江 煒，駱立強

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

0 引言

汽輪機組是艦船動力裝置關(guān)鍵而重要的設(shè)備，其運行正常與否關(guān)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(tǒng)是機組的一個重要組成部分，在機組出現(xiàn)異常時應(yīng)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(nèi)一般大型電站均設(shè)有就地保安系統(tǒng)，資料表明，國外已有很多的汽輪機組在就地保護設(shè)施的基礎(chǔ)上增加了遠程保護系統(tǒng)，作為汽輪機組的冗余保護手段，甚至只采用遠程保護系統(tǒng)。為了提高現(xiàn)代艦船自動化水平和安全運行監(jiān)督，盡量減少就地崗位，本文以艦船汽輪機組為例，在現(xiàn)有的就地保安系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開展汽輪機組遠程保護控制系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)由就地保安器、保安器錯油門、速關(guān)閥、油管路等構(gòu)成，其原理是依靠彈簧力和油壓力平衡來打開或關(guān)閉速關(guān)閥，正常運轉(zhuǎn)時油壓力大于彈簧力，速關(guān)閥保持全開狀態(tài);當(dāng)機組超速或油壓低時，保安器錯油門瞬時內(nèi)斷開進油路，油經(jīng)泄油管流入油箱，使速關(guān)閥關(guān)閉。根據(jù)工作原理分析，關(guān)閉速關(guān)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(guān)閥之間的管路上增設(shè)電動執(zhí)行機構(gòu)(電磁閥)及回油管路，在機組管路上增裝轉(zhuǎn)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(nèi)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(guān)閥活塞所受油壓迅速降到0，從而迅速關(guān)閉速關(guān)閥。圖1為典型汽輪機液壓回路管路示意圖，虛線內(nèi)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(tǒng)設(shè)計

2.1 遠程保護系統(tǒng)原理

新增的汽輪機遠程保護主要內(nèi)容包括超速保護和滑油壓力低保護。超速保護一般是當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速超過設(shè)計最高轉(zhuǎn)速的7% ～10%時，汽輪機轉(zhuǎn)子可能會發(fā)生松動，嚴重時發(fā)生汽輪機飛車的重大事故，因此機組應(yīng)緊急停機;滑油壓力低保護是當(dāng)機組滑油系統(tǒng)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(fā)生故障，應(yīng)使機組緊急停機。

汽輪機遠程保護系統(tǒng)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(zhuǎn)速。為了提高安全可靠性，轉(zhuǎn)速傳感器和滑油壓力傳感器均冗余配置為3路，測量轉(zhuǎn)速的探頭為脈沖形式，為提高測量精度，應(yīng)選擇適當(dāng)齒數(shù)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(tǒng)的核心設(shè)備，當(dāng)保護裝置檢測到轉(zhuǎn)速信號和滑油壓力信號任一參數(shù)超過規(guī)定值時，通過內(nèi)部功能插件處理判斷，輸出保護信息驅(qū)使安裝在管路上的電動執(zhí)行機構(gòu)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(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行部件，其性能優(yōu)劣及穩(wěn)定可靠直接影響機組的安全運行，應(yīng)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(tǒng)組成原理如圖2所示。

圖2 遠程保護系統(tǒng)原理Fig.2 Remote protection system schematic

2.2 保護裝置設(shè)計

2.2.1 裝置組成

保護裝置內(nèi)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(shù)采集功能。前面板上設(shè)有3個電源開關(guān)及電源指示燈、參數(shù)越限報警指示燈、蜂鳴器、顯示數(shù)碼管及速關(guān)操作按鈕等;后面板為用于本機與機組等設(shè)備進行參數(shù)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(shè)置數(shù)碼管，顯示裝置采集的參數(shù)示值;面板上有電源開關(guān)及指示燈表明供電狀況;面板另設(shè)報警指示燈，當(dāng)有參數(shù)越限引起保護動作時，對應(yīng)的指示燈閃爍;為了防止誤操，面板上設(shè)置一對速關(guān)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(zhuǎn)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(shè)備的信息通信功能。其原理為:將測量的轉(zhuǎn)速信號、滑油壓力信號經(jīng)過隔離分別送至保護裝置內(nèi)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(zhuǎn)速高于規(guī)定值或油壓低于規(guī)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(qū)動電磁閥的信號，自動打開電磁閥，聯(lián)通泄油回路，從而實現(xiàn)遠程自動速關(guān)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(guān)按鈕，使管路上的電磁閥打開泄油，從而實現(xiàn)遠程速關(guān)操作;保護裝置利用故障診斷技術(shù)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(shù)以及保護動作信息傳輸至上一級的管理系統(tǒng)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(shè)計措施

保護裝置設(shè)計采取了如下技術(shù)措施:

為了能更準確反映高等學(xué)校資產(chǎn)負債情況，《政府會計制度》在《高等學(xué)校會計制度》單一會計基礎(chǔ)“收付實現(xiàn)制”的基礎(chǔ)上，引入了“權(quán)責(zé)發(fā)生制”，要求高等學(xué)校采用“雙會計基礎(chǔ)”，即財務(wù)會計核算采用權(quán)責(zé)發(fā)生制，預(yù)算會計核算采用收付實現(xiàn)制。

1)設(shè)計中采用技術(shù)成熟，經(jīng)過實船考驗的可靠性高的元器件或為工業(yè)級的器件;元器件品種盡量統(tǒng)一化、標準化;采用降額設(shè)計方法，降低元器件及零部件的故障率;采用熱設(shè)計方法，從元器件篩選、電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)動作信號與執(zhí)行機構(gòu)之間起著聯(lián)接和傳送作用，在整個保護系統(tǒng)中至關(guān)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(yīng)選擇性能可靠、安裝方便，接觸優(yōu)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(shù)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(zhì)量的金屬膜電阻。

⑤根據(jù)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(wěn)壓電源和低頻濾波;溫度效應(yīng)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(shù)字集成電路芯片，電源和地線之間的去耦電容采用串聯(lián)電阻小、有一定電感、穩(wěn)定性好的金屬化聚酯膜電容，以抑制噪聲。

3)軟件設(shè)有自檢功能，采用了編解碼技術(shù)和設(shè)置校驗字節(jié)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(shù)字濾波、軟件看門狗等技術(shù)，提高保護軟件抗干擾能力。

4)印制板設(shè)計應(yīng)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(tǒng)可靠性設(shè)計與分析

根據(jù)保護相關(guān)安全運行規(guī)定，為確保保護功能實施的正確性，降低保護系統(tǒng)誤動率和拒動率，保護系統(tǒng)采取了以下設(shè)計方法。

3.1 冗余設(shè)計

保護系統(tǒng)的冗余性設(shè)計體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)參數(shù)測量的冗余。轉(zhuǎn)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(shè)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(lián)供電，報警燈光聲響指示輸出電路也均采用2路電源并聯(lián)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(shù)從輸入信號隔離、轉(zhuǎn)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(shè)計

本保護系統(tǒng)采用了多級局部仲裁技術(shù)，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(shù)分別進行了局部仲裁后，其結(jié)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(tǒng)的可靠性。

3.4 隔離設(shè)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(xiàn)最大可能的電壓等)都不影響與其隔離設(shè)備的正常工作。各冗余通道的參數(shù)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(shè)備的正常工作。

4 結(jié)語

根據(jù)“保護系統(tǒng)必須最大限度地消除可能出現(xiàn)的誤動作和完全消除可能出現(xiàn)的拒動作”的原則，結(jié)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(zhí)行機構(gòu)的可靠性，進而保證整個保護系統(tǒng)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(dǎo)下，對檢測傳感器和執(zhí)行機構(gòu)訂購把好質(zhì)量關(guān)，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(xù)通電考核試驗、電磁兼容試驗、艦船環(huán)境條件考核試驗等驗證，其技術(shù)性能指標滿足保護系統(tǒng)性能要求。

艦船汽輪機組在就地保安系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加遠程保護功能，在緊急情況下或者就地保安系統(tǒng)失靈時，通過控制室內(nèi)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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