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四取二停機電磁閥冗余容錯系統的改進原理?
更新時間:2016-05-23 14:46:53
四取二停機電磁閥冗余容錯系統的改進原理?【已解答】

該文分析常規2取2停機系統與4取2停機電磁閥冗余容錯系統的原理,進一步分析改進后的四取二

冗余系統在控制邏輯判斷,結構布置,采購成本等方面優勢。


引言

工業汽輪機作為驅動的核心部件,從石油、化工、冶金、建材工業建設到發電、造紙、食品、城市

煤氣人們生活日常使用,工業
汽輪機在各行各業大范圍的使用。其本身的運行安全也越來越得到重

視。


而隨著科學技術的發展,汽輪機的安全運行、長期運行、自動化程度也已成為目前客戶選擇產品的

必要條件。如一臺驅動壓縮機的汽輪機,其往往承擔了一整套工藝過程的核心驅動部件,一旦出現

非計劃內的突然停機,除了
產能損失,單單投入運行的原料損失就可能達到幾十萬至上百萬之多,

因此,對那些非故障停機,任何企業都希望盡可能避免。而隨著時間發展,對汽輪機本身檢測范

圍,從以前就地壓力、就地溫度、
轉速測量,殼體振動相對簡單的就地檢測,逐漸增加了壓差、

位移、鍵向、漲差、流量等多方面遠程監控。各種原始測點,根據功能編入控制程序,同時根據

型號重要性與否會考慮增加測點的冗余邏輯。


就工業汽輪機而言,本身的安全運行是最重要的,一旦出現故障點是必須停機檢查的,為避免因測

量元件本身故障引發的停機,一般用戶會對輸入點的檢測如潤滑油壓、軸承溫度、軸承位移、汽輪

機轉速等測點要求做多點取樣,然后做二取一、三取二的冗余邏輯以保證測點取樣的準確,這樣即

可保證汽輪機安全運行,也能防止汽輪機非故障停機。


但作為終端輸出的停機電磁閥根據API這類準則常規是采用雙電磁閥保證安全停機,這是由于電磁

閥目前使用壽命與常規檢修相比基本可以滿足常規機組的使用。但對于重要場合使用的汽輪機就顯

得比較薄弱,需要考慮停機模塊的冗余邏輯。針對這塊,也有部分電磁閥廠商、閥門廠家等這類控

制模塊制造企業開發出三取二這類的停機冗余模塊。汽輪機生產廠家也往往開發出更適合自己控制

系統的獨立控制停機邏輯模塊。以杭州汽輪機股份公司為例,目前除了常規二取二停機電磁閥控制

邏輯,還有三取二停機電磁閥冗余邏輯模塊甚至四取二冗余邏輯模塊。


作為終端處理器,停機電磁閥的冗余邏輯不是在軟件中實現,而必須在控制油路中完成,作為集成

控制希望能盡可能少的簡單,研究發現四取二控制原理也要比三取二系統簡單,同時還可增加在線

試驗和在線更換功能。本文就是在已有四取二控制模塊基礎上對電磁閥進行升級,在邏輯判斷和成

本上都做了比較大的改進。


1、二取二停機電磁閥控制圖

常規系統停機是雙電磁閥控制,在運行時常帶電為例圖1,(由于作油路集成,電磁閥本身通經較

小,增加切換閥2230為加快速關油路的泄油)作為控制油路3-速關油可直接控制汽輪機主蒸汽進口

速關閥的開和關。圖中任何一個電磁閥(2222,2223)出現故障,都會引起速關油路和回油接通,

從而停機,此邏輯屬于常規汽輪機控制邏輯,其安全保證方面比單方控制要好,但相應的因
電磁

故障出現停機可能性也相應增加,對于希望減少停機幾率的用戶有時會有異議,從這方面來講

要求出現停機電磁閥冗余控制也是一種趨勢。

圖1 二取二停機電磁閥控制圖

圖1 二取二停機電磁閥控制圖
 

2、四取二停機電磁閥冗余系統簡介

四取二停機電磁閥(見圖2)冗余主要采用兩兩串聯后并聯基礎上的模式,作為集成模塊,所有閥及

相關部件都坐在一個模塊上。比較圖1可以看出除相應的增加電磁閥數量,還增加不少節流孔和


止閥
,這些是用來幫助判斷停機電磁閥的運用狀況和在線試驗及其更換的。

圖2 四取二停機電磁閥控制部分圖

圖2 四取二停機電磁閥控制部分圖

切換閥2230為加快速關油路的泄油,作為控制油路3-速關油可直接控制汽輪機主蒸汽進口速關閥

開和關。


圖上壓力變送器PT301、PT303、PT305用于遠程輔助判斷,通過壓力變化來判斷電磁閥

(2222~2225)是否處于故障狀態。而通過5211~5214-截止閥作用可以進行在線更換。


以進油p=12kgf/cm2為例,對于四取二停機電磁閥冗余系統而言,單個電磁閥的故障,系統仍能保

證切換閥2230上的油壓在≥11kgf/cm2,不會影響系統運行,當其中任何兩個電磁閥出現故障,切換

閥2230上的油壓p12≤2.5kgf/cm2,切換閥2230將直接與回油接通,速關閥將快速關閉,具體判斷

過程可參考《汽輪機4取2停機電磁閥冗余容錯系統》中的詳細分析,其實測數據也基本與分析吻

合。但電磁閥本身是否處于故障狀態無法直接判斷,必須通過相關油壓P09、P10、P12的變化來

判斷,用戶現場需要通過PT301,PT303,PT305設置壓力報警變化來檢測每個電磁閥的正常與

否,通過其中壓力值得變化來判斷出是哪個電磁閥的故障。


目前,從實際運用來看,已使用的數十個項目,運行狀態良好。但我們也可以從上述圖2描述的系

統也可以看出,由于故障電磁閥判斷依賴于系統模塊外置的壓力測量來判斷,故障發現過程容易

疏忽,又因為壓力變送器的存在額為增加了整個控制系統的故障源;還有重要一點,整體模塊的成

本因為儀表本身和分體模塊的增加比起常規二取一電磁閥系統有很大幅度增加。當然有時候從用

戶成本考慮,也可以把壓力變送器PT301、PT303、PT305改為現場檢測的就地壓力表,但遠程

檢測和報警機制將會消失,需要專業人員去不定期地去現場判斷,并不利于現在社會發展趨勢


3、四取二停機電磁閥控制的改進

對比圖2可以發現,停機系統的關鍵部位依然在電磁閥本身上。而隨著各家電磁閥廠商技術發展,

各種型號的電磁閥也在推陳出新,最近隨著帶
位置開關板式電磁閥出現,可以讓以往四取二停機

電磁閥冗余邏輯做的更加合理和完善。


在四取二電磁閥冗余邏輯的基礎上,其實只要增加一個對電磁閥故障狀態的判斷模塊就可以比較輕

松的解決冗余電磁閥系統的問題。如圖所示,在電磁閥本身身上增加一對趨近式位置開關,如圖4

所示,對應電磁閥2222~2225增加位置開關ZS601~ZS608。改進后的系統3與以往系統2相比,具

有以下幾點優勢:


(1)從控制邏輯方面:原集成模塊的電磁閥故障判斷由以前通過P09、P10、P12復雜壓力邏輯判斷

(其中不同位置電磁閥故障顯示的三處壓力值都會不同),直接變為由位置開關ZS601~ZS608來判

斷。如圖4所示,以電磁閥卡2222 為例,電磁閥在打開位置時位置開關ZS601就會有發出信號同樣

在處于關閉的位置時位置開關ZS605發出信號。(圖3和圖4的區別在于電磁閥本身自帶位置開關的

數)。判斷直觀簡單,不容易出錯。


(2) 結構安裝方面:原集成模塊需要額外安裝壓力變送器及因此增加相關的控制模塊。由于安裝在

比較小的集成模塊殼體上,即需要引出壓力測量管,還要在汽輪機底盤引到在
就地控制盤額外增

加的空間需求。而現有結構,只要接走額外的位置開關ZS電纜即可,ZS本身處于電磁閥上,外形

安裝尺寸并不增加。無論本身模塊,還是整機現場安裝都一定簡化。

圖3 四取二停機電磁閥控制改進一

圖3 四取二停機電磁閥控制改進一

圖4 四取二停機電磁閥控制改進二

圖4 四取二停機電磁閥控制改進二
 

(3)成本方面:由于可以針對性對低壓油開發生產新電磁閥,目前電磁閥選型本身可以從原承壓

160bar改成承壓50bar,這樣哪怕增加位置開關,電磁閥本身成本價格就可以節省一半多,同時

減少三條測量油壓的輸出需求,考慮減少的元件和相關連接件與附件,整個停機系統模塊將節省

一半的價格。總的來說,采用四取二電磁閥冗余邏輯除保證單個電磁閥故障時不停機,即保證最

終用戶的利益,也能保證真正故障信號及時關閉速關閥以保證汽輪機的本身的安全。改進后系統更是在邏輯判斷,結構安裝,采購成本都有改善。


至于上述系統兩種形式區別,圖4采用的是帶雙位置開關的電磁閥,優點在于電磁閥無論是因為閥

內部本身卡澀原因或外部供電等因素所引起閥門卡位在何處位置都可以準確判斷,其判斷功能比較

最齊全;但在實際使用場合,只要處于正常運行時,所有電磁閥都處于帶電運行,只需保證電磁閥

在運行狀態的位置開關有信號顯示就可以判斷電磁閥是否故障,圖3針對這種情況開發,相對于圖

4邏輯,雖然少了一個位置開關,但在故障發生源、接線布置、
采購價格會有一定優勢。當然具體

情況,還需要最終客戶決定。


4、實際運用與發展前景

整個四取二電磁閥冗余控制系統已在國內外數十個項目上采用,此次改進油路模塊本身不做變化

,只有電磁閥型號的變化,可靠性可以保證。對于系統而言,自動化程度和安全性方面進一步增

加,價格方面的改善,使的四取二電磁閥冗余控制系統的使用價值將進一步提升。

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