す。設備は、例えばターボセットまたはガスタービン設備であってよい。以下においてはガスタービンの保護システムが説明されている。

保護システムの一般的課題は、ガスタービン設備の運転中に動作パラメータを検出し、場合によっては故障をともなう動作状態が存在する際にガスタービン設備を可能な限り速やかに遮断することにある。この可能な限り速やかな予定外の遮断は、一般に緊急遮断と呼ばれ、あるいはトリップとも呼ばれる。

保護システム１０は、部分的に相反する２つの要求をできるだけ最適に満たさなければならない。一方では高いトリップ安全性、すなわち故障時におけるガスタービン設備の規則に適った遮断が要求され、他方では電気保護システム１０が不要な誤トリップおよび誤遮断を回避するために高い可用性を有するべきである。

保護システム１０は、それぞれ多数の機能ブロックに分けて示された２つの自動化システム１２，１４を含む。自動化システム１２は、遮断処理が可能でないフェールセーフの自動化システム１２であって、あまりスピードが重視されないがフェールセーフである保護基準のために設けられている。これに対して、自動化システム１４はフェールセーフでない自動化システム１４である。というのは、自動化システム１４によっては、あまりスピードが重視されない保護基準のみの信号がフェールセーフでない処理をされるからである。

安全性の理由から各自動化システム１２，１４は冗長設計された２つの自動化装置を含み、これらの区別のために自動化システム１２，１４の符号はサフィックス「ｘ」および「ｙ」を備えている。

ガスタービン設備の遮断は、燃料管１６内に配置されている少なくとも１つの弁１８の閉によって行なわれる。弁が総合供給管に設けられている場合には、燃料供給が遮断される。しかしながら、一般的にはガスタービン設備は燃焼器ごとに別々の燃料管１６を有するので、各燃料管内にはそれぞれ１つの弁１８が介挿されている。ガスタービン設備の遮断のためには、全ての弁１８が閉じられるべきである。しかしながら、簡明性の理由から図１には弁１８のうち１つのみが示されている。

弁１８およびそれの電気制御部は、保護システムのための操作要素２６であり、この操作要素は負荷制御ユニット２０によって制御することができる。用意された実施形態では、負荷制御ユニット２０はフェールセーフの弁開閉増幅器として構成されている。

可用性冗長化のために各弁１８に対して一対の個別制御可能な負荷制御ユニット２０ａ，２０ｂが設けられている。図示の対の個々の負荷制御ユニット２０の区別のために、符号２０はサフィックス「ａ」および「ｂ」を有する。明示的な負荷制御ユニットを引き合いに出さない場合には、これを単に２０にて示す。

負荷制御ユニット２０ａの出力側はトリップ線２２を介して、負荷制御ユニット２０ａの出力側はトリップ線２４を介して操作要素２６に接続されている。両負荷ユニット２０はＯＲ結合様式にしたがって操作要素２６と接続されている。両負荷制御ユニットの少なくとも一方２０ａ（または２０ｂ）がトリップ線の一方２２（または２４）を介して供給電圧を操作要素２６に投入しているかぎり、弁１８が開いた位置にとどまり、このことはガスタービン設備の運転を維持する。ガスタービン設備の遮断のためには、対の両負荷制御ユニット２０ａおよび２０ｂが電圧供給を操作要素２６から分離しなければならない。

対の両負荷制御ユニット２０ａ，２０ｂのそれぞれは、入力側を、とりわけバイアス電流線３０の出力２８に接続されている。しかしながら、安全冗長性の形成のために、図示のように、対の各負荷制御ユニット２０に対して２つのバイアス電流線３０が設けられている。２つのバイアス電流線３０は各負荷制御ユニット２０ａおよび２０ｂにおいてＡＮＤ結合様式にしたがって結合されている。それゆえ、全体として、４つのバイアス電流線３０が設けられていて、この符号は区別のためにサフィックス「ａ」，「ｂ」，「ｃ」または「ｄ」を有する。

設備が何個の操作要素２６もしくは弁１８を含んでいるかに関係なく、４つのバイアス電流線３０が設けられている。例えば、ガスタービン設備が、それぞれ１つの弁１８を操作要素２６として設けられた個別の燃料管１６をそれぞれ有する１４個の燃焼器を含んでいるとすると、各操作要素２６について更に別の負荷制御ユニット対２０ａおよび２０ｂが設けられている。その際には、１４個の２倍の並列接続された負荷制御ユニット２０ａ（または２０ｂ）が、入力側を４つのバイアス電流線３０のそれぞれ２つのバイアス電流線３０ａ，３０ｂ（もしくは３０ｃ，３０ｄ）に接続されている。

各バイアス電流線３０の入力側は過回転数保護システム３２に接続されている。過回転数保護システム３２は安全性の理由から同様に冗長に、すなわち二重に存在する。過回転数保護システム３２はバイアス電流の原理にしたがって動作するバイアス電流線３０に電圧もしくは電流を供給する。

各バイアス電流線３０は制御リレー回路３４の一部であり、制御リレー回路３４はさらに多数のフェールセーフの制御リレー３６を含む。制御リレー３６は、それぞれ励磁入力３８と、バイアス電流線３０中に配置されている常閉接点４１または常開接点４３の如き電磁操作可能な開閉要素４０とを有する。各バイアス電流線３０内には強くスピードが重視される保護回路４５およびあまりスピードが重視されない保護回路４９の開閉要素４０が直列に挿入接続されている。保護システム１０の安全冗長性および可用冗長性の構成に基づいて、制御リレー３６のマトリックス状の配置が生じる。制御リレー３６の励磁入力３８は自動化システム１２または１４の信号出力４２の１つに接続されている。したがって、自動化システム１２または１４は該当バイアス電流線３０に導かれる信号に影響を及ぼすことができる。

バイアス電流線３０のために、過回転数保護システム３２における給電点と制御リレー３６の開閉要素４０との間にそれぞれ、常閉接点４１として構成された縦リレー４６の開閉要素４０が設けられている。縦リレー４６は、主として、動作電流原理に基づいて作用するいわゆるブロック保護用保護回路５１の安全要素として役立つ。

各バイアス電流線３０には別々のトリップメモリ４８が設けられていて、トリップメモリ４８はバイアス電流線３０の出力２８とバイアス電流線に付属する開閉要素４０との間に配置されている。トリップメモリ４８の出力はバイアス電流線３０であり、負荷制御ユニット２０の入力に接続されている。トリップメモリ４８はそれによって入力側で検出された信号をリセット信号もしくは返報信号の受信時まで中間記憶する。

自動化システム１２、１４は多数の明示されていない信号入力を含み、これらの一部は設備の監視すべき動作パラメータの信号の受信のために設けられている。信号出力４２を介して自動化システム１２，１４は、ガスタービン設備を間接的に制御する。間接的な制御は後続配置された制御リレー回路３４、それのバイアス電流線３０および負荷制御ユニット２０を介して行なわれる。

強くスピードが重視される保護基準のための５０ミリ秒以下の要求される応答時間を達成するために、これらの動作パラメータの信号が直接にバイアス電流線にそのために設けられた制御リレー４４を介して作用し、これもバイアス電流原理に基づいて行なわれる。これを、強くスピードが重視される保護基準「圧縮機ポンプ保護」の保護回路５３について、実例を挙げて説明する。言い換えれば、強くスピードが重視される保護基準の動作パラメータの信号が自動化システム１２，１４を介しては導かれないということである。圧縮機ポンプ保護回路５３のほかに、ここでは挙げない他の強くスピードが重視される保護基準が、保護システム１０の制御リレー回路３４において、同様のやり方にて採用可能である。

運転中のガスタービン設備において、健全な動作状態では電流がバイアス電流線３０において流れるか、もしくは電圧がバイアス電流線３０においてとどまっている。バイアス電流線３０の遮断は、バイアス電流線３０の欠陥を示唆する。電流の流れの遮断は、例えば自動化システム１２，１４の一方における常開接点４３を装備した制御リレー３６が励磁のない状態に切り替えられるならば、自動化システム１２，１４によってひき起こされ得る。

全体として、図示の回路は、ガスタービン設備のための保護システムとして次のように動作する耐障害性かつ高可用性の緊急トリップ連鎖組織である。少なくとも１つの負荷制御ユニット２０ａまたは２０ｂが出力側において操作要素２６に電圧を供給するかぎりは、設備は運転を続行することができる。運転障害時に負荷制御ユニット２０ａおよび２０ｂを介する操作要素２６の電圧供給を全て遮断するためには、少なくとも２つのバイアス電流線３０ａ（または３０ｂ）および３０ｃ（または３０ｄ）の出力側が無電圧でなければならない。

このためには、制御リレー回路３４における故障および誤りのない状態において電圧を導くバイアス電流線３０ａ（または３０ｂ）および３０ｃ（または３０ｄ）が遮断されることが必要である。そのために、制御リレー３６の開閉要素４０がバイアス電流線３０中に挿入接続されている。開閉要素４０として常閉接点４１がバイアス電流線３０中に挿入接続されている場合には、バイアス電流線３０における電流供給を遮断するために制御リレー３６が操作されなければならない。

メンテナンスフリーの保護システムを作り出すために、制御リレー回路３４はフェールセーフの自動化システム１２によって検査可能および／または監視可能である。このために、バイアス電流線３０の出力側の部分２８が、それぞれのトリップメモリ４８の出力と付属の負荷制御ユニット２０の入力との間において、帰還線５０を介して自動化システムの入力５２に接続されている。それゆえ、負荷制御ユニット２０の入力に加わり得る各バイアス電流線３０の信号が自動化システム１２によって検査もしくは監視のために更に処理される。したがって、各バイアス電流線３０の状態は、常に自動化システム１２において処理することができ、自動化システム１２によって設備の操作者に対して表示することができる。

代替または追加として、トリップ線２２，２４を介して操作要素に供給可能な信号を、自動化システム１２に、それぞれ他の帰還線５４を介して戻すことができる。これによって、自動化システムは負荷制御ユニット２０の動作能力を検査し、検査結果を設備の操作者に対して表示することができる。

更に、バイアス電流線３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄのそれぞれに別々に、これらを「無電圧」または「無電流」に切り替えるために、自動化システム１２によって専用の信号、いわゆる検査信号が供給可能であるように、制御リレー回路３４を拡張することができる。このために、ブロック保護用の保護回路５１の各縦リレー４６が、別々の検査線５６を介して自動化システム１２の出力４２に接続されている。フェールセーフの保護基準のためにも、縦リレー４７が制御リレー回路３４内に設けられていて、制御リレー回路３４の励磁入力３８が自動化システム１２の信号出力４２に接続されている。

保護システム１０の上述の相互接続に基づいて、保護システム１０は、誤りのない自動化システム１２の適切なプログラミングによって、各負荷制御ユニット２０ａ，２０ｂまたは／および各バイアス電流線３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの誤りのない動作を個別にかつ時間的に順々に検査することができる。

自動化システム１２，１４の両プログラムは、動作パラメータの信号伝達および信号処理の個別課題を引き受ける多数の論理モジュールを含む。第１のモジュール５５はフェールセーフの保護基準のための信号を処理し、第２のモジュール５７はフェールセーフでない保護基準のための信号を処理し、第３のモジュール５８は設備の一般的な始動指令「弁開」のための信号を処理する。

バイアス電流線の検査もしくは監視の実施のために、自動化システム１２のプログラム内に他のモジュールが設けられている。第４のモジュール６３が線−トリップのテストのために設けられ、第５のモジュール６５がトリップメモリ４８の自動リセット信号のために設けられ、第６のモジュール６７が線−ステータス−監視のために設けられ、そして他のモジュール６９がトリップ線の検査信号監視のために設けられている。モジュール６３，６５，６７，６９は協力して、線２２，２４，３０の検査および監視のために必要な信号の出力および受信をすることができる。

保護システム１０の制御リレー回路３４の動作能力もしくは誤りの有無を検査するために、自動化システム１２が、プログラムにしたがって、バイアス電流線３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄのそれぞれのための後述のステップを個別に順々に実行する。バイアス電流線３０において発生する信号が自動化システム１２へ戻されることによって、自動化システム１２は、バイアス電流線３０ａ，３０ｂ，３０ｃまたは３０ｄに欠陥が存在するか否かを検査することができる。

検査がガスタービン設備の運転中に実施されるべきであるかぎり、検査すべきバイアス電流線３０ｃ，３０ｄ（または３０ａ，３０ｂ）に後続接続されていない対の負荷制御ユニット２０ａ（または２０ｂ）を介して操作要素２６が供給電圧に接続されていることが保証されていなければならない。さもなければ、検査はガスタービン設備の予定外の遮断をもたらすことになる。

自動化システムにおいて読み取り可能な形にて記憶されかつ自動化システムによって実行可能である検査方法を、バイアス電流線３０ｃの検査に基づいて、実例を挙げて説明する。

機能を有効にする条件として先ず、検査すべきバイアス電流線３０ｃに後続配置されていない対の負荷制御ユニット２０ａによって操作要素２６の電圧供給が行なわれることを確認すべきである。更に、自動化システム１２に戻されて読み取られるトリップ線２２および２４の状態が同一であり、かつ負荷制御ユニット２０ａおよび２０ｂの故障が存在しないことを確認すべきである。これらの機能を有効にする条件が満たされているかぎり、自動化システムによって、検査すべきバイアス電流線３０ｃが、付設の制御リレー３６のうちの一方の開閉要素４０の常閉接点によって出力側が無電圧に切り替えられる。この場合に、順々にバイアス電流線３０ｃの給電の次に置かれた縦リレー４６が、そしてトリップメモリ４８の成功したリセットの後に縦リレー４７が、自動化システム１２からのフェールセーフの保護基準の相互接続のために相応に操作される。信号「無電圧」がトリップメモリ４８によって受信されて中間記憶され、それによってバイアス電流線３０の出力側部分２８が、「無電圧状態」を負荷制御ユニット２０ｂに「伝達」する。入力における不足する電圧によって、付設の負荷制御ユニット２０ｂが不活性状態に切り替えられ、それに基づいて後続のトリップ線２４が操作要素２６を供給電圧から分離する。しかし対の他の負荷制御ユニット２０ａの健全なバイアス電流線３０ａ，３０ｂにより、操作要素２６が電圧を供給され、ガスタービン設備は、バイアス電流線３０ｃのこの「オンライン」検査にもかかわらず運転状態のままである。

バイアス電流線３０の信号の帰還およびトリップ線２４の信号の帰還によって、自動化システム１２は、制御リレー３６の１つの開閉要素４０の開路による検査信号の発生とバイアス電流線３０ｃもしくはトリップ線２４における従属した信号の受信との間に、いかなる信号伝搬時間が経過したかを求めることができる。一般に検査信号は１秒までの持続時間だけ用意されていて、自動化システム１２による縦リレー４６の１つの制御によって発生させられる。自動化システム１２が検査信号の開始後０．５秒以内に、とりわけ０．３秒以内に、バイアス電流線３０ｃの出力２８（またはトリップ線２４）での期待される応答が入力５２において受信されない場合には、これは故障と評価される。これは設備の使用者に対して図示されていない表示を介して故障警報が伝達される。この場合にはバイアス電流線３０ｃもしくはバイアス電流線３０ｃ内にある制御リレー回路３４の構成要素の電位短絡が検査される。同様に制御リレー３６のそれぞれが励磁側も開閉要素側も検査されるべきである。更に、この場合に、相応の故障警報が発生させられて記憶され、これは手動操作によってはじめてリセット可能である。トリップメモリ４８は故障の認識に関係なく自動的に自動化システム１２によってリセットされる。ただし、制御リレー回路３４の規則どおりのトリップが生じた場合は別である。後者は次によって認識される。すなわち、保護回路４５，４９の１つによって認識された故障が、検査すべきバイアス電流線３０ｃに対して可用冗長性にあるバイアス電流線の１つ３０ａまたは３０ｂの遮断をもたらすことによって認識される。結局、当該トリップ認識リレー６４ａはリセット釈放リレー６２ｃを制御しない。それによってこれは、その際に開いている常開接点によりリセット指令を自動化システム１２の信号出力からの相応の線６０を介してバイアス電流線３０ｃのトリップメモリ４８に対して遮断する。トリップメモリ４８のリセットのためには、手動のリセット信号がモジュール７１からトリップメモリ４８に転送される。

検査信号が、０．５秒もしくは０．３秒の予め与えられた最大時間内に自動化システム１２によって入力側において検出される場合には、誤りが発見されることなくバイアス電流線３０ｃが首尾よく検査されたことになる。この場合に、バイアス電流線３０ｃにおいてそれぞれのトリップメモリ４８により記憶された信号の自動化システム１２の信号出力の対応する線６０を介する自動的な受領返報に関しては、前の段落において挙げたのと同じ条件が当てはまる。縦リレー４６および４７を介して段階をつけられたトリップ始動後に、ここで更に操作要素２６、トリップ線２２および２４ならびに負荷制御ユニット２０ａおよび２０ｂに関する釈放条件が存在する場合は、ひき続き次のバイアス電流線３０ｄが検査される。

検査方法は、好ましくは設備の運転中に実施されるが、しかし特に好ましくは、設備の可用性をこれ以上危険にさらさないために、運転開始段階または設備の運転停止段階の期間に実施される。

以上のとおり、本発明により、５０ミリ秒よりも大きい応答時間要求を有するフェールセーフの保護回路４９の全てがフェールセーフのプログラム可能な自動化システム１２を介して導かれる設備の保護システム１０が提案される。５０ミリ秒よりも大きい応答時間要求を有するフェールセーフでない保護回路６１はフェールセーフでないプログラム自動化システム１４によって処理可能である。５０ミリ秒よりも小さい応答時間要求を有する他の全ての保護回路４５については、その代わりに、フェールセーフの制御リレー３６の耐障害性構成の相互接続回路が設けられ、自動化システム１２は、制御リレー回路３４の機能を、好ましくは設備の運転中に周期的に検査または常時監視することができる。

設備のためのフェールセーフで高可用性の保護システムの概略的な回路図

符号の説明

１０ 保護システム
１２ 自動化システム
１４ 自動化システム
１６ 燃料管
１８ 弁
２０ 負荷制御ユニット
２２ トリップ線
２４ トリップ線
２６ 操作要素
２８ バイアス電流線の出力側部分
３０ バイアス電流線
３２ 過回転数保護システム
３４ 制御リレー回路
３６ 制御リレー
３８ 励磁入力
４０ 開閉要素
４１ 常閉接点
４２ 自動化システムの信号出力
４３ 常開接点
４４ 制御リレー
４５ 強くスピードが重視される保護回路
４６ 縦リレー
４７ 縦リレー
４８ トリップメモリ
４９ あまりスピードが重視されない保護回路
５０ 帰還線
５１ ブロック保護用保護回路
５２ 自動化システムの入力
５３ 保護回路
５４ 帰還線
５５ 第１のモジュール
５６ 検査線
５７ 第２のモジュール
５８ 第３のモジュール
６０ 線
６１ 保護回路
６２ リセット釈放リレー
６３ 第４のモジュール
６４ トリップ認識リレー
６５ 第５のモジュール
６７ 第６のモジュール
６９ 他のモジュール
７１ モジュール

Claims (24)

1. 設備の第１の動作パラメータの監視すべき動作信号の受信のために設けられた多数の信号入力と、一部は設備の間接的な制御ために設けられている多数の信号出力（４２）とを有する少なくとも１つの自動化システム（１２、１４）を備えるとともに、入力側を信号出力（４２）に結合され、かつ出力側をトリップ線（２２，２４）を介して操作要素（２６）に接続されている負荷制御ユニット（２０）を備えた設備のための保護システム（１０）において、
   少なくとも１つの制御リレー（３６）を有する制御リレー回路（３４）が設けられ、制御リレー回路（３４）を介して他の動作パラメータの動作信号が負荷制御ユニット（２０）に導入可能であり、
   制御リレー回路（３４）が自動化システム（１２）によって検査可能であることを特徴とする保護システム（１０）。
2. 第１の動作パラメータが設備のあまりスピードが重視されない保護基準であり、他の動作パラメータが設備の強くスピードが重視される保護基準であることを特徴とする請求項１記載の保護システム（１０）。
3. 信号出力（４２）と負荷制御ユニット（２０）との間の結合が間接的に制御リレー回路（３４）を介して行なわれることを特徴とする請求項１又は２記載の保護システム（１０）。
4. 可用冗長性の形成のために、それぞれ１つのトリップ線（２２，２４）を有する個別に制御可能な一対の負荷制御ユニット（２０ａ，２０ｂ）が設けられていて、負荷制御ユニットのトリップ線（２２，２４）がＯＲ結合様式にしたがって操作要素（２６）と結合されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載の保護システム（１０）。
5. 制御リレー回路（３４）が少なくとも１つのバイアス電流線（３０）を含み、バイアス電流線（３０）中に制御リレー回路（３４）の制御リレー（３６）の開閉要素（４０）が設けられていて、制御リレー回路（３４）のバイアス電流線（３０）が負荷制御ユニット（２０）の入力に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の保護システム（１０）。
6. 安全冗長性の形成のために、対の各負荷制御ユニット（２０ａ，２０ｂ）の入力側が２つの個別に導かれるバイアス電流線（３０）に接続されていて、バイアス電流線（３０）がそれぞれの負荷制御ユニット（２０）においてＡＮＤ結合様式にしたがって結合されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の保護システム（１０）。
7. 制御リレー回路（３４）が、監視すべき動作信号ごとにかつバイアス電流線（３０）ごとにそれぞれ１つの制御リレー（３６）を有し、
   制御リレー（３６）がそれぞれ１つの励磁入力（３８）および少なくとも１つの開閉要素（４０）を含み、
   励磁入力（３８）が自動化システム（１２）のそれぞれの動作信号に属する信号出力（４２）に接続されていて、
   開閉要素（４０）の１つがバイアス電流線（３０）中に設けられていることを特徴とする請求項５又は６記載の保護システム（１０）。
8. 自動化システム（１２）への信号帰還のために、該当バイアス電流線（３０）の出力（２８）が自動化システム（１２）の信号入力（５２）に接続されていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の保護システム（１０）。
9. 自動化システム（１２）への信号帰還のために、該当のトリップ線（２２，２４）が自動化システム（１２）の信号入力（５２）に接続されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の保護システム（１０）。
10. 各バイアス電流線（３０）について、１つの励磁入力（３８）と少なくとも１つの開閉要素（４０）とを有する縦リレー（４６）が設けられていて、
    自動化システム（１２）から予め与え得る制御リレー回路（３４）の検査信号を供給するために、縦リレー（４６）の開閉要素（４０）がそれぞれのバイアス電流線（３０）に、そして縦リレー（４６）の励磁入力（３８）が自動化システム（１２）の信号出力（４２）に接続されていることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の保護システム（１０）。
11. 縦リレー（４６）の開閉要素（４０）がバイアス電流線（３０）内の給電点のすぐ背後に設けられていることを特徴とする請求項１０記載の保護システム（１０）。
12. 各バイアス電流線（３０）について、１つの励磁入力（３８）と少なくとも１つの開閉要素（４０）とを有する縦リレー（４７）が設けられていて、
    自動化システム（１２）において処理された第１の動作パラメータの信号、特にフェールセーフの保護基準を制御リレー回路（３４）に供給するために、縦リレー（４７）の開閉要素（４０）がそれぞれのバイアス電流線（３０）に、そして縦リレー（４７）の励磁入力（３８）が自動化システム（１２）の信号出力（４２）に接続されていることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の保護システム（１０）。
13. 縦リレー（４６，４７）の動作能力の検査のために自動化システム（１２）から縦リレーに検査信号が予め与え得ることを特徴とする請求項１０，１１又は１２記載の保護システム（１０）。
14. バイアス電流線（３０）に、または各バイアス電流線（３０）にそれぞれ１つのトリップメモリ（４８）が設けられていて、トリップメモリ（４８）が制御リレー回路（３４）の制御リレー（３６）の開閉要素（４０）と負荷制御ユニット（２０）との間に設けられていることを特徴とする請求項５乃至１３の１つに記載の保護システム（１０）。
15. トリップメモリ（４８）が自動化システム（１２）のリセット信号によってリセット可能であることを特徴とする請求項１４記載の保護システム（１０）。
16. トリップメモリ（４８）のためのリセット信号の釈放のために、トリップ認識リレー（６４）および少なくとも１つのリセット釈放リレー（６２）が設けられていて、トリップ認識リレー（６４）およびリセット釈放リレー（６２）の入力側が、該当トリップメモリ（４８）に後続接続された負荷制御ユニット（２０）に属していないバイアス電流線（３０）に接続されていることを特徴とする請求項１５記載の保護システム（１０）。
17. 請求項１乃至１６のいずれか１つに記載の保護システム（１０）の制御リレー回路（３４）を検査するための方法であって、制御リレー回路（３４）の検査が保護システム（１０）の自動化システム（１２）によって実行されることを特徴とする方法。
18. 請求項４または６に記載の保護システム（１０）の制御リレー回路（３４）を検査するための方法であって、バイアス電流線（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）の１つの検査のために、動作ステップａ）乃至ｄ）が実行される方法、
    ａ）現在検査すべきバイアス電流線（３０）に後続接続されていないトリップ線（２２，２４）が操作要素（２６）に電圧を供給しているかどうかのトリップ線検査が行なわれ、
    ｂ）操作要素（２６）へ電圧が供給されている場合に、自動化システム（１２）によって、検査すべきバイアス電流線（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）について、検査信号がｔ＝０秒において制御リレー（３６）の１つにより発生させられ、
    ｃ）バイアス電流線（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）の信号経過またはトリップ線（２２，２４）の信号経過が自動化システム（１２）によって検出され、そして
    ｄ）自動化システム（１２）によって、検出された信号経過の時間的評価により制御リレー回路（３４）の状態が検出されること。
19. 信号経過において検査信号の作用がｔ＝０．５秒以上、好ましくはｔ＝０．３秒以上遅れて発生する場合に、制御リレー回路（３４）の誤り状態が自動化システム（１２）によって認識され、記憶され、警報されることを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 検査信号が縦リレー（４６，４７）により発生させられることを特徴とする請求項１８または１９に記載の方法。
21. 設備の運転中、好ましくは設備の始動段階または停止段階の期間内に行なわれることを特徴とする請求項１７乃至１９の１つに記載の方法。
22. バイアス電流線（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）の１つにおける検査信号の降下が操作要素（２６）にとって無作用であることを特徴とする請求項１８乃至２１の１つに記載の方法。
23. 制御リレー回路（３４）の状態の検出後にバイアス電流線（３０）に設けられたトリップメモリ（４８）が自動化システム（１２）によってリセットされることを特徴とする請求項１７乃至２２の１つに記載の方法。
24. トリップ認識リレー（６４）とリセット釈放リレー（６２）との組み合わせを介して、制御リレー回路（３４）内にトリップが存在しないときにのみ、自動化システム（１２）のリセット信号がトリップメモリ（４８）に供給可能であることを特徴とする請求項２３記載の方法。
    
    

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