汽轮机高压遮断继电回路可靠性分析

李亮

（东方电气自动控制工程有限公司， 四川德阳， 618000）

1 概述

高压遮断模块是汽轮发电机组调节保安系统的关键部件之一， 它控制着汽轮机EH 油系统保安油的排油口， 是整个遮断系统的总枢纽[1]。 当出现危及机组安全的停机事件时， ETS 表决判断后触发总停机指令， 经高压遮断继电回路， 使AST（automatic stop trip valve） 电磁阀失励， 将保安油路接通至排油， 迅速关闭各主汽阀、 调节阀， 切断机组进汽。

考虑到高压遮断模块的重要性,无论其拒动或者误动都将造成极其严重的后果， 而高压遮断继电回路模式的选择直接影响机组高压遮断模块的可靠性。 本文总结提炼了5 种常见的继电回路模式， 对导致装置发生故障危险和故障安全的原因进行了全面分析， 绘制出故障树图并计算出相应的故障概率， 比较选择最优模式保证机组具有更佳可靠性。

2 AST 结构与继电回路模式

AST 电磁阀分为 2 组， 共 4 只， 呈串并联布置[2]， 其中 5YV、 7YV 为一组， 6YV、 8YV 为另一组， 任一电磁阀故障误动或拒动时， 都不会对机组运行造成影响。 机组正常运行时， 4 只AST 电磁阀带电， 高压安全油建立， 当出现危害机组运行安全的紧急情况时， 两组电磁阀中至少各有一只失电时， 安全油压卸掉， 机组跳闸。 AST 结构如图1 所示。

AST 电磁阀的动作由ETS 高压遮断继电回路控制， 基于 “任意单一元件或组件的故障都不应导致保护拒动或误动” 的原则， 常见的继电回路模式主要有以下5 种。

2.1 NO 模式

NO 模式由4 个继电器的常开触点构成， 每个常开触点控制一个AST 电磁阀， 即A 对5YV， B对 6YV， C 对 7YV， D 对 8YV， 如图 2 所示。 当机组正常运行时， 4 个继电器均激励动作， 常开触点 A、 B、 C、 D 闭合， AST 电磁阀带电。 当紧急停机时， 4 个继电器均失励复位， 常开触点A、 B、C、 D 断开， AST 电磁阀失电。

图2 NO 模式

2.2 NONO 模式

NONO 模式由8 个继电器的常开触点构成，每2 个并接的常开触点控制1 个AST 电磁阀， 即A1并 A2对 5YV， B1并 B2对 6YV， C1并 C2对7YV， D1并 D2对 8YV， 如图 3 所示。 当机组正常运行时， 8 个继电器均激励动作， 常开触点A1、B1、 C1、 D1、 A2、 B2、 C2、 D2闭合， AST 电磁阀带电。 当紧急停机时， 8 个继电器均失励复位， 常开触点 A1、 B1、 C1、 D1、 A2、 B2、 C2、 D2断开， AST电磁阀失电。

图3 NONO 模式

2.3 NC 模式

NC 模式由4 个继电器的常闭触点构成， 每个常闭触点控制 1 个 AST 电磁阀， 即 A 对 5YV， B对 6YV， C 对 7YV， D 对 8YV， 如图 4 所示。 当机组正常运行时， 4 个继电器均失励复位， 常闭触点 A、 B、 C、 D 闭合， AST 电磁阀带电。 当紧急停机时， 4 个继电器均激励动作， 常闭触点A、 B、C、 D 断开， AST 电磁阀失电。

图4 NC 模式

2.4 NCNC 模式

NCNC 模式由8 个继电器的常闭触点构成，每2 个串接的常闭触点控制1 个AST 电磁阀， 即A1串 A2对 5YV， B1串 B2对 6YV， C1串 C2对7YV， D1串 D2对 8YV， 如图 5 所示。 当机组正常运行时， 8 个继电器均失励复位， 常闭触点A1、B1、 C1、 D1、 A2、 B2、 C2、 D2闭合， AST 电磁阀带电。 当紧急停机时， 8 个继电器均激励动作， 常闭触点 A1、 B1、 C1、 D1、 A2、 B2、 C2、 D2断开， AST电磁阀失电。

图5 NCNC 模式

2.5 NCNCNC 模式

NCNCNC 模式由12 个继电器的常闭触点构成， 每3 个串接的常闭触点控制1 个AST 电磁阀，即 A1串 A2串 A3对 5YV， B1串 B2串 B3对 6YV，C1串 C2串 C3对 7YV， D1串 D2串 D3对8YV， 如图5 所示。 当机组正常运行时， 12 个继电器均失励复位， 常闭触点 A1、 B1、 C1、 D1、 A2、 B2、 C2、D2、 A3、 B3、 C3、 D3闭合， AST 电磁阀带电。 当紧急停机时， 8 个继电器均激励动作， 常闭触点A1、B1、 C1、 D1、 A2、 B2、 C2、 D2、 A3、 B3、 C3、 D3断开， AST 电磁阀失电。

图 6 NCNCNC 模式

3 可靠性分析

3.1 可靠性参数

AST 电磁阀为 DE 型， 正常激励， 紧急停机时失励， 故构成AST 继电回路的触点开路时为故障安全， 闭合时为故障危险。 故障模式与可靠性参数见表1。

表1 故障模式与可靠性参数表

3.2 各模式的故障树

故障树本身是系统的组织化图形表示行为[3]。故障树分析是一种自顶向下， 用于识别和分析导致或促成顶级事件发生的条件和因素的技术， 旨在查找可能导致顶级事件的原因（基本事件）或原因的组合。 该分析主要是定性的， 但是通过使用布尔代数也可以获得定量的结果， 顶级事件发生的概率是基本事件发生概率的函数。

3.2.1 NO 故障树

NO 模式下系统发生故障危险的故障树如图7所示。

图7 NO 模式故障危险的故障树

NO 模式下系统发生故障危险的概率为：

NO 模式下系统发生故障安全的故障树如图8所示。

图8 NO 模式故障安全的故障树

NO 模式下系统发生故障安全的概率为：

3.2.2 NONO 故障树

NONO 模式下系统发生故障危险的故障树如图9 所示。

图9 NONO 模式故障危险的故障树

NONO 模式下系统发生故障危险的概率为：

NONO 模式下系统发生故障安全的故障树如图10 所示。

图10 NONO 模式故障安全的故障树

NONO 模式下系统发生故障安全的概率为：

3.2.3 NC 故障树

NC 模式下系统发生故障危险的故障树如图11 所示。

图11 NC 模式故障危险的故障树

NC 模式下系统发生故障危险的概率为：

NC 模式下系统发生故障安全的故障树如图12所示。

图12 NC 模式故障安全的故障树

NC 模式下系统发生故障安全的概率为:

3.2.4 NCNC 故障树

NCNC 模式下系统发生故障危险的故障树如图13 所示。

图13 NCNC 模式故障危险的故障树

NCNC 模式下系统发生故障危险的概率为：

NCNC 模式下系统发生故障安全的故障树如图14 所示。

图14 NCNC 模式故障安全的故障树

NCNC 模式下系统发生故障安全的概率为:

3.2.5 NCNCNC 故障树

NCNCNC 模式下系统发生故障危险的故障树如图15 所示。

图15 NCNCNC 模式故障危险的故障树

NCNCNC 模式下系统发生故障危险的概率为:

NCNCNC 模式下系统发生故障安全的故障树如图16 所示。

图16 NCNCNC 模式故障安全的故障树

NCNCNC 模式下系统发生故障安全的概率为:

3.3 对比与结论

根据上述绘制的故障树图以及可靠性参数，可计算出5 种继电回路模式下的故障危险概率和故障安全概率， 如表2 所示。

表2 故障概率对比

由此可得以下结论：

（a）5 种继电回路模式中， NONO 和 NCNC 模式的可靠性指标更为均衡、 结构较为简单， 其中NONO 相比NCNC 模式具有控制器故障和系统失电时的保护功能， 建议在功率继电器允许长时间带电时优先选用NONO 模式。

（b）如功率继电器不允许长时间带电，可在NC或NCNC 模式的基础上， 增加控制器故障和系统失电时的保护回路来构成NCNC 或NCNCNC 模式， 如图 17 所示。

图17 由NCNC 模式构成NCNCNC 模式

由 2 块 DO 卡驱动的小型继电器 JK1、 JK2， 其常闭触点串接后去驱动4 个功率继电器R1~R4， 再将功率继电器的常闭触点分别接至4 个AST 电磁阀的供电回路。 当控制器故障或系统失电时， JK1、JK2复位， JK1、 JK2的常闭触点串接驱动 R1~R4动作， R1~R4的常闭触点开路后切断AST 电磁阀供电， 泄掉安全油遮断机组。

4 结束语

与DCS 一体化的ETS 一般为热备系统， IO 非冗余， 其AST 继电回路建议采用NONO 模式或含控制器故障和系统失电保护回路的NCNC 模式；而非一体化的ETS 一般为双机并列系统， 其AST继电回路建议采用NONO 模式或含控制器故障和系统失电保护回路的NCNCNC 模式。