四取二停機電磁閥冗余容錯系統(tǒng)的改進

　　該文分析常規(guī)2取2停機系統(tǒng)與4取2停機電磁閥冗余容錯系統(tǒng)的原理，進一步分析改進后的四取二冗余系統(tǒng)在控制邏輯判斷，結(jié)構(gòu)布置，采購成本等方面優(yōu)勢。

　　引言

　　工業(yè)汽輪機作為驅(qū)動的核心部件，從石油、化工、冶金、建材工業(yè)建設(shè)到發(fā)電、造紙、食品、城市煤氣人們生活日常使用，工業(yè)汽輪機在各行各業(yè)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(shù)的發(fā)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(chǎn)品的必要條件。如一臺驅(qū)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(qū)動部件，一旦出現(xiàn)非計劃內(nèi)的突然停機，除了產(chǎn)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(yè)都希望盡可能避免。而隨著時間發(fā)展，對汽輪機本身檢測范圍，從以前就地壓力、就地溫度、轉(zhuǎn)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(jiān)控。各種原始測點，根據(jù)功能編入控制程序，同時根據(jù)型號重要性與否會考慮增加測點的冗余邏輯。

　　就工業(yè)汽輪機而言，本身的安全運行是最重要的，一旦出現(xiàn)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(fā)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(zhuǎn)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(jù)API這類準則常規(guī)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(guī)檢修相比基本可以滿足常規(guī)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(yè)開發(fā)出三取二這類的停機冗余模塊。汽輪機生產(chǎn)廠家也往往開發(fā)出更適合自己控制系統(tǒng)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(guī)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(xiàn)，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(fā)現(xiàn)四取二控制原理也要比三取二系統(tǒng)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(chǔ)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(guī)系統(tǒng)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(jīng)較小，增加切換閥2230為加快速關(guān)油路的泄油)作為控制油路3-速關(guān)油可直接控制汽輪機主蒸汽進口速關(guān)閥的開和關(guān)。圖中任何一個電磁閥(2222，2223)出現(xiàn)故障，都會引起速關(guān)油路和回油接通，從而停機，此邏輯屬于常規(guī)汽輪機控制邏輯，其安全保證方面比單方控制要好，但相應的因電磁閥故障出現(xiàn)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(xiàn)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

2、四取二停機電磁閥冗余系統(tǒng)簡介

　　四取二停機電磁閥(見圖2)冗余主要采用兩兩串聯(lián)后并聯(lián)基礎(chǔ)上的模式，作為集成模塊，所有閥及相關(guān)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(shù)量，還增加不少節(jié)流孔和截止閥，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

　　切換閥2230為加快速關(guān)油路的泄油，作為控制油路3-速關(guān)油可直接控制汽輪機主蒸汽進口速關(guān)閥的開和關(guān)。

　　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(tài)。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(tǒng)而言，單個電磁閥的故障，系統(tǒng)仍能保證切換閥2230上的油壓在≥11kgf/cm2，不會影響系統(tǒng)運行,當其中任何兩個電磁閥出現(xiàn)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(guān)閥將快速關(guān)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(tǒng)》中的詳細分析，其實測數(shù)據(jù)也基本與分析吻合。但電磁閥本身是否處于故障狀態(tài)無法直接判斷，必須通過相關(guān)油壓P09、P10、P12的變化來判斷，用戶現(xiàn)場需要通過PT301，PT303，PT305設(shè)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(shù)十個項目，運行狀態(tài)良好。但我們也可以從上述圖2描述的系統(tǒng)也可以看出，由于故障電磁閥判斷依賴于系統(tǒng)模塊外置的壓力測量來判斷，故障發(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(guī)二取一電磁閥系統(tǒng)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(xiàn)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(yè)人員去不定期地去現(xiàn)場判斷，并不利于現(xiàn)在社會發(fā)展趨勢。

3、四取二停機電磁閥控制的改進

　　對比圖2可以發(fā)現(xiàn)，停機系統(tǒng)的關(guān)鍵部位依然在電磁閥本身上。而隨著各家電磁閥廠商技術(shù)發(fā)展，各種型號的電磁閥也在推陳出新，最近隨著帶位置開關(guān)板式電磁閥出現(xiàn)，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(chǔ)上,其實只要增加一個對電磁閥故障狀態(tài)的判斷模塊就可以比較輕松的解決冗余電磁閥系統(tǒng)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(guān)，如圖4所示，對應電磁閥2222~2225增加位置開關(guān)ZS601~ZS608。改進后的系統(tǒng)3與以往系統(tǒng)2相比，具有以下幾點優(yōu)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?yōu)橛晌恢瞄_關(guān)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(guān)ZS601就會有發(fā)出信號同樣在處于關(guān)閉的位置時位置開關(guān)ZS605發(fā)出信號。(圖3和圖4的區(qū)別在于電磁閥本身自帶位置開關(guān)的數(shù))。判斷直觀簡單，不容易出錯。

　　(2) 結(jié)構(gòu)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(guān)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(xiàn)有結(jié)構(gòu)，只要接走額外的位置開關(guān)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(xiàn)場安裝都一定簡化。

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

　　(3)成本方面：由于可以針對性對低壓油開發(fā)生產(chǎn)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(guān)，電磁閥本身成本價格就可以節(jié)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(guān)連接件與附件，整個停機系統(tǒng)模塊將節(jié)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(guān)閉速關(guān)閥以保證汽輪機的本身的安全。改進后系統(tǒng)更是在邏輯判斷，結(jié)構(gòu)安裝，采購成本都有改善。

　　至于上述系統(tǒng)兩種形式區(qū)別，圖4采用的是帶雙位置開關(guān)的電磁閥，優(yōu)點在于電磁閥無論是因為閥內(nèi)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(tài)的位置開關(guān)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(fā)，相對于圖4邏輯，雖然少了一個位置開關(guān)，但在故障發(fā)生源、接線布置、采購價格會有一定優(yōu)勢。當然具體情況，還需要最終客戶決定。

4、實際運用與發(fā)展前景

　　整個四取二電磁閥冗余控制系統(tǒng)已在國內(nèi)外數(shù)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(tǒng)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(tǒng)的使用價值將進一步提升。