艦船汽輪機組遠程保護系統設計

江 煒，駱立強

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢430064;2.中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064)

0 引言

汽輪機組是艦船動力裝置關鍵而重要的設備，其運行正常與否關系到動力裝置及艦船的安全和性能。汽輪機的安全保護系統是機組的一個重要組成部分，在機組出現異常時應能及時采取保護動作進行緊急停機，以避免造成重大事故或防止事故擴大。國內一般大型電站均設有就地保安系統，資料表明，國外已有很多的汽輪機組在就地保護設施的基礎上增加了遠程保護系統，作為汽輪機組的冗余保護手段，甚至只采用遠程保護系統。為了提高現代艦船自動化水平和安全運行監督，盡量減少就地崗位，本文以艦船汽輪機組為例，在現有的就地保安系統的基礎上，開展汽輪機組遠程保護控制系統設計，以提高機組保護功能的可靠性。

1 汽輪機遠程保護管路實施原理

一般艦船汽輪機組就地保安系統由就地保安器、保安器錯油門、速關閥、油管路等構成，其原理是依靠彈簧力和油壓力平衡來打開或關閉速關閥，正常運轉時油壓力大于彈簧力，速關閥保持全開狀態;當機組超速或油壓低時，保安器錯油門瞬時內斷開進油路，油經泄油管流入油箱，使速關閥關閉。根據工作原理分析，關閉速關閥就要把油壓迅速降下來，使彈簧力大于油壓力，遠程保護考慮在保安器錯油門和速關閥之間的管路上增設電動執行機構(電磁閥)及回油管路，在機組管路上增裝轉速測量傳感器和滑油壓力傳感器，緊急情況下通過保護裝置內的邏輯電路判斷后遠程控制電磁閥打開，使進入主汽門的油直接回到油箱，速關閥活塞所受油壓迅速降到0，從而迅速關閉速關閥。圖1為典型汽輪機液壓回路管路示意圖，虛線內部為新增電磁閥及回油管路。

圖1 汽輪機液壓回路管路示意圖Fig.1 Turbine hydraulic loop

2 汽輪機遠程保護系統設計

2.1 遠程保護系統原理

新增的汽輪機遠程保護主要內容包括超速保護和滑油壓力低保護。超速保護一般是當汽輪機轉速超過設計最高轉速的7% ～10%時，汽輪機轉子可能會發生松動，嚴重時發生汽輪機飛車的重大事故，因此機組應緊急停機;滑油壓力低保護是當機組滑油系統的壓力降至低極限時，軸承滑油溫度升高，為防止機組軸承被燒毀或發生故障，應使機組緊急停機。

汽輪機遠程保護系統主要由測量傳感器、保護裝置和電磁閥及管路附件等組成。測量傳感器分別檢測安裝在管路上的滑油壓力和轉速。為了提高安全可靠性，轉速傳感器和滑油壓力傳感器均冗余配置為3路，測量轉速的探頭為脈沖形式，為提高測量精度，應選擇適當齒數的傳感器;滑油壓力傳感器可以為壓力變送器或者壓力繼電器。保護裝置是保護系統的核心設備，當保護裝置檢測到轉速信號和滑油壓力信號任一參數超過規定值時，通過內部功能插件處理判斷，輸出保護信息驅使安裝在管路上的電動執行機構動作，從而使機組停機。汽輪機保護電磁閥作為汽輪機保護系統的關鍵執行部件，其性能優劣及穩定可靠直接影響機組的安全運行，應對電磁閥的加工制造、裝配工藝和定期傳動等進行考核，以有效避免電磁閥的誤動和拒動。系統組成原理如圖2所示。

圖2 遠程保護系統原理Fig.2 Remote protection system schematic

2.2 保護裝置設計

2.2.1 裝置組成

保護裝置內部主要部件包括三通道邏輯判斷插件、三通道電源插件、仲裁電源插件、報警符合插件、繼電器插件和濾波器等，其中邏輯判斷插件包含參數采集功能。前面板上設有3個電源開關及電源指示燈、參數越限報警指示燈、蜂鳴器、顯示數碼管及速關操作按鈕等;后面板為用于本機與機組等設備進行參數和信息傳遞的電連接器。

2.2.2 裝置原理

在保護裝置面板上設置數碼管，顯示裝置采集的參數示值;面板上有電源開關及指示燈表明供電狀況;面板另設報警指示燈，當有參數越限引起保護動作時，對應的指示燈閃爍;為了防止誤操，面板上設置一對速關按鈕，同時按下有效。保護裝置原理見圖3。

保護裝置具有汽輪機轉速高或滑油壓力低的燈光及蜂鳴器報警提示功能、保護動作輸出功能，具有汽輪機遠程遙操和自動控制功能，與其他設備的信息通信功能。其原理為:將測量的轉速信號、滑油壓力信號經過隔離分別送至保護裝置內部A，B，C三個完全獨立的功能相同的邏輯判斷插件，邏輯判斷插件采集信號與保護定值比較，若轉速高于規定值或油壓低于規定值，該插件同時與另外2個插件輸出至本插件的信息進行三取二的仲裁，綜合運算后送至繼電器插件，硬件三取二仲裁后輸出驅動電磁閥的信號，自動打開電磁閥，聯通泄油回路，從而實現遠程自動速關操作;同時輸出本通道的報警信息至報警仲裁插件，該信息與另外2個邏輯判斷插件輸出的報警信息在進行硬件三取二的邏輯仲裁后，輸出最終的報警信號。該報警信號在裝置面板通過指示燈和蜂鳴器進行聲光報警，以提示操作人員在自動保護功能失靈時，同時按下保護裝置上的一對速關按鈕，使管路上的電磁閥打開泄油，從而實現遠程速關操作;保護裝置利用故障診斷技術可檢測輸出信息是否與輸入信息吻合，并由通信功能將檢測的參數以及保護動作信息傳輸至上一級的管理系統顯示或儲存，作為日后的事故分析之用。

圖3 保護裝置原理圖Fig.3 Protect device schematic

2.2.3 保護裝置設計措施

保護裝置設計采取了如下技術措施:

為了能更準確反映高等學校資產負債情況，《政府會計制度》在《高等學校會計制度》單一會計基礎“收付實現制”的基礎上，引入了“權責發生制”，要求高等學校采用“雙會計基礎”，即財務會計核算采用權責發生制，預算會計核算采用收付實現制。

1)設計中采用技術成熟，經過實船考驗的可靠性高的元器件或為工業級的器件;元器件品種盡量統一化、標準化;采用降額設計方法，降低元器件及零部件的故障率;采用熱設計方法，從元器件篩選、電路設計、結構設計等多方面采取措施，減少溫度對裝置的影響。

2)主要元器件選擇

①繼電器在保護系統動作信號與執行機構之間起著聯接和傳送作用，在整個保護系統中至關重要。沒有動作信號，保護動作就是誤動;有了動作信號，保護不動就是拒動。因此，保護動作繼電器必須應選擇性能可靠、安裝方便，接觸優良，接點距離合適的軍用繼電器。

②微處理器選用32位ARM處理器LPC2294，其性能強大，功耗低，而且工作溫度范圍可達120℃。

③數字邏輯器件采用抗干擾能力較強的軍用級54LS系列器件。

④電阻器采用噪聲水平低的精密線繞電阻和高質量的金屬膜電阻。

⑤根據電路功能的需要，選用不同類型的電容器;大容量的電解電容用于直流穩壓電源和低頻濾波;溫度效應低、漏電流小、壽命長的鉭電容用于電路中電源輸入端的去耦;對于數字集成電路芯片，電源和地線之間的去耦電容采用串聯電阻小、有一定電感、穩定性好的金屬化聚酯膜電容，以抑制噪聲。

3)軟件設有自檢功能，采用了編解碼技術和設置校驗字節的方式對通訊信息進行加工，提高串口通信可靠性，保證接收信息的完整無誤;采用數字濾波、軟件看門狗等技術，提高保護軟件抗干擾能力。

4)印制板設計應使器件布局合理，走線整齊;印制板噴涂三防漆，防止因潮濕、鹽霧及霉菌等引起電路絕緣性能降低和短路故障。

3 保護系統可靠性設計與分析

根據保護相關安全運行規定，為確保保護功能實施的正確性，降低保護系統誤動率和拒動率，保護系統采取了以下設計方法。

3.1 冗余設計

保護系統的冗余性設計體現在以下幾個方面:

1)參數測量的冗余。轉速信號和滑油壓力均配置3個測量傳感器。

2)保護裝置功能插件冗余設計。3個完全獨立的邏輯判斷插件，獨立完成各自采集、綜合分析判斷功能。

3)直流供電的冗余。3個完全相同的電源插件，分別給3個邏輯判斷插件供電;報警邏輯仲裁電路采用2路5 V并聯供電，報警燈光聲響指示輸出電路也均采用2路電源并聯供電，以確保電源可靠性。

4)保護動作及報警輸出的冗余:通過繼電器組的三取二邏輯仲裁后，繼電器插件板輸出保護動作信號，最后作用到電磁閥上。同樣的3個邏輯判斷插件輸出的報警信號分別送至仲裁插件上，進行三取二邏輯仲裁后送出報警信號。

3.2 單一故障準則

保護裝置的每項保護參數從輸入信號隔離、轉換、邏輯處理到保護動作輸出和電源均采用3路獨立的通路，各通路相互隔離。因此，任一單路故障或單一事件引起的多故障均不會影響其他2路保護通道的保護動作。

3.3 仲裁設計

本保護系統采用了多級局部仲裁技術，即多次進行局部仲裁，以提高信號處理、定值比較的可靠性;3個邏輯判斷插件對保護參數分別進行了局部仲裁后，其結果分別送至報警仲裁插件進行仲裁處理、送至繼電器插件板進行三取二邏輯仲裁后最后輸出為報警信號、電磁閥的保護動作信號，可大大減少保護動作的誤動機率，從而提高保護系統的可靠性。

3.4 隔離設計

電氣隔離要做到保護裝置任何可能的故障 (開路、短路、接地、出現最大可能的電壓等)都不影響與其隔離設備的正常工作。各冗余通道的參數通道相互獨立，各個邏輯判斷插件在電氣上相互隔離;輸入的電源各自獨立，輸入信號采用隔離放大器，使輸入/輸出端之間無公共端，做到電氣上相互隔離;在總體繼電器仲裁插件上，采用繼電器觸點進行總體仲裁，輸出端的任何故障不會影響輸入端所連設備的正常工作。

4 結語

根據“保護系統必須最大限度地消除可能出現的誤動作和完全消除可能出現的拒動作”的原則，結合機組實際情況，提高每一路保護信號的檢測、保護回路及執行機構的可靠性，進而保證整個保護系統的可靠，達到消除保護缺陷，使拒動率和誤動率降至最低，保證機組運行安全的目的。在此原則的指導下，對檢測傳感器和執行機構訂購把好質量關，并進行運行前的嚴格校驗;對于保護裝置進行功能及性能連續通電考核試驗、電磁兼容試驗、艦船環境條件考核試驗等驗證，其技術性能指標滿足保護系統性能要求。

艦船汽輪機組在就地保安系統基礎上增加遠程保護功能，在緊急情況下或者就地保安系統失靈時，通過控制室內的保護裝置自動停止機組或者操縱員遙控停止機組運行，將極大地提高動力裝置運行的安全性和可靠性。

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