基于Markov模型的汽轮机超速保护系统可靠性分析.pdf

第52 卷第3 期2023年0 9 月文章编号：16 7 2-5549(2 0 2 3)0 3-0 2 0 4-0 4基于 Markov 林模型的汽轮机超速保护系统可靠性分析彭运洪，陈龙，白涛？（1.上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海2 0 0 2 40；2.中国联合重型燃气轮机技术有限公司，上海2 0 0 2 40）摘要：对于汽轮机而言，超速是破坏性极大的安全事故，因此超速保护系统是汽轮机机组控制系统中的关键部分，其安全性、可靠性直接影响机组运行安全。以某品牌数字化超速保护系统为例，在分析系统状态的基础上，采用故障模式与影响分析（FMEA)方法对故障进行分类，根据各主要部件的失效类型和失效率提出一种基于Markov模型的汽轮机超速保护系统可靠性和安全性的分析方法。研究成果可为汽轮机保护系统的设计提供技术支撑。关键词：汽轮机；超速保护；数字化保护系统；安全性分析中图分类号：TK264.2Reliability Analysis on Overspeed Protection Systemin Steam Turbine Based on Markov ModelPENG Yunhong,CHEN Long,BAI Tao?(1.Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.,Ltd.Turbine Plant,Shanghai 200240,China;2.China United Gas Turbine Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200240,China)Abstract:Overspeed of steam turbine is a kind of extremely destructive accident,so the overspeed protectionsystem is a key part of the control system in steam turbine unit,and its safety and reliability have direct influence onthe unit operation safety.Taking a digital overspeed protection system as an example,the faults were classified by theFailure Mode and Effect Analysis(FMEA)method based on the analysis of the system state.According to the failuretype and rate of each main component,an analysis method based on Markov model was proposed for the reliability andsafety of overspeed protection system in steam turbine.The research results can provide technical support for thedesign of steam turbine protection systems.Key words:steam turbine;overspeed protection;digital protection system;safety analysis汽轮机安全可靠的运行是维持电力稳定生产的前提条件，而超速可能导致汽轮机机组设备损坏甚至毁坏报废，破坏性极大。因此超速保护是汽轮机机组控制系统中的一项关键内容。在机械式保护系统的功能验证和测试中，将汽轮机机组升速到预设的最大值可能会对汽轮机本体的转动部件造成损害。随着数字控制技术的飞速发展，近年来汽轮机机组超速保护逐步采用数字化保护系统，可以避免上述问题，同时消除机械式保护系统机构卡涩所引起的拒动，以及定值漂移所导致的误动。然而，采用数字化保护系统可能会出现收稿日期：2 0 2 2-0 9-13修订日期：2 0 2 3-0 6-15作者简介：彭运洪（19 7 7 一），男，毕业于上海交通大学，硕士，现从事汽轮机数字电液控制系统的设计研发和管理工作。204热力透平THERMALTURBINE文献标志码：Adoi:10.13707/ki.31-1922/th.2023.03.008软件共模故障。因此，需要对汽轮机机组数字化保护系统可靠性和安全性的分析方法进行研究，以确保电厂安全稳定运行。目前电厂对于数字化仪控系统可靠性、安全性的分析,基本上采用故障模式与影响分析（Fail-ure Modes and Effects Analysis,FMEA)或故障树与事件树等静态分析方法。然而，这些静态分析方法不能准确刻画软件与硬件、软件与软件之间相互影响的复杂耦合关系。而基于Markov模型的分析方法，本质上是基于系统状态的分析方法,其对不同类型的系统状态，如危险状态、故障安全状Vol.52No.3Sep.2023基于Markov模型的汽轮机超速保护系统可靠性分析态进行定义，并评估超速保护系统对失效事件监测和维修的效果等，更符合保护系统的实际应用情况。该方法适用于静态事件分析，也适用于事件的时序性分析。该模型结构简洁,因此分析复杂系统时计算量小。目前，Markov模型已应用于分析变电站的可靠性 2】，以及传统机械式汽轮机超速保护系统的可靠性 3-6 。但如何将其更有效地应用于汽轮机机组数字化保护系统的可靠性、安全性分析,则有待研究。本文以常用的某品牌数字化超速保护系统 7 为例,研究基于Markov模型的超速保护系统可靠性、安全性建模与分析方法，旨在为保护系统设计提供技术支撑。1走超速保护系统架构典型的数字化超速保护系统，即跳闸保护系统(Emergency Trip System,ETS)架构如图1所示,其中，文字“机头停机”以上部分为具有SIL3等级的数字化系统，一般采用三重九余通道架构和三取二逻辑表决机制,形成3 路跳闸指令，与机头停机指令、集控按钮、复位按钮串联后分别控制3 路跳闸回路。2建模方法为进行基于Markov模型的保护系统可靠性、安全性分析，首先进行系统级的FMEA分析，然后ID功能SNS(传感器)转速测量1,2 或3关调门TRP(超速保护)1,2 或3IDRST(远程按钮)1,2 或3PB(机头停机按钮)1,2 或3PSH(集控室按纽)1,2或3热力透平CH1CH2SNSFAULTno 24 VdeSP1(110%)SNS1CTRL1超速保护TRPI机头停机PSHIZ集控按钮PB17复位按钮图1某品牌超速保护系统架构示意根据失效类型来建立Markov模型。2.1 FMEA 表建立本文以如图1所示的保护系统为例，分别建立各主要部件的FMEA分析表。考虑到该品牌超速保护卡件的电源保护功能质量等级为一级，认为2 4V直流电失电为极小概率事件，因此本文只考虑电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC)所引起的供电浪涌对保护系统的影响。对于测速传感器，本文只考虑测速齿与传感器的污染对保护系统的影响。测速传感器FMEA分析、按钮FMEA分析、逻辑运算FMEA分析分别如表1至表3 所示。其中ETS逻辑运算ID为CTRL（控制器)1,2 或3,对安全功能无作用。表1汉测速传感器FMEA分析模式原因高转速波动供电浪涌高高转速波动供电浪涌高转速腐蚀、污垢高高转速腐蚀、污垢短路供电波动对地开路故障多点腐蚀短路供电波动关进汽门对地开路故障表2 1ETS按钮FMEA分析功能模式短路复位对地开路故障短路复位对地开路故障短路复位对地开路故障CH3O-TRIP1=OKSNS2CTRL2口2003TRP2PSH27PB1后果影响误跳机安全误跳机安全拒关主调门安全拒关进汽门危险拒真主调门开安全拒假主调门开安全拒真进汽门开危险多点腐蚀拒假进汽门开原因后果供电波动拒真跳机多点腐蚀拒假跳机供电波动拒真跳机多点腐蚀拒假跳机供电波动拒真跳机多点腐蚀拒假跳机SNS3CTRL3TRP3PSH37PB1失效率/10 h-11 0001 000100100100400100安全400影响失效率/10 h-1危险100安全400危险100安全400危险100安全400205第3 期模式无通信链接输出激活波动、受热拒跳机危险输出开多值误跳机安全2.2失效类型分析根据FMEA表，将故障状态下跳机继电器失电和得电分别定义为安全（S）和危险（D)2种状态,将系统总的失效率拆分为2 类状态相应的失效率,即：Aolal=入+入D考虑到数字化系统潜在的共模失效风险，将安全失效率拆分为安全共模失效率入S和安全正常失效率入SN，将危险失效率拆分为危险共模失效率入DC和危险正常失效率 DN，即入S=入SC+SN,AD=DC+ADN。进一步,通过数字化系统的诊断功能来区分在线检测功能状态,即：SDN=CSN,SUN=（1-C)AN,AN=CPAN,ADUN=(1-C)DN,ASDC=CAac,ASUC=(1-CS)c,ADC=CADe,ADUC=（1-C )入。其中,C为在线检测能力因子,取-1.而失效率入人A人人UNSDC入DC、入DUC的上标中第2 个字母D和U分别表示在线检测系统检测到失效和未检测到失效。根据ETS各主要部件的FMEA表所示的失效率，由以上算式可以得到不同部件在不同状态下的失效类型分类,如表4 8 1所示。表4ETS失效类型分类设备ID失效类型SNS1,2 或 3SD、SU、D UTRP1,2 或 3SD,SU、D URST1,2 或 3SU、D D D UPB1,2 或 3 SU、D D、D UPSH1,2 或 3SU、D D、D UCTRL1,2 或 3SDC、SU C、D D C、D U C、SD N、SU N、D D N、D U N2.3建模与分析在分析失效类型以及相应失效率的基础上，考虑到数字化保护系统的在线维护能力，引人相应的维护率，可以建立ETS的Markov模型，过程如下：1)标记ETS正常条件下的状态为So，标记ETS故障条件下汽轮机仍然能正常运行的状态，即故障安全状态为S1，那么从S.转化为S,的失效206基于Markov模型的汽轮机超速保护系统可靠性分析表3 ETS逻辑运算FMEA分析率入，计算公式为：原因后果影响失效率/10 h-1多值无作用无145230950ASRS+AR+ANS+AMIP+AREr+AH+ASU2)标记控制器发生危险故障但仍能检测的状态分别为S2、S,和S4,标记不能检测的状态分别为Ss、S.和S7，那么从状态S.转化为这些状态的失效率入2 入4、入入,计算公式分别为：3标记控制器检测到系统故障但拒跳机的状态为S：，标记未检测到故障且拒跳机的状态为S，那么从状态S.转化为S。和S，的失效率入：和入。的计算公式分别为：4)在状态S2下,如果系统检测到故障且正常跳机,则S,以失效率入1o转化为故障安全状态St;若拒跳机,则S,以失效率入n转化为状态Sg。类似地，状态S,和S4分别以失效率入1o和入n转化为状态S,和Ss。入1o和入n计算公式分别为：A10=ASP+AU+ASRS+ASNS+AP+ATP+ARSR+若部分检测到故障，状态S,将以失效率入12和入i3转化为新状态Sio和Su，而Ss和S4将以相同的失效率分别转移至1S12，Si 3 子和1S14，Si 51。入12 和入13 计算公式分别为：A12=ASS+P+ARSH+APU+APH,5)类似于上述分析,如果系统正常跳机,则状态 Ss、S。和S,将以失效率入io转化为状态 S1。若系统部分检测到部件故障而引发跳机，则状态Ss、S。和 S,将以失效率入n分别转化为新状态S16、S17和S18。若系统能检测到故障而拒跳机,则状态Ss、S和 S,以失效率入14转化为状态 Sg。入14计算公式如下：根据上述分析，考虑系统检测到故障后的在线维护能力，以及具有相同输入与输出转移概率的2 个不同状态可进行合并的模型简化原则，建立简化Markov模型如图2 所示。SDDU基于Markov模型的汽轮机超速保护系统可靠性分析热力透平入,+入,+入0o2+入g+入?入入2入102+133ETS转移矩阵根据第2 节中基于Markov所建立的汽轮机ETS系统模型，可以得到ETS转移矩阵。根据此矩阵,可以计算平均失效前时间（Mean Time ToFailure,MTTF）、平均虚假跳机失效时间（MeanTime To Failure Spurious,MTTFS)等。8图2Markov简化模型1-Z.:14sDP=004结 论本文针对汽轮机机组数字化超速保护系统存在潜在共模故障的问题,在考虑数字化系统的在线检测、诊断、维护能力的基础上，提出了基于Markov模型的系统可靠性、安全性分析方法，得出如下结论：1)相比于基于故障树、事件树的确定论分析方法，该方法可从概率论的角度，充分考虑汽轮机保护系统应用过程的各种不确定性，分析其可靠性、安全性；2)该方法通过对组成系统的各设备和装置的各种状态进行定义（危险或安全、可修复或不可修复等），为评估系统的状态以及制订在线维护和应急维修计划提供有效的支撑。参考文献：入11-sD入101-(+入1o+A11+12+入13)入1000入2+入3 +入40000入5+入。+入7001-(入1o+14)001ROUVROYEJL,GOBLEWM,BROMBACHERAC,etal.Acomparisons study of qualitative and quantitative analysis tech-niques for the assessment of safety in industry C/ProbabilisticSafety Assessment and Management.London:Springer London,1996:559-566.2何常根,张路，南东亮，等.基于Markov模型的常规采样智能跳闸变电站保护系统的可靠性分析 J.电气技术,2 0 19,2 0(12):17-22.3刘杨,史宝库.马尔可夫模型在汽轮机ETS系统中的应用J.电器工业,2 0 11(12):6 0-6 2.4沈继忧，刘杨.ETS系统故障树建模与马尔可夫模型可靠性分析 J.能源与环境，2 0 12（2）2 8-2 9.5戴义平，俞茂铮.故障树分析法在汽轮机超速保护系统可靠性分析中的应用 J.汽轮机技术，19 9 5,3 7（6）：3 3 4-3 40.6祖新星，胡小锋，陈蓉.基于故障树分析的某汽轮机超速保护系统可靠性分析 J.汽轮机技术,2 0 14,56（5）：3 7 1-3 7 4.7 Emerson.Machinery Health Monitor,AMS 6300SIS OverspeedProtection System R.Gronau,Germany:Epro GmBH,2017.8 COBLE W M.Control system safety evaluation and reliability M.Pittsburgh:International Society of Automation,2010.入：0入11+入12 +入13入111-o0入00入14011207