برد محافظ توربین اولیه GE IS200VTURH1B(IS200VTURH1BAA)

سیستم سفر اولیه ویژه توربین VTUR جزء محافظ اصلی سیستم کنترل توربین گاز و بخار Mark VI است که به عنوان اولین خط دفاعی برای اطمینان از عملکرد ایمن واحدهای توربین طراحی شده است. IS200VTURH1B یک برد ترمینال حیاتی در این سیستم است که به عنوان هاب رابط بین برد کنترل اصلی VTUR و حسگرها/عملگرهای میدان عمل می کند. وظیفه تجمیع سیگنال‌های حیاتی مانند سرعت، ولتاژ و وضعیت شعله و اجرای دستورات سفر و هماهنگ‌سازی از کنترلر را بر عهده دارد. این سیستم که به دلیل قابلیت اطمینان بالا، پاسخ سریع و تشخیص جامع شناخته شده است، به طور گسترده در بخش های انرژی و صنعتی که بالاترین استانداردهای ایمنی مورد نیاز است، استفاده می شود.

2. توابع اصلی و اصول تفصیلی

برد ترمینال IS200VTURH1B در هماهنگی با برد اصلی VTUR برای پیاده سازی سیستم کنترل و حفاظت چند لایه و اضافی برای توربین ها کار می کند.

2.1 حفاظت اولیه از سرعت بیش از حد و اندازه گیری سرعت
این مهم ترین عملکرد حفاظتی سیستم VTUR است که برای جلوگیری از تجاوز سرعت توربین از محدودیت های طراحی مکانیکی و جلوگیری از خرابی فاجعه بار طراحی شده است.

• اصل فنی:

• دریافت سیگنال: این سیستم از طریق برد ترمینال IS200VTURH1B به چهار پیکاپ سرعت مغناطیسی غیرفعال مستقل متصل می شود. این سنسورها در مجاورت یک چرخ سرعت شصت دندانه که با شفت توربین می چرخد ​​نصب می شوند. دندانه و شکاف متناوب، شار مغناطیسی را تغییر می دهد و سیگنال ولتاژ متناوب با فرکانس متناسب با سرعت تولید می کند. این طراحی سودمند است زیرا به هیچ نیروی خارجی نیاز ندارد، قوی است و دارای ایمنی قوی در برابر نویز است.

• پردازش سیگنال: سیگنال‌های ضعیف سینوسی از سنسورها از طریق کابل‌های محافظ به IS200VTURH1B و سپس به برد اصلی VTUR منتقل می‌شوند. VTUR شامل نرخ پالس مدارهای دیجیتال است که ابتدا سیگنال را فیلتر می کند (حذف نویز فرکانس بالا)، آن را می بندد (محدود کردن دامنه ولتاژ برای محافظت از مدارهای بعدی) و کوپلینگ AC (حذف افست DC) را اعمال می کند. یک ماشه اشمیت سپس موج سینوسی را به یک قطار پالس موج مربعی تبدیل می کند، جایی که هر پالس نشان دهنده عبور یک دندان است.

• محاسبه سرعت و رای گیری: کنترل کننده (VCMI) با اندازه گیری فرکانس پالس سرعت واقعی (RPM) را محاسبه می کند. در یک سیستم TMR (Triple Modular Redundant)، سه ماژول کنترل‌کننده به طور مستقل سرعت را محاسبه می‌کنند و یک مقدار متوسط ​​انتخاب می‌شود—مقدار میانی سه قرائت به عنوان سرعت معتبر نهایی برای کنترل و حفاظت استفاده می‌شود. این مکانیزم می‌تواند خرابی هر ماژول یا سنسور را تحمل کند و قابلیت اطمینان سیستم را به طور قابل توجهی افزایش دهد.

• منطق سفر بیش از حد: محاسبه اولیه سفر بیش از حد در درجه اول در کنترلر انجام می شود. کنترل کننده سرعت میانه رای گیری شده را با یک نقطه تنظیم از پیش تعیین شده سفر بیش از حد سرعت مقایسه می کند. هنگامی که سرعت از نقطه تنظیم فراتر رفت، کنترل کننده بلافاصله یک سیگنال سفر تولید می کند. این سیگنال به برد VTUR فرستاده می شود، که سپس رله های تریپ اولیه را روی برد ترمینال تریپ TRPx هدایت می کند. این رله ها مدار برق شیر برقی های سفر اضطراری (ETD) را کنترل می کنند. قطع انرژی رله باعث می شود که شیر برقی فشار را تخلیه کند و سیستم هیدرولیک مکانیکی را به سرعت دریچه های سوخت یا بخار توربین را ببندد و به خاموشی دست یابد.

2.2 سفر با سرعت بیش از حد سریع
برای کاربردهایی مانند توربین های گازی که نیاز به واکنش بسیار سریع دارند، حفاظت اولیه استاندارد از سرعت بیش از حد ممکن است به اندازه کافی سریع نباشد. بنابراین، VTUR از یک الگوریتم Fast Overspeed Trip استفاده می‌کند که مستقیماً روی سخت‌افزار VTUR اجرا می‌شود، کنترل‌کننده را دور می‌زند و زمان پاسخ سفر را به 30 میلی‌ثانیه یا کمتر کاهش می‌دهد.

• اصل فنی:

• PR_Single (ضربان پالس - تک): این الگوریتم دو سیگنال سنسور سرعت اضافی را به دو برد VTUR اضافی تقسیم می کند. هر برد از سیگنال حسگر خود برای تصمیم گیری مستقل در مورد سرعت بیش از حد استفاده می کند. این سیستم تنها در صورتی فعال باقی می ماند که هیچ یک از هیئت مدیره سفری را آغاز نکنند. این امر افزونگی را در سطح سنسور و برد VTUR فراهم می کند و الگوریتم ترجیحی برای توربین های گاز سری LM است.

• PR_Max (ضربان پالس - حداکثر): این الگوریتم دو سیگنال سنسور سرعت اضافی را به یک برد VTUR متصل می کند. برد به طور مداوم مقادیر سرعت را با هم مقایسه می کند و همیشه از دو سرعت بالاتر برای قضاوت در مورد سرعت بیش از حد استفاده می کند. این روش به طور موثر در برابر خرابی تردد در موارد 'شفت شکسته' یا کاهش شدید سرعت که در آن سیگنال یک سنسور از کار می‌افتد یا به اشتباه سقوط می‌کند، محافظت می‌کند، در حالی که از سفرهای مزاحم ناشی از خرابی یک سنسور نیز جلوگیری می‌کند.

• گزینه های الگوریتم: VTUR دو الگوریتم سفر سریع را ارائه می دهد.

• اینترلاک سخت افزاری: سیگنال تریپ سریع از طریق خروجی های اختصاصی (PTR1 تا PTR6) روی برد VTUR صادر می شود و از طریق منطق OR-gate به مدار رله تریپ اولیه متصل می شود. این تضمین می‌کند که رله‌های سفر فعال می‌شوند، خواه تریپ اولیه استاندارد یا سفر سریع فعال شود.

2.3 نظارت بر ولتاژ و جریان شفت
این عملکرد از یاتاقان های ژنراتور توربین در برابر آسیب فرسایش الکتریکی ناشی از جریان شفت محافظت می کند.

• اصل فنی:

• تست AC: با شروع کنترلر R، سیگنال تست 1 کیلوهرتز را به مدار اندازه گیری ولتاژ شفت تزریق می کند. کنترلرهای سالم S و T باید این تغییر فرکانس خاص را تشخیص دهند. این تست یکپارچگی کل مدار را از VTUR تا نقطه اندازه گیری تایید می کند.

• تست DC: همچنین توسط کنترلر R آغاز شده است، ولتاژ 5 ولت DC را به حلقه خارجی شفت به زمین اعمال می کند و جریان DC حاصل را اندازه می گیرد. با محاسبه مقاومت حلقه، سیستم می تواند تعیین کند که آیا مقاومت تماس برس ( Brush Limit ) و حلقه شنت ( Shunt Limit ) در محدوده نرمال هستند یا خیر. مقاومت بیش از حد بالا معمولاً نشان دهنده سایش برس، تماس ضعیف یا مدار باز است.

• پدیده و خطر: در حین کار توربین، ولتاژ می تواند بر روی شفت روتور نسبت به زمین به دلیل شارژ شدن بخار ( برخورد قطرات آب به پره ها)، امواج میدان ژنراتور یا عدم تقارن مدار مغناطیسی ایجاد شود. هنگامی که این ولتاژ به اندازه کافی برای شکستن فیلم روغن یاتاقان جمع می شود، جریان های تخلیه آنی رخ می دهد که باعث فرسایش الکتریکی در بلبرینگ ها و توپ ها می شود (معروف به یخ زدگی) و در نهایت منجر به خرابی یاتاقان می شود.

• سیستم مانیتورینگ: برس های کربنی نصب شده روی شفت، ولتاژ شفت را به برد ترمینال VTURH1B هدایت می کنند. این سیستم هم ولتاژ شفت به زمین و هم جریان شفت را که از طریق برس ها می گذرد (که از طریق افت ولتاژ در یک مقاومت شنت دقیق اندازه گیری می شود) نظارت می کند. VTUR از مدارهای ابزار دقیق با امپدانس بالا استفاده می کند تا اطمینان حاصل شود که سیستم اتصال زمین اصلی شفت تحت تأثیر قرار نمی گیرد.

• تست های خود تشخیصی:

2.4 تشخیص شعله
در کاربردهای توربین گاز، VTUR با برد TRPG برای نظارت بر هشت آشکارساز شعله Geiger-Müller کار می کند.

• اصل فنی:

• عملکرد آشکارساز: در صورت عدم وجود شعله، خازن داخلی آشکارساز تا ولتاژ تغذیه 335 ولت DC شارژ می شود. هنگامی که اشعه ماوراء بنفش وجود دارد، گاز درون آشکارساز یونیزه می شود و باعث می شود خازن به سرعت از طریق برد TRPG تخلیه شود.

• پردازش سیگنال: VTUR و TRPG هر رویداد تخلیه را به یک پالس ولتاژ تبدیل می کنند. شدت شعله بیشتر منجر به فرکانس تخلیه بالاتر با محدوده فرکانس پالس 0 تا 1000 پالس در ثانیه می شود. VTUR پالس ها را در یک پنجره 40 میلی ثانیه ای شمارش می کند و برای تعیین حضور و شدت شعله، نرخ پالس را با یک نقطه تنظیم مقایسه می کند. پالس‌های ولتاژ به هر سه ماژول کنترل‌کننده (R، S، T) فن می‌شوند و از حفاظت اضافی اطمینان می‌دهند.

2.5 همگام سازی خودکار
این عملکرد به طور خودکار وضعیت ژنراتور را با شبکه برق تطبیق می دهد تا یک اتصال صاف و بدون ضربه (بسته شدن قطع کننده مدار اصلی) برقرار شود.

• اصل فنی:

• K25P (Synchronizing Sequence Permissive): از VTUR، بررسی می کند که آیا وضعیت توالی خود توربین اجازه همگام سازی را می دهد یا خیر.

• K25 (رله همگام سازی خودکار): از VTUR، از تکنیک های عبور ولتاژ صفر استفاده می کند و زمان بسته شدن قطع کننده را جبران می کند. لحظه دقیق بسته شدن بریکر را پیش‌بینی می‌کند تا زمانی که اختلاف فاز نزدیک به صفر است، کنتاکت‌ها ایجاد شوند و تاخیر مکانیکی را به حساب بیاورند.

• K25A (رله بررسی همگام سازی): از برد حفاظتی VPRO، به عنوان یک پشتیبان مستقل عمل می کند. در برابر یک پنجره همگام سازی ثابت (معمولاً ± 10 درجه اختلاف فاز، ± 0.27 هرتز اختلاف فرکانس) بررسی می شود. مخاطبین آن تنها در صورتی بسته می شوند که همه پارامترها در این پنجره باشند.

• ورودی سیگنال: ولتاژ ژنراتور و باس از طریق دو مجموعه از ترانسفورماتورهای پتانسیل تک فاز (PTs) وارد می شود که برای اندازه گیری روی برد VTURH1B به سیگنال های AC تقریباً 115 ولت کاهش می یابد.

• فرآیند همگام سازی:

• Triple Permissive & Breaker Closure: صدور فرمان بسته شدن خودکار نیاز به مجوز همزمان سه عملکرد مستقل دارد:

• بستن و بازخورد: هنگامی که هر سه مجاز برآورده می شوند، VTUR دستور بستن را به شکن اصلی ژنراتور صادر می کند. یک کنتاکت کمکی 52G از خود بریکر (نه یک رله میانی) زمان بسته شدن واقعی را به سیستم برمی گرداند، که برای بهینه سازی پیش بینی های بسته شدن آینده استفاده می شود.

1. تطبیق فرکانس (تنظیم سرعت): VTUR فرکانس‌های ژنراتور و باس را مقایسه می‌کند و دستورات سرعت 'افزایش' یا 'پایین‌تر' ارسال می‌شود که از طریق کنترل‌کننده به سیستم گاورنر ارسال می‌شود تا سرعت ژنراتور را در هماهنگی با شبکه تنظیم کند.

2. تطبیق ولتاژ (تنظیم تحریک): VTUR ولتاژ ژنراتور و باس را مقایسه می کند، دستورات را از طریق شبکه UDH به سیستم تحریک EX2000 ارسال می کند تا جریان میدان ژنراتور را تنظیم کند و ولتاژ را با شبکه تطبیق دهد.

3. همگام سازی فاز: VTUR دقیقاً نقاط تلاقی صفر شکل موج ژنراتور و ولتاژ باس را ثبت می کند و اختلاف فاز بلادرنگ بین آنها را محاسبه می کند.

3. رابط سخت افزاری و نصب

• برد ترمینال IS200VTURH1B:

• نوع رابط: دارای بلوک های ترمینال از نوع مانع برای سیم کشی و نگهداری آسان میدان است که می تواند به عنوان یک واحد از برد جدا شود.

• کانکتورها: مجهز به کانکتورهای 37 پین 'D' با بست های چفت کننده برای اتصال ایمن به برد اصلی VTUR در داخل رک VME.

• دسترسی به سیگنال: از 4 پیکاپ سرعت مغناطیسی، سیگنال‌های ژنراتور/باس PT، سیگنال‌های ولتاژ/جریان شفت و کابل‌های برد TRPG پشتیبانی می‌کند.

• نصب و راه اندازی:

• برد اصلی VTUR در یک رک پردازنده VME نصب شده است. نصب نیاز به خاموش کردن قفسه، قرار دادن برد در شکاف، فشار دادن اهرم های بالا و پایین با دست برای قرار دادن کانکتورهای لبه، و در نهایت سفت کردن پیچ های نگهدارنده روی پانل جلویی دارد.

• تمام اتصالات کابل در کانکتورهای J3، J4 و J5 در پایین رک VME انجام می شود که برای اتصال ایمن از نوع ضامن هستند.

4. تشخیص و تعمیر و نگهداری

سیستم VTUR دارای تشخیص آنلاین جامع است.

• نشانگر LED پنل جلو: RUN (عملکرد - سبز چشمک زن)، FAIL (عیب - قرمز ثابت)، وضعیت (عادی - خاموش، هشدار تشخیصی - نارنجی ثابت).

• موارد کلیدی تشخیصی:

• عدم تطابق درایور رله/فیدبک: سیگنال فرمان رله سفر را با وضعیت بازخورد واقعی آن مقایسه می کند.

• برق شیر برقی وجود ندارد: برق مدار سفر را بر روی برد TRPx نظارت می کند.

• ولتاژ آشکارساز شعله غیر عادی: اگر منبع تغذیه 335 ولت DC در حد تحمل باشد (314.9 ولت - 355.1 ولت) نظارت می کند.

• رله همگام‌سازی کند یا قفل شده: زمان‌بندی فعال‌سازی رله‌های K25، K25A و K25P را نظارت می‌کند.

• شناسایی برد ترمینال: تراشه شناسه را روی بردهای ترمینال (مثلا TTURH1B) می خواند تا سازگاری سخت افزار و اتصال صحیح را تأیید کند و از پیکربندی نادرست جلوگیری کند.

• رسیدگی به خطا: همه اطلاعات تشخیصی زنگ L3DIAG_VTUR ترکیبی را راه‌اندازی می‌کنند. کدهای خطای خاص و علل بالقوه را می توان در HMI مشاهده کرد و پرسنل تعمیر و نگهداری را برای یافتن سریع مشکل راهنمایی می کند.