汽輪機高壓遮斷繼電回路可靠性分析

李亮

（東方電氣自動控制工程有限公司， 四川德陽， 618000）

1 概述

高壓遮斷模塊是汽輪發電機組調節保安系統的關鍵部件之一， 它控制著汽輪機EH 油系統保安油的排油口， 是整個遮斷系統的總樞紐[1]。 當出現危及機組安全的停機事件時， ETS 表決判斷后觸發總停機指令， 經高壓遮斷繼電回路， 使AST（automatic stop trip valve） 電磁閥失勵， 將保安油路接通至排油， 迅速關閉各主汽閥、 調節閥， 切斷機組進汽。

考慮到高壓遮斷模塊的重要性,無論其拒動或者誤動都將造成極其嚴重的后果， 而高壓遮斷繼電回路模式的選擇直接影響機組高壓遮斷模塊的可靠性。 本文總結提煉了5 種常見的繼電回路模式， 對導致裝置發生故障危險和故障安全的原因進行了全面分析， 繪制出故障樹圖并計算出相應的故障概率， 比較選擇最優模式保證機組具有更佳可靠性。

2 AST 結構與繼電回路模式

AST 電磁閥分為 2 組， 共 4 只， 呈串并聯布置[2]， 其中 5YV、 7YV 為一組， 6YV、 8YV 為另一組， 任一電磁閥故障誤動或拒動時， 都不會對機組運行造成影響。 機組正常運行時， 4 只AST 電磁閥帶電， 高壓安全油建立， 當出現危害機組運行安全的緊急情況時， 兩組電磁閥中至少各有一只失電時， 安全油壓卸掉， 機組跳閘。 AST 結構如圖1 所示。

AST 電磁閥的動作由ETS 高壓遮斷繼電回路控制， 基于 “任意單一元件或組件的故障都不應導致保護拒動或誤動” 的原則， 常見的繼電回路模式主要有以下5 種。

2.1 NO 模式

NO 模式由4 個繼電器的常開觸點構成， 每個常開觸點控制一個AST 電磁閥， 即A 對5YV， B對 6YV， C 對 7YV， D 對 8YV， 如圖 2 所示。 當機組正常運行時， 4 個繼電器均激勵動作， 常開觸點 A、 B、 C、 D 閉合， AST 電磁閥帶電。 當緊急停機時， 4 個繼電器均失勵復位， 常開觸點A、 B、C、 D 斷開， AST 電磁閥失電。

圖2 NO 模式

2.2 NONO 模式

NONO 模式由8 個繼電器的常開觸點構成，每2 個并接的常開觸點控制1 個AST 電磁閥， 即A1并 A2對 5YV， B1并 B2對 6YV， C1并 C2對7YV， D1并 D2對 8YV， 如圖 3 所示。 當機組正常運行時， 8 個繼電器均激勵動作， 常開觸點A1、B1、 C1、 D1、 A2、 B2、 C2、 D2閉合， AST 電磁閥帶電。 當緊急停機時， 8 個繼電器均失勵復位， 常開觸點 A1、 B1、 C1、 D1、 A2、 B2、 C2、 D2斷開， AST電磁閥失電。

圖3 NONO 模式

2.3 NC 模式

NC 模式由4 個繼電器的常閉觸點構成， 每個常閉觸點控制 1 個 AST 電磁閥， 即 A 對 5YV， B對 6YV， C 對 7YV， D 對 8YV， 如圖 4 所示。 當機組正常運行時， 4 個繼電器均失勵復位， 常閉觸點 A、 B、 C、 D 閉合， AST 電磁閥帶電。 當緊急停機時， 4 個繼電器均激勵動作， 常閉觸點A、 B、C、 D 斷開， AST 電磁閥失電。

圖4 NC 模式

2.4 NCNC 模式

NCNC 模式由8 個繼電器的常閉觸點構成，每2 個串接的常閉觸點控制1 個AST 電磁閥， 即A1串 A2對 5YV， B1串 B2對 6YV， C1串 C2對7YV， D1串 D2對 8YV， 如圖 5 所示。 當機組正常運行時， 8 個繼電器均失勵復位， 常閉觸點A1、B1、 C1、 D1、 A2、 B2、 C2、 D2閉合， AST 電磁閥帶電。 當緊急停機時， 8 個繼電器均激勵動作， 常閉觸點 A1、 B1、 C1、 D1、 A2、 B2、 C2、 D2斷開， AST電磁閥失電。

圖5 NCNC 模式

2.5 NCNCNC 模式

NCNCNC 模式由12 個繼電器的常閉觸點構成， 每3 個串接的常閉觸點控制1 個AST 電磁閥，即 A1串 A2串 A3對 5YV， B1串 B2串 B3對 6YV，C1串 C2串 C3對 7YV， D1串 D2串 D3對8YV， 如圖5 所示。 當機組正常運行時， 12 個繼電器均失勵復位， 常閉觸點 A1、 B1、 C1、 D1、 A2、 B2、 C2、D2、 A3、 B3、 C3、 D3閉合， AST 電磁閥帶電。 當緊急停機時， 8 個繼電器均激勵動作， 常閉觸點A1、B1、 C1、 D1、 A2、 B2、 C2、 D2、 A3、 B3、 C3、 D3斷開， AST 電磁閥失電。

圖 6 NCNCNC 模式

3 可靠性分析

3.1 可靠性參數

AST 電磁閥為 DE 型， 正常激勵， 緊急停機時失勵， 故構成AST 繼電回路的觸點開路時為故障安全， 閉合時為故障危險。 故障模式與可靠性參數見表1。

表1 故障模式與可靠性參數表

3.2 各模式的故障樹

故障樹本身是系統的組織化圖形表示行為[3]。故障樹分析是一種自頂向下， 用于識別和分析導致或促成頂級事件發生的條件和因素的技術， 旨在查找可能導致頂級事件的原因（基本事件）或原因的組合。 該分析主要是定性的， 但是通過使用布爾代數也可以獲得定量的結果， 頂級事件發生的概率是基本事件發生概率的函數。

3.2.1 NO 故障樹

NO 模式下系統發生故障危險的故障樹如圖7所示。

圖7 NO 模式故障危險的故障樹

NO 模式下系統發生故障危險的概率為：

NO 模式下系統發生故障安全的故障樹如圖8所示。

圖8 NO 模式故障安全的故障樹

NO 模式下系統發生故障安全的概率為：

3.2.2 NONO 故障樹

NONO 模式下系統發生故障危險的故障樹如圖9 所示。

圖9 NONO 模式故障危險的故障樹

NONO 模式下系統發生故障危險的概率為：

NONO 模式下系統發生故障安全的故障樹如圖10 所示。

圖10 NONO 模式故障安全的故障樹

NONO 模式下系統發生故障安全的概率為：

3.2.3 NC 故障樹

NC 模式下系統發生故障危險的故障樹如圖11 所示。

圖11 NC 模式故障危險的故障樹

NC 模式下系統發生故障危險的概率為：

NC 模式下系統發生故障安全的故障樹如圖12所示。

圖12 NC 模式故障安全的故障樹

NC 模式下系統發生故障安全的概率為:

3.2.4 NCNC 故障樹

NCNC 模式下系統發生故障危險的故障樹如圖13 所示。

圖13 NCNC 模式故障危險的故障樹

NCNC 模式下系統發生故障危險的概率為：

NCNC 模式下系統發生故障安全的故障樹如圖14 所示。

圖14 NCNC 模式故障安全的故障樹

NCNC 模式下系統發生故障安全的概率為:

3.2.5 NCNCNC 故障樹

NCNCNC 模式下系統發生故障危險的故障樹如圖15 所示。

圖15 NCNCNC 模式故障危險的故障樹

NCNCNC 模式下系統發生故障危險的概率為:

NCNCNC 模式下系統發生故障安全的故障樹如圖16 所示。

圖16 NCNCNC 模式故障安全的故障樹

NCNCNC 模式下系統發生故障安全的概率為:

3.3 對比與結論

根據上述繪制的故障樹圖以及可靠性參數，可計算出5 種繼電回路模式下的故障危險概率和故障安全概率， 如表2 所示。

表2 故障概率對比

由此可得以下結論：

（a）5 種繼電回路模式中， NONO 和 NCNC 模式的可靠性指標更為均衡、 結構較為簡單， 其中NONO 相比NCNC 模式具有控制器故障和系統失電時的保護功能， 建議在功率繼電器允許長時間帶電時優先選用NONO 模式。

（b）如功率繼電器不允許長時間帶電，可在NC或NCNC 模式的基礎上， 增加控制器故障和系統失電時的保護回路來構成NCNC 或NCNCNC 模式， 如圖 17 所示。

圖17 由NCNC 模式構成NCNCNC 模式

由 2 塊 DO 卡驅動的小型繼電器 JK1、 JK2， 其常閉觸點串接后去驅動4 個功率繼電器R1~R4， 再將功率繼電器的常閉觸點分別接至4 個AST 電磁閥的供電回路。 當控制器故障或系統失電時， JK1、JK2復位， JK1、 JK2的常閉觸點串接驅動 R1~R4動作， R1~R4的常閉觸點開路后切斷AST 電磁閥供電， 泄掉安全油遮斷機組。

4 結束語

與DCS 一體化的ETS 一般為熱備系統， IO 非冗余， 其AST 繼電回路建議采用NONO 模式或含控制器故障和系統失電保護回路的NCNC 模式；而非一體化的ETS 一般為雙機并列系統， 其AST繼電回路建議采用NONO 模式或含控制器故障和系統失電保護回路的NCNCNC 模式。