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摘要：本文通过对西门子燃驱压缩机组的原有超速保护系统进行分析总结，针对其存在的缺陷，创新性地提出了优化升级方案，实施后有效地避免了由于转速信号跳变导致机组紧急停机故障，保障了机组的平稳运行。
Abstract： This article analyzes and summarizes the original overspeed protection system of Siemens combustion-driven compressor units， and innovatively proposes an optimized upgrade plan based on its defects. After implementation， it effectively avoids the emergency shutdown of the unit due to the jump of the speed signal. Failure to ensure the smooth operation of the unit.
关键词：燃驱压缩机组;超速保护;升级改造
Key words： combustion drive compressor unit;overspeed protection;upgrading
中图分类号：TQ441.41 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0135-03
0 引言
燃气轮机是一种高速转动的机械，其转动部件的应力和转速有着密切的关系，由于离心力正比于转速的平方，当转速升高时，因离心力所造成的应力将会迅速增加。当转速超出额定转速的20%时，应力就接近于额定转速时的1.5倍。叶轮等緊力配合的转动部件的松动转速通常也是按高于额定转速20%来设计的，如果转速升高到不允许的数值，会导致燃气轮机设备的严重损坏。因此，超速保护系统成为燃气轮机重要的保护装置之一。西气东输二线西门子燃驱机组采用硬件超速保护和逻辑超速保护两种方式对机组进行保护。其中，硬件超速保护系统采用罗克韦尔公司的XM系列模块，该系列模块完全独立于机组控制系统，其通过硬线与机组控制系统建立联系;逻辑超速保护是由机组控制系统对转速进行比较和判断。近年来，我公司西门子燃驱机组多次发生由于超速保护系统触发导致机组跳闸故障，但是技术人员经过排查发现实际转速一直很稳定，没有出现超速现象，是由于其中一个转速信号跳变导致超速保护系统误触发跳闸信号。针对此问题，经过对机组超速保护的一系列升级改造，较好地解决了此问题，保证了机组的平稳运行。
1 机组原超速保护系统现状
西气东输西二线西门子燃驱机组逻辑超速保护由SIS PLC（安全）、PCS PLC（顺控）来执行，硬件超速保护由超速保护模块XM220、XM441模块及安全继电器系统来实现。西门子燃驱机组GG的低压压气机共有三个转速信号，分别是NL1、NL2、NL3，其中NL1、NL2进入SIS系统，NL1、NL3进入XM220模块。转速信号超速保护逻辑如下：
①SIS程序使用NL1、NL2，2个转速信号（模拟量信号）采用高选方式进行联锁，2个探头只要有1个探头超过7000RPM，SIS PLC直接执行紧急停机逻辑;
②PCS程序中使用超速保护模块XM220分别输出的NL1、NL3超速干结点（数字量信号），1oo2（二选一）只要有1个转速跳变，也产生跳机信号;
③安全继电器中使用超速保护继电器模块XM441输出的NL1、NL3超速干结点信号，1oo2（二选一）只要有1个转速跳变，硬接线产生跳机信号。
SIS、PCS、安全继电器，由于采用高选或“二选一”逻辑，无法过滤转速信号自身跳变带来的误TRIP（跳机）问题。动力涡轮转速探头PT存在相同的逻辑判断方式，只要有1个转速探头跳变，均会导致机组误“TRIP”。
1.1 PCS程序现状
表1中，UC1、UC3指XM220，即双转速信号处理模块，UC2、UC4指XM441，即继电器模块。
由表1可以看出，PCS接入超速保护模块TRIP信号，“或”逻辑，只要有1个探头出现trip信号，立即执行锁定停车逻辑。二选一无法避免信号跳变造成停车的问题;“三选二”既保证信号的可靠性，又保证信号的容错问题。
1.2 SIS程序现状（表2）
在表2中，n1act为NL1和NL2的高选值，当n1act在机组运行时大于7000RPM，控制系统认为GG超速，执行跳机逻辑。PT与NL相似，在此不再赘述。考虑到n1act还参与其它的逻辑控制，因此对n1act不做任何改动。但是原逻辑中当n1act超过7000RPM会停机，在做三选二优化后，有可能使n1act超过7000RPM而不停机，而n1act直接关系GG滑油的供油量，原逻辑中n1act理论上最大是7000RPM，在此次超速保护系统改造后，n1act有可能超过7000RPM，那么n1act超过7000RPM究竟对GG滑油有没有影响呢？由图1可以看出，在启机过程中，GG滑油的供油量随着NL转速的上升供油量也在逐渐上升，当NL达到5300RPM后，GG滑油的供油量不再增长，因此，即使n1act超过7000RPM，也不会影响GG滑油的供油量。
2 优化方案
本优化方案的依据是转速处理模块XM220具备转速信号处理、开路检测、超速判断等功能，本方案用到Xdcr Fault和Tacho Fault两种故障监测模式，其中Xdcr Fault是指转速传感器的直流偏置电压超限，一般的，当机组停止运行时，Xdcr Fault都会超过最低电压Fault Low;Tacho Fault是指没有检测到转速。因此需要给XM220一个旁路信号，当机组停机后，XM220的报警信号不使能。 而XM442具备对超速信号三选二表决功能，同时将转速信号开路信号等同于超速信号，也能监测24V电源是否正常。其中，XM442的继电器输出响应时间是40毫秒。
2.1 对NL的优化
取消原XM220及XM441模块，安装三个新XM220及一个XM442模块。将NL3信号引入超速保护模块XM220，由XM220对NL1、NL2、NL3进行监测，使用继电器模块（XM442）经三选二表决后输出的干结点接入PCS。PCS系统利用原有通道接入表决后干结点信号执行跳机逻辑。删除原逻辑中超速保护逻辑。原逻辑中有开路二选二跳机逻辑，由于XM442已经对开路信号有监测功能，因此删除PCS内开路跳机逻辑，只保留开路报警功能。在PCS中新增XM模块的旁路信号，当NL转速低于1500RPM时，取消XM220及XM442的使能信号。
在SIS系统中，转速信号无容错机制，取消n1act作为超速保护逻辑判断的依据，引入NL3转速，当NL1、NL2、NL3个转速中有2个>=7000rpm时，执行超速保护跳机逻辑。
删除安全继电器中原NL1、NL2的超速信号，接入继电器模块（XM442）经三选二表决后输出的干结点，执行硬件跳机逻辑。
2.2 对PT的优化
取消原XM220及XM441模块，安装三个新XM220及一个XM442模块。将PT2信号接入到超速保护模块XM220，在PCS中删除原来的PT3、PT4的单独超速信号，利用原有通道接入来自XM442三选二逻辑判断后输出的干结点，执行TRIP逻辑。删除原逻辑中超速保护逻辑。删除PCS内信号开路跳机逻辑，只保留信号开路报警功能。在PCS中新增XM模块的旁路信号，当PT转速低于500RPM时，取消XM220及XM442的使能信号。
在SIS系统中，取消PT1、PT2两者的高选值作为超速保护判断逻辑，引入PT3转速，当PT1、PT2、PT3三个转速中有2个>=5300rpm时，执行超速保护跳机逻辑。
删除安全继电器中原NL3、NL4的超速信号，接入继电器模块（XM442）经三选二表决后输出的干结点，执行硬件跳机逻辑。
3 结论
目前，本技术方案已经在西气东输乌苏站二线1#2#机组、烟墩站二线1#、2#、3#机组上实施，效果良好，至今没有发生因为转速信号跳变导致的跳机故障，有效地提高了机组平稳运行的能力。
参考文献：
[1]吕新.基于故障树方法的燃气轮机超速保护方案可靠性分析[J].电子测试，2020：64-66.
[2]朱翠金.浅析GE公司燃气轮机MARK VI控制系统的保护系统功能[J].东北电力技术，2006：40-43.
[3]包锦华，等.1000MW超临界机组保护系统簡介[J].热力透平，2006：67-69.
Abstract： This article analyzes and summarizes the original overspeed protection system of Siemens combustion-driven compressor units， and innovatively proposes an optimized upgrade plan based on its defects. After implementation， it effectively avoids the emergency shutdown of the unit due to the jump of the speed signal. Failure to ensure the smooth operation of the unit.
关键词：燃驱压缩机组;超速保护;升级改造
Key words： combustion drive compressor unit;overspeed protection;upgrading
中图分类号：TQ441.41 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0135-03
0 引言
燃气轮机是一种高速转动的机械，其转动部件的应力和转速有着密切的关系，由于离心力正比于转速的平方，当转速升高时，因离心力所造成的应力将会迅速增加。当转速超出额定转速的20%时，应力就接近于额定转速时的1.5倍。叶轮等緊力配合的转动部件的松动转速通常也是按高于额定转速20%来设计的，如果转速升高到不允许的数值，会导致燃气轮机设备的严重损坏。因此，超速保护系统成为燃气轮机重要的保护装置之一。西气东输二线西门子燃驱机组采用硬件超速保护和逻辑超速保护两种方式对机组进行保护。其中，硬件超速保护系统采用罗克韦尔公司的XM系列模块，该系列模块完全独立于机组控制系统，其通过硬线与机组控制系统建立联系;逻辑超速保护是由机组控制系统对转速进行比较和判断。近年来，我公司西门子燃驱机组多次发生由于超速保护系统触发导致机组跳闸故障，但是技术人员经过排查发现实际转速一直很稳定，没有出现超速现象，是由于其中一个转速信号跳变导致超速保护系统误触发跳闸信号。针对此问题，经过对机组超速保护的一系列升级改造，较好地解决了此问题，保证了机组的平稳运行。
1 机组原超速保护系统现状
西气东输西二线西门子燃驱机组逻辑超速保护由SIS PLC（安全）、PCS PLC（顺控）来执行，硬件超速保护由超速保护模块XM220、XM441模块及安全继电器系统来实现。西门子燃驱机组GG的低压压气机共有三个转速信号，分别是NL1、NL2、NL3，其中NL1、NL2进入SIS系统，NL1、NL3进入XM220模块。转速信号超速保护逻辑如下：
①SIS程序使用NL1、NL2，2个转速信号（模拟量信号）采用高选方式进行联锁，2个探头只要有1个探头超过7000RPM，SIS PLC直接执行紧急停机逻辑;
②PCS程序中使用超速保护模块XM220分别输出的NL1、NL3超速干结点（数字量信号），1oo2（二选一）只要有1个转速跳变，也产生跳机信号;
③安全继电器中使用超速保护继电器模块XM441输出的NL1、NL3超速干结点信号，1oo2（二选一）只要有1个转速跳变，硬接线产生跳机信号。
SIS、PCS、安全继电器，由于采用高选或“二选一”逻辑，无法过滤转速信号自身跳变带来的误TRIP（跳机）问题。动力涡轮转速探头PT存在相同的逻辑判断方式，只要有1个转速探头跳变，均会导致机组误“TRIP”。
1.1 PCS程序现状
表1中，UC1、UC3指XM220，即双转速信号处理模块，UC2、UC4指XM441，即继电器模块。
由表1可以看出，PCS接入超速保护模块TRIP信号，“或”逻辑，只要有1个探头出现trip信号，立即执行锁定停车逻辑。二选一无法避免信号跳变造成停车的问题;“三选二”既保证信号的可靠性，又保证信号的容错问题。
1.2 SIS程序现状（表2）
在表2中，n1act为NL1和NL2的高选值，当n1act在机组运行时大于7000RPM，控制系统认为GG超速，执行跳机逻辑。PT与NL相似，在此不再赘述。考虑到n1act还参与其它的逻辑控制，因此对n1act不做任何改动。但是原逻辑中当n1act超过7000RPM会停机，在做三选二优化后，有可能使n1act超过7000RPM而不停机，而n1act直接关系GG滑油的供油量，原逻辑中n1act理论上最大是7000RPM，在此次超速保护系统改造后，n1act有可能超过7000RPM，那么n1act超过7000RPM究竟对GG滑油有没有影响呢？由图1可以看出，在启机过程中，GG滑油的供油量随着NL转速的上升供油量也在逐渐上升，当NL达到5300RPM后，GG滑油的供油量不再增长，因此，即使n1act超过7000RPM，也不会影响GG滑油的供油量。
2 优化方案
本优化方案的依据是转速处理模块XM220具备转速信号处理、开路检测、超速判断等功能，本方案用到Xdcr Fault和Tacho Fault两种故障监测模式，其中Xdcr Fault是指转速传感器的直流偏置电压超限，一般的，当机组停止运行时，Xdcr Fault都会超过最低电压Fault Low;Tacho Fault是指没有检测到转速。因此需要给XM220一个旁路信号，当机组停机后，XM220的报警信号不使能。 而XM442具备对超速信号三选二表决功能，同时将转速信号开路信号等同于超速信号，也能监测24V电源是否正常。其中，XM442的继电器输出响应时间是40毫秒。
2.1 对NL的优化
取消原XM220及XM441模块，安装三个新XM220及一个XM442模块。将NL3信号引入超速保护模块XM220，由XM220对NL1、NL2、NL3进行监测，使用继电器模块（XM442）经三选二表决后输出的干结点接入PCS。PCS系统利用原有通道接入表决后干结点信号执行跳机逻辑。删除原逻辑中超速保护逻辑。原逻辑中有开路二选二跳机逻辑，由于XM442已经对开路信号有监测功能，因此删除PCS内开路跳机逻辑，只保留开路报警功能。在PCS中新增XM模块的旁路信号，当NL转速低于1500RPM时，取消XM220及XM442的使能信号。
在SIS系统中，转速信号无容错机制，取消n1act作为超速保护逻辑判断的依据，引入NL3转速，当NL1、NL2、NL3个转速中有2个>=7000rpm时，执行超速保护跳机逻辑。
删除安全继电器中原NL1、NL2的超速信号，接入继电器模块（XM442）经三选二表决后输出的干结点，执行硬件跳机逻辑。
2.2 对PT的优化
取消原XM220及XM441模块，安装三个新XM220及一个XM442模块。将PT2信号接入到超速保护模块XM220，在PCS中删除原来的PT3、PT4的单独超速信号，利用原有通道接入来自XM442三选二逻辑判断后输出的干结点，执行TRIP逻辑。删除原逻辑中超速保护逻辑。删除PCS内信号开路跳机逻辑，只保留信号开路报警功能。在PCS中新增XM模块的旁路信号，当PT转速低于500RPM时，取消XM220及XM442的使能信号。
在SIS系统中，取消PT1、PT2两者的高选值作为超速保护判断逻辑，引入PT3转速，当PT1、PT2、PT3三个转速中有2个>=5300rpm时，执行超速保护跳机逻辑。
删除安全继电器中原NL3、NL4的超速信号，接入继电器模块（XM442）经三选二表决后输出的干结点，执行硬件跳机逻辑。
3 结论
目前，本技术方案已经在西气东输乌苏站二线1#2#机组、烟墩站二线1#、2#、3#机组上实施，效果良好，至今没有发生因为转速信号跳变导致的跳机故障，有效地提高了机组平稳运行的能力。
参考文献：
[1]吕新.基于故障树方法的燃气轮机超速保护方案可靠性分析[J].电子测试，2020：64-66.
[2]朱翠金.浅析GE公司燃气轮机MARK VI控制系统的保护系统功能[J].东北电力技术，2006：40-43.
[3]包锦华，等.1000MW超临界机组保护系统簡介[J].热力透平，2006：67-69.