Il sistema VTUR Turbine Specific Primary Trip è un componente protettivo fondamentale del sistema di controllo delle turbine a gas e a vapore Mark VI, progettato come prima linea di difesa per garantire il funzionamento sicuro delle unità turbina. L'IS200VTURH1B è una morsettiera critica all'interno di questo sistema, poiché funge da hub di interfaccia tra la scheda di controllo VTUR principale e i sensori/attuatori di campo. È responsabile dell'aggregazione di segnali critici come velocità, tensione e stato della fiamma e dell'esecuzione dei comandi di sgancio e sincronizzazione dal controller. Noto per la sua elevata affidabilità, risposta rapida e diagnostica completa, questo sistema è ampiamente utilizzato nei settori energetico e industriale dove sono richiesti i più elevati standard di sicurezza.
2. Funzioni principali e principi dettagliati
La morsettiera IS200VTURH1B funziona di concerto con la scheda VTUR principale per implementare un sistema di protezione e controllo ridondante multistrato per le turbine.
2.1 Protezione primaria da sovravelocità e misurazione della velocità
Questa è la funzione di protezione più critica del sistema VTUR, progettata per impedire che la velocità della turbina superi i limiti di progettazione meccanica ed evitare guasti catastrofici.
Principio tecnico:
Acquisizione del segnale: il sistema si collega a quattro pickup magnetici passivi indipendenti di velocità tramite la morsettiera IS200VTURH1B. Questi sensori sono montati adiacenti a una ruota di velocità a sessanta denti che ruota insieme all'albero della turbina. Il dente e lo spazio alternati modificano il flusso magnetico, generando un segnale di tensione CA con una frequenza proporzionale alla velocità. Questo design è vantaggioso in quanto non richiede alimentazione esterna, è robusto e ha una forte immunità al rumore.
Elaborazione del segnale: i deboli segnali sinusoidali provenienti dai sensori vengono trasmessi tramite cavi schermati all'IS200VTURH1B e quindi alla scheda principale VTUR. Il VTUR contiene la frequenza degli impulsi sui circuiti digitali, che prima filtrano il segnale (rimuovendo il rumore ad alta frequenza), lo bloccano (limitando l'ampiezza della tensione per proteggere i circuiti successivi) e applicano l'accoppiamento CA (rimuovendo l'offset CC). Un trigger di Schmitt converte quindi l'onda sinusoidale in un treno di impulsi ad onda quadra, dove ciascun impulso rappresenta il passaggio di un dente.
Calcolo e votazione della velocità: il controller (VCMI) calcola la velocità in tempo reale (RPM) misurando la frequenza degli impulsi. In un sistema TMR (Triple Modular Redundant), tre moduli controller calcolano la velocità in modo indipendente e viene eseguita una selezione del valore medio: il valore medio delle tre letture viene utilizzato come velocità finale valida per il controllo e la protezione. Questo meccanismo può tollerare un guasto in ogni singolo modulo o sensore, migliorando significativamente l'affidabilità del sistema.
Logica di intervento per sovravelocità: il calcolo primario dell'intervento per sovravelocità viene eseguito principalmente nel controller. Il controller confronta la velocità media votata con un setpoint di intervento per velocità eccessiva preimpostato. Una volta che la velocità supera il setpoint, il controller genera immediatamente un segnale di intervento. Questo segnale viene inviato alla scheda VTUR, che poi pilota i relè di sgancio primari sulla morsettiera di sgancio TRPx. Questi relè controllano il circuito di alimentazione dei solenoidi di intervento di emergenza (ETD). La diseccitazione del relè fa sì che il solenoide scarichi la pressione, attivando il sistema idraulico meccanico per chiudere rapidamente le valvole del carburante o del vapore della turbina, ottenendo un arresto.
2.2 Intervento rapido per sovravelocità
Per applicazioni come le turbine a gas che richiedono una risposta estremamente rapida, la protezione primaria da sovravelocità standard potrebbe non essere sufficientemente rapida. Pertanto, VTUR incorpora un algoritmo Fast Overspeed Trip che viene eseguito direttamente sull'hardware VTUR, bypassando il controller e riducendo il tempo di risposta dello scatto a 30 millisecondi o meno.
Principio tecnico:
PR_Single (Frequenza impulsi - Singolo): questo algoritmo divide due segnali ridondanti del sensore di velocità su due schede VTUR ridondanti. Ciascuna scheda utilizza il segnale del singolo sensore per prendere una decisione indipendente sulla velocità eccessiva. Il sistema rimane operativo solo se nessuna delle schede attiva uno scatto. Ciò fornisce ridondanza sia a livello di sensore che di scheda VTUR ed è l'algoritmo preferito per le turbine a gas della serie LM.
PR_Max (Frequenza impulsi - Massima): questo algoritmo collega due segnali ridondanti del sensore di velocità a una singola scheda VTUR. La tavola confronta continuamente i valori di velocità e utilizza sempre la maggiore delle due velocità per valutare la velocità eccessiva. Questo metodo protegge efficacemente contro i guasti in caso di 'albero rotto' o di grave decelerazione in cui il segnale di un sensore fallisce o diminuisce erroneamente, evitando anche fastidiosi scatti dovuti a un singolo guasto del sensore.
Opzioni algoritmo: VTUR offre due algoritmi di intervento rapido.
Interblocco hardware: il segnale di sgancio rapido viene emesso tramite uscite dedicate (da PTR1 a PTR6) sulla scheda VTUR ed è collegato al circuito del relè di sgancio primario tramite una logica OR-gate. Ciò garantisce che i relè di sgancio si attivino indipendentemente dal fatto che venga attivato lo sgancio primario standard OPPURE lo sgancio rapido.
2.3 Monitoraggio della tensione e della corrente dell'albero
Questa funzione protegge i cuscinetti del generatore a turbina dai danni dovuti all'erosione elettrica causati dalle correnti dell'albero.
Principio tecnico:
Test CA: avviato dal controller R, inietta un segnale di test da 1 kHz nel circuito di misurazione della tensione dell'albero. I controller S e T sani dovrebbero rilevare questo specifico offset di frequenza. Questo test verifica l'integrità dell'intero circuito dal VTUR al punto di misura.
Test CC: avviato anch'esso dal controller R, applica una tensione CC di 5 V al circuito albero-terra esterno e misura la corrente CC risultante. Calcolando la resistenza del circuito, il sistema può determinare se la resistenza di contatto della spazzola ( Limite spazzola ) e il circuito di shunt ( Limite shunt ) rientrano nell'intervallo normale. Una resistenza eccessivamente elevata indica in genere l'usura delle spazzole, uno scarso contatto o un circuito aperto.
Fenomeno e pericolo: durante il funzionamento della turbina, può accumularsi tensione sull'albero del rotore rispetto al suolo a causa della carica di vapore (impatto di gocce d'acqua sulle pale), ondulazione del campo del generatore o asimmetria del circuito magnetico. Quando questa tensione si accumula abbastanza da rompere la pellicola d'olio del cuscinetto, si verificano correnti di scarica istantanee, che causano l'erosione elettrica sulle piste e sulle sfere dei cuscinetti (nota come brina), portando infine al guasto del cuscinetto.
Sistema di monitoraggio: le spazzole di carbone installate sull'albero guidano la tensione dell'albero alla morsettiera VTURH1B. Il sistema monitora sia la tensione albero-terra che la corrente albero che scorre attraverso le spazzole (misurata tramite la caduta di tensione attraverso un resistore shunt di precisione). VTUR utilizza circuiti di strumentazione ad alta impedenza per garantire che il sistema di messa a terra originale dell'albero non venga compromesso.
Test di autodiagnosi:
2.4 Rilevamento di fiamma
Nelle applicazioni con turbine a gas, VTUR funziona con la scheda TRPG per monitorare fino a otto rilevatori di fiamma Geiger-Müller.
Principio tecnico:
Funzionamento del rilevatore: In assenza di fiamma, il condensatore interno del rilevatore si carica con la tensione di alimentazione di 335 V CC. Quando è presente la radiazione ultravioletta, il gas all'interno del rilevatore si ionizza, provocando la rapida scarica del condensatore attraverso la scheda TRPG.
Elaborazione del segnale: VTUR e TRPG convertono ogni evento di scarica in un impulso di tensione. Una maggiore intensità della fiamma porta ad una maggiore frequenza di scarica, con un intervallo di frequenza degli impulsi da 0 a 1000 impulsi al secondo. VTUR conta gli impulsi in una finestra di 40 millisecondi e confronta la frequenza degli impulsi con un setpoint per determinare la presenza e l'intensità della fiamma. Gli impulsi di tensione vengono distribuiti a tutti e tre i moduli controller (R, S, T), garantendo una protezione ridondante.
2.5 Sincronizzazione automatica
Questa funzione adatta automaticamente lo stato del generatore alla rete elettrica per una connessione fluida e senza scosse (chiusura dell'interruttore principale).
Principio tecnico:
K25P (Synchronizing Sequence Permissive): dal VTUR controlla se lo stato della sequenza propria della turbina consente la sincronizzazione.
K25 (relè di sincronizzazione automatica): da VTUR, utilizza tecniche di attraversamento a tensione zero e compensa il tempo di chiusura dell'interruttore. Prevede il momento esatto in cui chiudere l'interruttore in modo che i contatti si chiudano quando la differenza di fase è prossima allo zero, tenendo conto del ritardo meccanico.
K25A (Sync Check Relay): dalla scheda di protezione VPRO, funge da backup indipendente. Verifica rispetto a una finestra di sincronizzazione fissa (tipicamente differenza di fase di ±10°, differenza di frequenza di ±0,27 Hz). I suoi contatti si chiudono solo se tutti i parametri si trovano all'interno di questa finestra.
Ingresso segnale: le tensioni del generatore e del bus vengono introdotte tramite due set di trasformatori potenziali (PT) monofase, ridotti a segnali di circa 115 V CA per la misurazione sulla scheda VTURH1B.
Processo di sincronizzazione:
Tripla chiusura permissiva e interruttore: l'emissione del comando di chiusura automatica richiede l'autorizzazione simultanea di tre funzioni indipendenti:
Chiusura e feedback: quando tutti e tre i permessi sono soddisfatti, VTUR invia il comando di chiusura all'interruttore del generatore principale. Un contatto ausiliario da 52 G/a proveniente dall'interruttore stesso (non un relè intermedio) restituisce al sistema il tempo di chiusura effettivo, utilizzato per ottimizzare le previsioni di chiusura futura.
Corrispondenza della frequenza (regolazione della velocità): VTUR confronta le frequenze del generatore e del bus, generando comandi di velocità 'Aumenta' o 'Diminuisci' inviati tramite il controller al sistema di regolazione per regolare la velocità del generatore in sincronismo con la rete.
Abbinamento della tensione (regolazione dell'eccitazione): VTUR confronta le tensioni del generatore e del bus, inviando comandi tramite la rete UDH al sistema di eccitazione EX2000 per regolare la corrente di campo del generatore, adattando la tensione alla rete.
Sincronizzazione di fase: VTUR cattura con precisione i punti di passaggio per lo zero delle forme d'onda della tensione del generatore e del bus, calcolando la differenza di fase in tempo reale tra di loro.
3. Interfaccia e installazione hardware
4. Diagnostica e manutenzione
Il sistema VTUR è dotato di una diagnostica online completa.
Indicazione LED del pannello anteriore: RUN (in funzione - verde lampeggiante), FAIL (guasto - rosso fisso), STATUS (normale - spento, allarme diagnostico - arancione fisso).
Elementi diagnostici chiave:
Discordanza driver relè/feedback: confronta il segnale di comando del relè di sgancio con il suo stato di feedback effettivo.
Alimentazione solenoide assente: monitora l'alimentazione del circuito di sgancio sulla scheda TRPx.
Tensione anomala del rilevatore di fiamma: monitora se l'alimentazione a 335 V CC rientra nei limiti di tolleranza (314,9 V - 355,1 V).
Sincronizzazione relè lento o bloccato: monitora i tempi di attivazione dei relè K25, K25A e K25P.
Identificazione della morsettiera: legge il chip ID sulle morsettiere (ad esempio, TTURH1B) per verificare la compatibilità hardware e la corretta connessione, prevenendo errori di configurazione.
Gestione dei guasti: tutte le informazioni diagnostiche attivano un allarme composito L3DIAG_VTUR. Codici di errore specifici e potenziali cause possono essere visualizzati sull'HMI, guidando il personale di manutenzione a individuare rapidamente il problema.
