Bảng bảo vệ khẩn cấp tuabin IS215VPROH2B là thành phần cốt lõi, độc lập trong hệ thống điều khiển tuabin khí và hơi nước Mark VI của General Electric (GE), tạo thành cấu trúc bảo vệ ở mức an toàn cao nhất. Bo mạch này được thiết kế đặc biệt để bảo vệ quá tốc độ khẩn cấp (EOS) và các chức năng sao lưu an toàn quan trọng khác. Triết lý cốt lõi của nó là thiết lập một 'tuyến phòng thủ cuối cùng' hoàn toàn độc lập về mặt vật lý, điện và logic với hệ thống điều khiển chính. Trong quá trình vận hành tua bin, đặc biệt là các thiết bị quay cỡ lớn, tốc độ cao như tua bin khí, tua bin hơi, quá tốc độ là một trong những lỗi nguy hiểm nhất có thể dẫn đến thiệt hại thảm khốc. Hệ thống VPRO, đặc biệt là phiên bản công suất thấp VPROH2B, tồn tại để đảm bảo khả năng ngắt và bảo vệ thiết bị một cách đáng tin cậy, ngay cả khi hệ thống điều khiển chính (
,
,
) đều thất bại.
Bo mạch IS215VPROH2B hoạt động trong Mô-đun bảo vệ dự phòng ba mô-đun (TMR) độc lập
giá đỡ. Mô-đun này chứa ba bảng VPRO giống hệt nhau, được chỉ định là R8, S8 và T8 (các phiên bản trước đó được gọi là X, Y, Z). Ba bo mạch này hoạt động song song trong một vỏ cách ly về mặt vật lý, thực hiện logic biểu quyết '2 trên 3'. Thiết kế này cho phép tắt nguồn, thay thế hoặc bảo trì bất kỳ bo mạch nào trong khi thiết bị đang chạy mà không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của hệ thống bảo vệ.
IS215VPROH2B nhận tín hiệu từ các cảm biến trường chuyên dụng thông qua bảng đầu cuối TPRO, bao gồm ba bộ thu tốc độ từ tính độc lập, đồng bộ hóa điện áp kiểm tra, cặp nhiệt điện và đầu vào analog. Đồng thời, nó trực tiếp điều khiển các bộ truyền động cuối cùng—các cuộn dây ngắt điện (ETD)—thông qua các nhóm rơle trên bảng đầu cuối TREG. Giao tiếp với hệ thống điều khiển chính được giới hạn ở việc giám sát trạng thái không quan trọng và trao đổi lệnh kiểm tra qua Ethernet (IONet), đảm bảo tính độc lập và độ tin cậy của các hành động bảo vệ.
Chức năng và tính năng cốt lõi
Bo mạch bảo vệ IS215VPROH2B tích hợp một hệ thống đa chức năng dành riêng cho bảo vệ quan trọng, với các chức năng cốt lõi và đặc điểm thiết kế sau:
1. Bảo vệ quá tốc độ khẩn cấp khẩn cấp ba lần độc lập (Nhiệm vụ cốt lõi):
Các kênh cảm biến hoàn toàn độc lập: Hệ thống sử dụng hai nhóm cảm biến tốc độ hoàn toàn độc lập. Bộ đầu tiên (3 bộ thu) được bộ điều khiển chính (VTUR) sử dụng để kiểm soát tốc độ và bảo vệ quá tốc độ chính. Bộ thứ hai (3 chiếc bán tải khác) được dành riêng cho ba bảng VPRO trong Mô-đun bảo vệ
, đạt được sự cách ly vật lý ở cấp độ cảm nhận.
Kiến trúc biểu quyết có dây cứng '2-of-3': Các bo mạch VPRO R8, S8 và T8 trong mô-đun bảo vệ xử lý độc lập các tín hiệu tốc độ được chỉ định của chúng. Mọi quyết định về việc vượt quá tốc độ đều phải thông qua phiếu bầu '2 trên 3'. Lệnh ngắt chỉ được ban hành nếu có ít nhất hai bảng đánh giá độc lập tình trạng vượt tốc độ. Điều này giúp loại bỏ đáng kể khả năng xảy ra một lỗi bo mạch đơn lẻ gây ra chuyến đi sai (chuyến đi phiền toái) hoặc không thể chuyến đi (lỡ chuyến).
Điểm đặt hành trình có thể điều chỉnh độc lập: Người dùng có thể định cấu hình các điểm đặt tốc độ hành trình riêng biệt cho Quá tốc độ chính (hệ thống điều khiển chính) và Quá tốc độ khẩn cấp (hệ thống bảo vệ VPRO) ( OS_Setpoint ). Điểm đặt quá tốc độ khẩn cấp thường được đặt cao hơn để dự phòng thực sự. Hơn nữa, VPRO hỗ trợ Acceleration Trip ( Accel_Trip ) để phát hiện tốc độ tăng bất thường (ví dụ: từ chối tải đột ngột). Ngay cả khi tốc độ tuyệt đối không vượt quá giới hạn, tốc độ tăng tốc quá cao (ví dụ: vượt quá 100%/s) có thể gây ra ngắt quãng.
2. Giám sát tốc độ thông minh và chẩn đoán sai lệch:
Tính toán tốc độ có độ chính xác cao: VPRO tính toán tốc độ bằng cách đo thời gian để các răng bánh răng đi qua bằng bộ đếm thời gian có độ chính xác cao. Nó hỗ trợ dải tần số xung từ 2 Hz đến 20 kHz với độ chính xác 0,05% số đọc.
Bảo vệ chênh lệch tốc độ ( SpeedDiffEn ): Đây là chức năng xác minh chéo quan trọng. VPRO liên tục so sánh tốc độ tính toán của chính nó với tín hiệu tốc độ ( Speed1 ) nhận được từ bộ điều khiển chính thông qua INet. Nếu chênh lệch vượt quá ngưỡng được định cấu hình ( OS_Diff ) trong một khoảng thời gian liên tục, điều đó cho thấy có sự cố lớn với hệ thống chính hoặc vòng cảm biến và VPRO có thể bắt đầu ngắt để tránh mất khả năng bảo vệ do lỗi đo lường hệ thống chính.
Phát hiện tốc độ cũ ( StaleSpdEn ): Liên tục theo dõi xem tín hiệu tốc độ từ bộ điều khiển chính có bị 'đóng băng' hay không (không thay đổi trong thời gian dài). Việc phát hiện tín hiệu bị đóng băng cho thấy có khả năng xảy ra lỗi trong quá trình truyền hoặc xử lý bộ điều khiển chính và VPRO có thể bắt đầu ngắt.
3. Kiểm soát đầu ra chuyến đi toàn diện và dự phòng:
Đường dẫn hành trình độc lập kép: Các cuộn dây ngắt điện (ETD) được quản lý chung bởi hai bảng đầu cuối: TRPG (cung cấp nguồn điện âm) và TREG (cung cấp nguồn điện dương và điều khiển thông qua rơle). Một trong hai đầu có thể loại bỏ nguồn điện một cách độc lập, ngắt điện cho bộ điện từ và điều khiển hệ thống thủy lực đóng các van. Điều này cung cấp một điểm dừng phần cứng kép.
Kiểm soát biểu quyết nhóm chuyển tiếp: Bảng đầu cuối TREG chứa 12 rơle. Trong số này, 9 Rơle hành trình khẩn cấp (ETR) được chia thành ba nhóm, mỗi nhóm được điều khiển lần lượt bởi các bảng R8, S8 và T8 VPRO. Mỗi nhóm điều khiển một điện từ chuyến đi. Lệnh cắt phải thông qua logic biểu quyết cả trong VPRO và giữa các nhóm chuyển tiếp, đảm bảo độ tin cậy của hành động.
Điện trở tiết kiệm và Rơle tiết kiệm (KE): Mỗi mạch điện từ ngắt được nối tiếp (nối nối tiếp) với một điện trở tiết kiệm (10 Ω, 70 W) và một Rơle tiết kiệm (KE). Trong quá trình hoạt động bình thường, rơle KE được cấp điện, rút ngắn điện trở, cho phép bộ điện từ nhận đầy đủ điện áp để duy trì năng lượng. Tại thời điểm lệnh ngắt được thực hiện, rơle KE sẽ ngắt điện trước tiên, buộc dòng điện chạy qua điện trở giới hạn trong khoảng 0,1 giây trước khi ETR mở để hoàn thành chuyến đi. Điều này làm giảm hiện tượng nóng cuộn dây và tiêu thụ năng lượng trong quá trình hoạt động lâu dài và giảm thiểu phóng điện hồ quang tại các tiếp điểm rơle trong quá trình mở.
4. Kiểm tra đồng bộ dự phòng và bảo vệ máy phát điện:
VPRO tích hợp chức năng Kiểm tra đồng bộ hóa dự phòng. Nó nhận được hai tín hiệu Máy biến thế tiềm năng (PT) độc lập (115 Vrms) từ máy phát và phía bus thông qua bảng đầu cuối TPRO.
Nó sử dụng công nghệ Vòng khóa pha (PLL) để đo chính xác chênh lệch cường độ, chênh lệch tần số và chênh lệch góc pha giữa hai điện áp. Độ chính xác đo pha tốt hơn ± 1 độ ở điện áp và tần số danh định.
Kết quả kiểm tra đồng bộ từ ba bo mạch VPRO được biểu quyết thông qua rơle (ví dụ: K25A trên TTUR). Lệnh đóng hoặc cho phép chỉ được ban hành nếu cả ba hội đồng đánh giá rằng các điều kiện đồng bộ hóa được đáp ứng, cung cấp khóa liên động an toàn dự phòng quan trọng để đồng bộ hóa tự động.
5. Đầu vào giám sát và bảo vệ phụ trợ:
Đầu vào cặp nhiệt điện: Hỗ trợ tối đa 9 đầu vào cặp nhiệt điện (loại E, J, K, T), thường được sử dụng để bảo vệ quá nhiệt khí thải dự phòng trên tuabin khí. Chuyến đi có thể được bắt đầu nếu nhiệt độ khí thải vượt quá điểm đặt ( OwTemp_Trip ). Thông số kỹ thuật tương tự như bo mạch VTCC, có tính năng bù điểm lạnh và tự chẩn đoán.
Đầu vào tương tự: Cung cấp 3 đầu vào tương tự. Một có thể lựa chọn trong khoảng 4-20 mA, ±5 V dc và ±10 V dc; hai cái còn lại là đầu vào 4-20 mA. Chúng có thể giám sát các thông số quy trình quan trọng khác (ví dụ: áp suất, lưu lượng) và đóng vai trò là điều kiện chuyến đi.
Đầu vào Khóa liên động: Cung cấp tối đa 7 đầu vào tiếp điểm khô để nhận tín hiệu ngắt từ các hệ thống bảo vệ khác (ví dụ: độ rung cao, áp suất dầu bôi trơn thấp, nút dừng khẩn cấp thủ công). Có thể được cấu hình cho chế độ chuyến đi trực tiếp hoặc chuyến đi có điều kiện.
6. Thiết kế có độ tin cậy cao và khả năng bảo trì trực tuyến:
Nguồn điện độc lập: Mỗi bo mạch VPRO và toàn bộ mô-đun bảo vệ được trang bị nguồn điện độc lập trên bo mạch, chuyển đổi 125 V DC từ Mô-đun phân phối nguồn (PDM) thành 5 V DC và 28 V DC cần thiết. Thiết kế nguồn điện ba loại giúp loại bỏ nguy cơ mất điện một điểm.
Chức năng kiểm tra trực tuyến: Mỗi bộ điện từ chuyến đi có thể được kiểm tra trực tuyến thông qua phần mềm điều khiển. Trong quá trình thử nghiệm, một điện từ có thể được ngắt điện mà không ảnh hưởng đến hai điện từ còn lại, xác minh tính toàn vẹn của mạch cơ và điện của nó. Các bài kiểm tra mô phỏng quá tốc độ ngoại tuyến cũng được hỗ trợ.
Tính mô-đun và Hoán đổi nóng: Do thiết kế dự phòng ba lớp, toàn bộ mô-đun bảo vệ cho phép tháo và thay thế bất kỳ bo mạch VPRO nào trong khi thiết bị đang chạy mà không làm gián đoạn việc bảo vệ hệ thống.
Nguyên tắc làm việc
Nguyên lý hoạt động của hệ thống IS215VPROH2B là một chuỗi an toàn khép kín tích hợp cảm biến độc lập, xử lý song song, biểu quyết dự phòng và thực thi an toàn.
1. Thu thập và xử lý tín hiệu độc lập:
Tín hiệu tốc độ: Tín hiệu sóng hình sin từ bộ ba Bộ thu từ tính (MPU) chuyên dụng thứ hai để bảo vệ EOS được gửi qua cáp dài (lên đến 300m) đến bảng đầu cuối TPRO. Sau khi khử nhiễu, chúng được đưa vào các cổng đầu vào xung tốc độ cao chuyên dụng của bo mạch R8, S8 và T8 VPRO (thông qua đầu nối J5/J6). Mỗi bo mạch VPRO đếm và tính thời gian các xung được chỉ định một cách độc lập và đồng bộ, sử dụng thuật toán có độ chính xác cao để tính toán tốc độ tuabin ( PR1/2/3 ) và khả năng tăng tốc ( PR1/2/3_Accel ) trong thời gian thực.
Đồng bộ hóa và tín hiệu tương tự: Các tín hiệu như điện áp PT máy phát/bus, cặp nhiệt điện và đầu vào analog được song song và phân phối trên bảng đầu cuối TPRO tới cả ba bảng VPRO (ví dụ: ba cặp nhiệt điện lần lượt đi đến R, S, T). Mỗi bảng thực hiện độc lập việc chuyển đổi A/D, lọc và tính toán giá trị kỹ thuật.
2. Phán quyết logic bảo vệ và biểu quyết nội bộ:
Mỗi bo mạch VPRO so sánh tốc độ tính toán của nó với Điểm đặt hành trình vượt tốc khẩn cấp do người dùng định cấu hình ( OS_Setpoint ). Đồng thời, nó kiểm tra xem khả năng tăng tốc có vượt quá giới hạn hay không và đánh giá sự khác biệt về tín hiệu tốc độ cũng như trạng thái nhận được từ bộ điều khiển chính.
Để đồng bộ hóa kiểm tra, bảo vệ quá nhiệt, vi phạm giới hạn analog, v.v., mỗi bo mạch cũng thực thi logic bảo vệ đã định cấu hình một cách độc lập, tạo ra trạng thái 'quyết định chuyến đi sơ bộ'.
3. Biểu quyết cấp hệ thống dự phòng ba lần:
Đây là cơ chế an toàn cốt lõi của hệ thống VPRO. Các bo mạch R8, S8 và T8 trao đổi thông tin trạng thái bảo vệ tương ứng của chúng thông qua các kết nối bảng nối đa năng hoặc điểm-điểm chuyên dụng, biệt lập, tách biệt với mạng điều khiển chính.
Đối với mỗi đầu ra chuyến đi (ví dụ: nam châm điều khiển rơle ETR1 số 1), lệnh 'kích hoạt' cuối cùng yêu cầu ít nhất hai bảng VPRO để biểu quyết 'yêu cầu chuyến đi.' Hệ thống thực hiện biểu quyết logic và phần cứng '2 trên 3' nghiêm ngặt. Điều này đảm bảo rằng bất kỳ lỗi nào trong một bo mạch VPRO (dù là lỗi cảm biến, lỗi bộ xử lý hay lỗi phần mềm) đều không thể đơn phương gây ra lỗi ngắt. Ngược lại, miễn là hai bảng hoạt động chính xác, khả năng bảo vệ vẫn có hiệu quả, ngăn chặn tình trạng trượt.
4. Điều khiển và thực hiện đầu ra an toàn:
Lệnh ngắt được biểu quyết tác động lên Rơle ngắt khẩn cấp (ETR) tương ứng trên bảng đầu cuối TREG.
Trình tự ngắt: Khi đáp ứng điều kiện ngắt: 1) Đầu tiên, Rơle tiết kiệm (KE) tương ứng ngắt điện, khiến dòng điện chạy qua điện trở tiết kiệm nối tiếp. Điện áp cuộn dây điện từ giảm nhưng được duy trì trong một thời gian ngắn. 2) Ngay sau (mili giây), Rơle ngắt khẩn cấp (ETR) mở ra, cắt hoàn toàn nguồn điện 125 V DC tới đế điện từ đó. Bộ điện từ bị mất điện làm cho van thủy lực thí điểm của nó hoạt động, dẫn đến giảm áp suất của mạch thủy lực chính, khiến van hơi hoặc van nhiên liệu đóng lại nhanh chóng, làm tắt tuabin.
Phản hồi và chẩn đoán trạng thái: VPRO liên tục theo dõi dòng điện cuộn dây trình điều khiển (phản hồi ổ đĩa) và trạng thái thực tế của các tiếp điểm đầu ra (phản hồi tiếp điểm) cho mỗi rơle ETR và KE. Nó cũng theo dõi tình trạng của nguồn điện 125 V DC tới các cuộn dây. Bất kỳ sự không khớp nào giữa 'lệnh' và 'phản hồi thực tế' hoặc mất điện, sẽ ngay lập tức kích hoạt các cảnh báo chẩn đoán chi tiết và được chỉ báo trên các đèn LED của bảng mặt trước (đèn nháy màu xanh lá cây CHẠY, màu đỏ THẤT BẠI ổn định, màu cam TÌNH TRẠNG ổn định), đảm bảo các lỗi được xác định kịp thời.
5. Giao diện an toàn với hệ thống điều khiển chính:
VPRO giao tiếp với bộ điều khiển chính (VCMI) thông qua INet Ethernet. Giao tiếp này chủ yếu được sử dụng cho:
Báo cáo tình trạng sức khỏe, thông tin chẩn đoán và dữ liệu được tính toán của VPRO như tốc độ cho bộ điều khiển chính.
Nhận lệnh kiểm tra trực tuyến, giá trị tham chiếu tốc độ (để so sánh chênh lệch tốc độ) và tín hiệu giám sát điều khiển từ bộ điều khiển chính.
Điểm mấu chốt: Mạng liên lạc này không được sử dụng để truyền các quyết định chuyến đi theo thời gian thực. Quyết định chuyến đi được thực hiện hoàn toàn độc lập trong mô-đun bảo vệ. Lỗi giao tiếp không cản trở khả năng VPRO thực hiện các chức năng bảo vệ của mình, tuân thủ nguyên tắc 'không an toàn' của hệ thống an toàn. Trên thực tế, nếu mất liên lạc khiến 'Control Watchdog' ( ContWdogEn ) hết thời gian chờ, VPRO có thể bắt đầu ngắt vì không thể xác nhận bộ điều khiển chính vẫn hoạt động.
Điểm khác biệt chính so với các phiên bản VPROH1A/H1B
Là phiên bản được tối ưu hóa ở mức năng lượng thấp, sự khác biệt chính về chức năng của VPROH2B so với VPROH1A/H1B là:
Không hỗ trợ cho bảng TREG thứ hai: IS215VPROH2B bỏ qua hỗ trợ kết nối bảng đầu cuối TREG thứ hai (cho phép điều khiển nhiều cuộn dây hành trình hơn) thông qua đầu nối J4. Điều này có nghĩa là một bảng VPROH2B có thể quản lý tối đa một bảng TREG và 3 cuộn dây điện từ liên kết của nó. Các ứng dụng yêu cầu bảng TREG thứ hai phải sử dụng VPROH1A hoặc VPROH1B.
Tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng: Bằng cách hợp lý hóa một phần mạch điều khiển (đối với TREG thứ hai), mức tiêu thụ điện năng tổng thể sẽ giảm, có khả năng hỗ trợ làm mát tủ và lập kế hoạch phụ tải điện.
Ứng dụng và tóm tắt
Bảng bảo vệ khẩn cấp tuabin IS215VPROH2B là 'người bảo vệ' không thể thiếu trong kiến trúc an toàn của các tuabin khí và hơi nước cỡ lớn hiện đại. Nó vượt qua phạm vi của các hệ thống điều khiển thông thường, tạo thành một Hệ thống Thiết bị An toàn (SIS) chuyên dụng phù hợp với các nguyên tắc Mức độ Toàn vẹn An toàn (SIL) cao. Giá trị của nó không chỉ nằm ở việc cung cấp tính năng Bảo vệ quá tốc độ khẩn cấp mà quan trọng hơn là ở việc thiết lập một 'ranh giới cứng an toàn' thực sự thông qua thiết kế cách ly dự phòng ba lớp kỹ lưỡng, đầu ra an toàn được nối dây cứng và kiến trúc độc lập với mạng điều khiển.
Trong ứng dụng, hệ thống VPRO hình thành mối quan hệ 'khóa liên động bảo vệ' sâu sắc với hệ thống điều khiển chính (VTUR, v.v.): hệ thống chính xử lý điều khiển chính xác và bảo vệ chính, trong khi VPRO đóng vai trò là hệ thống dự phòng độc lập, đáng tin cậy. Chúng giám sát lẫn nhau thông qua các cơ chế như so sánh chênh lệch tốc độ và bộ đếm thời gian theo dõi. Lỗi ở một trong hai có thể được người kia phát hiện và có thể bắt đầu một hành động an toàn, nâng cao đáng kể khả năng chịu lỗi và độ an toàn của toàn bộ hệ thống.
