某燃气轮机保护系统硬回路的安全完整性等级分析.pdf

第36 卷第2 期2023年6 月燃气轮机技术GAS TURBINE TECHNOLOGYVol.36No.2Jun.,2023某燃气轮机保护系统硬回路的安全完整性等级分析吴志方，郑晗琪（东方电气自动控制工程有限公司，四川摘要：燃气轮机保护系统最重要的功能就是避免错误停机和拒绝停机，错误停机会带来经济损失，拒绝停机会引发重大安全事故。保护系统的安全完整性等级是保护系统安全稳定的重要评判指标。以GB/T204382017电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全和CB/T211092007过程工业领域安全仪表系统的功能安全相关标准对某燃气轮机保护系统硬回路的安全完整性等级进行了分析，定量获得保护系统硬回路安全完整性等级参数，为设计安全可靠的保护系统提供理论依据。关键词：燃气轮机；保护系统；安全完整性等级中图分类号：TP23文献标志码：B1概述在燃气轮机关键技术中，保护系统的设计尤为重要。保护系统最重要的功能就是避免错误停机和拒绝停机，不同的燃气轮机制造厂商都有自己配套的保护系统。设计者在设计保护系统时，分析保护系统的安全完整性等级，可以更清楚地掌握保护系统的风险点所在，通过对保护系统安全完整性等级的评估分析可以辨识出系统的危险源,并针对它增加相应的措施，使得系统的设计更加合理和安全。在分析安全完整性等级的基础上进行保护系统的设计，可以使保护系统更容易通过安全完整性等级认证，提高保护系统的市场竞争力，为燃气轮机安全稳定运行提供必要的保障。2安全完整性等级分析说明2.1保护系统安全完整性等级说明GB/T211092007规定了4种安全完整性等级（safety integritylevel，简称SIL），如表1所示。1德阳6 18 0 0 0)文章编号：10 0 9-2 8 8 9(2 0 2 3)0 2-0 0 2 7-0 5表1失效概率与安全完整性等级的对应关系安全完整性等级(SIL)失效概率410-5 10-4310-4 10-3210-3 10-2 110-2 10-1分析安全完整性等级的过程即为回路安全评估的过程，它分为硬件安全完整性和软件安全完整性。对一个系统的硬件安全完整性进行评估，它是否达到SIL1SIL4,须要计算出整个硬件系统的失效概率。图1为保护系统结构简图2 传感器子系统逻辑子系统（传感器及输人接口）（输出接口及最终元件）图1保护系统结构简图保护系统失效概率由三部分组成2 ：Ps=PA+PB+Pc式中：Ps为整个保护系统的失效概率;PA为传感器子系统的失效概率;PB为逻辑子系统的失效概率；Pc为最终元件子系统的失效概率。GB/T211092007给出了表1所示失效概率与安全完整性等级的对应关系，对于一个子系最终元件子系统(1)收稿日期：2 0 2 1-10-2 1改稿日期：2 0 2 1-12-2 3作者简介：吴志方（19 8 2 一），男，湖北随州人，高级工程师，工学学士，主要从事燃气轮机仪控方面的工作,E-mail：w u z f 。28统,只需算出对应的失效概率值,即可判断所处的安全完整性等级。2.2保护系统逻辑子系统安全完整性等级的分析说明本文主要针对保护系统中的逻辑子系统中的一个硬回路的安全完整性等级进行量化分析。该硬回路的失效概率量化分析参数是整个保护系统安全完整性等级分析的基础。根据保护系统设计，逻辑子系统的失效概率P占整个安全回路的百分比不超过2 0%，假设现场传感器子系统（传感器及输人接口)的失效概率占整个安全回路的百分比为,最终元件子系统（输出接口及最终元件）的失效概率占整个安全回路的百分比为（8 0%），如图2 所示。逻辑子系统回路的安全完整性等级是以逻辑子系统的失效概率PB的数值小于表1中SIL对应的失效概率数值的2 0%来确定。a20%传感器子系统逻辑子系统（传感器及输人接口）（输出接口及最终元件）图2逻辑子系统失效概率PB在保护系统中的占比模块1模块2模块31-5传感器输入1-21-3燃气轮机技术2.3建立逻辑子系统硬回路可靠性框图某燃气轮机保护系统逻辑子系统的模块1如图3中所示，针对现场或其他设备触发的保护停机项如安全油压力低停机，为提高可靠性，采用三点输人,经过中间继电器1-1、1-2、1-3进行三取二判断以保证信号可靠，三取二驱动中间继电器1-5、1-6、1-7,将停机信号传人保护系统二级处理回路。停机项停机项停机项1-11-224+24-80%-a最终元件子系统2003CCF1第36 卷1-3图例：继电器线包）常开触点7常闭触点3取2 回路24+1-1触点11-2触点1触点2触点124-图3子系统模块1对应的继电器回路保护系统中该硬回路包括4个模块，对4个模块进行量化分析，可靠性框图见图4。执行机构输出1R11R32003CCF21-3复位-1触点17触点1.1-31-5模块41R5TR1CCF3HcCF3H1R21R4CCF31R6CCF4TR5图4保护系统可靠性框图(2)=8 760次/a这里的表决形式定义为：一套安全相关系统或者其中某一部分，有Y个独立的通道,至少需要其中X个通道完好，才能执行正确的安全功能，记作XooY。从图4可靠性框图得知,模块1表决形式为2003,模块2 表决形式为2 0 0 3，模块3和模块4的表决形式为10 0 2。10 0 2 表决意味着2 个独立设备，只需要其中1个设备正常运行就能正确的执行安全功能，当2 个设备出现故障时，安全功能失效。2 0 0 3表决意味着3个独立设备，只需要其中2 个设备正常运行就能正确的执行安全功能，当3个设备出现故障时，安全功能失效。3继电器安全完整性等级相关参数的确定3.1硬件回路继电器危险失效率常数入的确定逻辑子系统中的每个模块由继电器构成，继电器相关可靠性参数的确定是硬回路安全完整性等级分析的基础。在图4中继电器选型为欧姆龙品牌,其中1-1、1-2、1-3的型号为MY4N-D2,危险失效率常数记作入1;1-5、1-6、1-7 的型号为MY2N-D2,危险失效率常数记作入2;1R11R6、T R 1、T R 5的型号为MM2XPN，危险失效率常数记作入3。由于使用的继电器安全完整性等级参数未经任何机构评估,无法直接从任何文件中获得故障率，根据GB/T16855.12018计算继电器危险失效率常数入3,计算数值如下。根据GB/T16855.12018公式3 C.2:dop hop 3 600 s/hnop=teyle365 d/a 24 h/d 3 600 s/h 3600 s/次式中：n。p 为一年中操作的次数，次/a;3600为1小时换算成36 0 0 秒，s/h;d。为1年平均操作的天数，d/a;h。p 为1天平均操作的时长,h/d;teyele为继电器第2 期循环动作时间间隔，s/次。根据CB/T16855.12018公式3 C.5,继电器MY4N-D2的危险失效率常数入i：2 0.1 nop2 0.1 8 760 次/a800 000 次 36 5 d/a 24 h/d2.5 10-7 h-1=250 fit式中：入，为危险失效率常数,单位为fit;nop由式(2)计算所得;B1oDI为继电器MY4N-D2可靠性参数，表示产品达到这个循环动作次数，预期有10%的产品将会发生故障，该参数来自产品样本。根据GB/T16855.12018公式31C.5,继电器MY2N-D2的危险失效率常数入22 0.1 nopA2=Bomx365 d/ax24 hvd2 0.1 8 760 次/a320 000 次 36 5 d/a 24 h/d6.25 10-7 h-1=625 fit式中：入为危险失效率常数,单位为fit;nop由式(2)继电器MY4N-D2安全失效继电器的故障类别与危险故障的占比分配断电时，触点在通电位置安全失效占比14.30%通电时，触点在断电位置危险故障占比W14.30%触点无法打开安全失效占比14.30%触点无法闭合危险故障占比Wi214.30%触点短路安全失效占比14.30%触点与线圈短路安全失效占比14.30%常开常闭触点同时闭合安全失效占比14.2 0%继电器MY4N-D2危险故障率入Di计算如下：Dr=(Wn+W2）=2 50 fit(14.30%+14.30%)=71.5 fit(6)式中：入pi为继电器危险故障率，单位为fit;入，为继电器危险失效率常数，由式（3）获得；W.和W12为继电器危险故障占比，由表2 获得。继电器MY2N-D2危险故障率入2 计算如下：p2=入2 (W21+W2)=625 fit(14.30%+14.30%)=178.75 fit(7)式中：入p2为继电器危险故障率,单位为fit;入为继电器危险失效率常数，由式（4获得；Wzi和W2为继电器危险故障占比，由表2 获得。继电器MM2XPN危险故障率入p3计算如下：吴志方，等：某燃气轮机保护系统硬回路的安全完整性等级分析表2 继电器的安全失效和危险故障的占比分配关系继电器MY2N-D2安全失效与危险故障的占比分配安全失效占比14.30%危险故障占比W2114.30%安全失效占比14.30%危险故障占比W2214.30%安全失效占比14.30%安全失效占比14.30%安全失效占比14.2 0%3=（W3i+W32+W33）=2 0 0 fit(14.30%+14.30%+14.20%)=85.6 fit(8)式中：p3为继电器危险故障率，单位为fit;，为继电器危险失效率常数，由式(5)获得；W31、W3和W3为继电器危险故障占比，由表2 获得。3.3硬回路继电器未检测到的故障系数和检测到的故障系数的确定根据GB/T20438.62017表D.12确定诊断测试的频率S的数值为6 6,覆盖率Sp的数值为6 6，根据S和Sp的数值，结合GB/T20438.62017表D.42得出未检测到的危险故障的共因故障系数为2%和检测到的危险故障的共因故障系数为2%。定义10 0 2 结构未检测到的危险故障的共因故29计算所得;B1oD2为继电器MY2N-D2可靠性参数，表示产品达到这个循环动作次数，预期有10%的产品将会发生故障，该参数来自产品样本。根据GB/T16855.12018公式3 C.5,继电器MM2XPN的危险失效率常数入3：(3)2 0.1 nop:Bmo x365 d/ax 24 h/d2 0.1 8 760 次/a1 000 000 次 36 5 d/a 24 h/d2 10-7 h-1=200 fit式中：入，为危险失效率常数,单位为fit;n。p 由式（2)计算所得;B1oD3为继电器MM2XPN可靠性参数，表示产品达到这个循环动作次数，预期有10%的产品将会发生故障，该参数来自产品样本。3.2硬件回路继电器危险故障率入p的确定采用GB/T16855.22015表D.9中的失效模(4)式4,将每个失效模式的发生概率平均分配,对每种继电器故障模式的影响进行分析，继电器的安全失效与危险故障的占比分配关系如表2。继电器MM2XPN安全失效与危险故障的占比分配危险故障占比W3114.30%安全失效占比14.30%安全失效占比14.30%危险故障占比W3214.30%安全失效占比14.30%安全失效占比14.30%危险故障占比W3314.20%(5)30障系数为,检测到的危险故障的共因故障系数为p1;定义2 0 0 3结构未检测到的危险故障的共因故障系数为2，检测到的危险故障的共因故障系数为p2。根据GB/T20438.62017表D.52计算不同结构的不同故障系数和p，计算结果为：保护系统中的硬回路包括4个模块，模块3和模块4属于1002结构，l=pl=2%；模块1和模块2 属于2 0 0 3结构,2=p2=3%。4安全完整性等级计算保护系统子系统每条独立硬回路都有失效概率数值,某燃气轮机保护系统其中某硬回路包含4个硬回路子模块，该4个子模块（图4）的失效概率分别记作PI、P 2、P，和P4,对每个子模块的失效概率分别进行计算，该整条硬回路的失效概率数值为子模块失效概率数值相加,最后对整条硬回路的失效概率数值进行判断，从而评估分析保护系统某硬回路的安全完整性等级。4.1模块1失效概率P的计算图4中的模块1,该模块由三个并联通道构成，其输出信号具有多数表决安排，该元件遵循典型的2003结构，根据GB/T20438.62017的附录B.3.2.2.5的公式2 ,失效概率为：Pcl=6(1-p)pp+(1-)pu)tce tce+TpDpM+A u(+M2入DUtcE入2tcE=入Du入D（3Du=p(1-E)DD=DE参考式(9）、（10）、（11）、（12）、（13），由于设计中没有采用诊断测试技术,式（9）、（10）和（11）中平均修复时间M=0,式（12）和（13）中诊断覆盖率E=0。式(9)可以简化为：Pc=(1-)入pT,)+p(式中:Pcl为2 0 0 3结构的失效概率;为故障系数；入p为危险故障率；T为检验测试时间间隔。由式(14)计算模块1的失效概率P1。P,=(1-.)an T,)+am(F)燃气轮机技术0.03)71.5 10-h-l 17 520 h)+0.03 71.510-h-1(15)2式中：危险故障率入p=71.5fit=71.5109h-1,由式(6)计算所得;2 0 0 3结构故障系数2=3%,根据GB/T20438.62017表D.52所得；检验测试时间间隔T为17 52 0 h（两年）。4.2模块2 失效概率P，的计算模块2 的结构与模块1的结构相同,遵循典型的2 0 0 3结构,因此计算方法相似,但因继电器类型不同而采用不同的故障率。P,=(1-2)入p2 T,)2+m2(0.03)178.75 10-h-1 17 520 h)+0.03 178.75 10-h-1=5.62 10-5(16)2式中：危险故障率入p2=178.75fit=178.7510-9h-1,由式（7)计算所得;2 0 0 3结构故障系数=3%，根据GB/T20438.62017表D.52所得；检验测试时间间隔T，为17 52 0 h（两年）。4.3模块3失效概率P，的计算模块3中有3个串联部件，对于每个部件，有两个继电器并联，遵循10 0 2 结构。对于每个10 0 2 部分,采用GB/T20438.62017的B.3.2.2.4的公式2 如下。(9)平均失效概率为：入DDMPc2=2(1-,)DD+(1-)pu)tcetcE+M(10)入D+M+入M入D112第36 卷(17 520 h)=2.03 10-5(17 520 h)(11)参考式（10）、（11）、（12）、（13）、（17），由于设(12)计中没有采用诊断测试技术,式（10）、（11）和（17)(13)中平均修复时间M=0,式（12)和（13)中诊断覆盖率E=0。式(17)可以简化为：Po=(1-)入,T.)*+2式中:Pc2为10 0 2 结构的失效概率;为故障系数；入p为危险故障率；T，为检验测试时间间隔。(14)由式（18），模块3包括三个10 0 2 结构，计算模块3的P3。P,=(1-)m.)+pm T=(1-0.2 85.10*17 520 h)*+号(1-2=(1-2(17)(18)入30.02 第2 期85.6 10-h-1 17 520 h=4.72 10-5式中：危险故障率入p3=85.6fit=85.6109h1,由式(8)计算所得;10 0 2 结构故障系数,=2%,根据CB/T20438.62017表D.52所得；检验测试时间间隔T，为17 52 0 h（两年）。4.4模块4失效概率P4的计算模块4的结构与模块3的结构相同，为单个1002结构,因此计算方法相似,继电器类型相同,采用相同的故障率,参考式(18)计算如下。1310.02 85.6 10-h-17 520 h=1.57 10=5(20)式中：危险故障率入p3=85.6fit=85.610h-1,由式(8)计算所得;故障系数=2%,根据CB/T20438.62017表D.521所得；检验测试时间间隔T,为17 52 0 h(两年)。4.5整条回路危险失效概率的计算逻辑子系统有四个模块构成四个安全回路，整条硬回路的失效概率数值计算如下。Pp=P+P,+P;+P4=2.03 10-5+5.62 10-5+4.72 10-5+1.57 105=1.39 10-4(21)式中：P1为第1个模块失效概率,数值由式（15)计算所得;P为第2 个模块失效概率，数值由式（16)计算所得;P3为第3个模块失效概率,数值由式(19)计算所得;P4为第4个模块失效概率,数值由式(2 0)计算所得。根据表1,安全完整性等级3（SIL3）的失效概率数值的范围为10-4 10-3,按逻辑子系统占比为2 0%（图2），达到SIL3逻辑子系统失效概率数值吴志方，等：某燃气轮机保护系统硬回路的安全完整性等级分析(19)31的范围为2 10-5PB210-4。计算结果表明，逻辑子系统模块14的失效概率PB为1.39 10-4,在SIL3的限制范围内，满足预定SIL3等级要求。5结语随着国产燃气轮机的研制成功，国产燃气轮机的保护系统也逐渐进入市场，随着国家标准的GB/T204382017和GB/T211092007等相关标准的颁布，对保护系统的安全完整性等级评估工作相继开展。本文通过某保护系统的某个硬回路安全完整性等级计算，得出某硬回路满足安全完整性等级3（SI L3）。某个硬回路的安全完整性等级是整个保护系统的组成元素。通过某硬回路的安全完整性等级计算,获知影响安全完整性等级的因素，为保护系统硬件的选型以及硬回路的设计提供参考方法，为设计安全可靠的保护系统提供理论依据。参考文献：1】中国国家标准化管理委员会.过程工业领域安全仪表系统的功能安全：第1部分框架、定义、系统、硬件和软件的要求：GB/T21109.12007S.北京：中国标准出版社，2 0 0 7:2 4-2 5.【2 中国国家标准化管理委员会.电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全：第6 部分GB/T20438.2和GB/T20438.3的应用指南：GB/T20438.62017S.北京：中国标准出版社，2017:13-25,75-80.【3中国国家标准化管理委员会.机械安全控制系统安全相关部件：第1部分设计通则：GB/T16855.12018S.北京：中国标准出版社,2 0 18:43-44.【4中国国家标准化管理委员会.机械安全控制系统安全相关部件：第2 部分确认：GB/T16855.22015S.北京：中国标准出版社,2 0 15:33-34.(下转第56 页）56燃气轮机技术第36 卷Failure Cause Analysis of Cylindrical Roller Bearing of a Gas TurbineYu Yang,Zhang Zhibo3,Zhao Wenhua,Li Mingjia,Zhao Yu?(1.The Military Representative Office of Naval Equipment Department In Harbin,Harbin 150078,China;2.No.703 Research Institute of CSSC,Harbin 150078,China;3.R&D and Testing Laboratory for Ship and Marine Engineering Gas Turbine,National Engineering Research Center of Special Equipment and Power System for Ship and Marine Engineering,Harbin 150078,China)Abstract:Fatigue spalling occurred in the bearing area of outer raceway of a gas turbine cylindrical roller bearing during theaccelerated life test.In order to find out the cause of failure,9 tests including dimension and accuracy inspection,radial clearanceinspection,rolling surface profile inspection,chemical composition of materials inspection,and microstructure detection were carriedout.In addition,the test system and equipment tooling size and loading head design principle were also reviewed.After comprehensiveanalysis,the causes of failure are judged as follow:inside diameter of loading sleeve is too small,hardness of loading sleeve andexternal sleeve of bearing are too low.When fastening bolts were used to pull and tighten,the elliptic deformation of loading sleeve andtest bearing were caused,and then the fatigue spalling of bearing outer ring in advance were caused.The analysis work of this papereffectively guides the improvement design of the test system,which effectively ensures the smooth progress of the accelerated life test ofcylindrical roller bearing of the gas turbine.Keywords:gas turbine;cylindrical roller bearing;failure cause analysis(上接第31 页）Safety Integrity Level Analysis of Hard Circuit of aGas Turbine Protection SystemWu Zhifang,Zheng Hanqi(Dongfang Electric Autocontrol Engineering Co.,Ltd.,Sichuan Deyang 618000,China)Abstract:The most important function of gas turbine protection system is to avoid incorrect shutdown and refusal shutdown,incorrectshutdown will bring economic loss,and refusal shutdown will lead to major safety accidents.Safety integrity level of protection system isan important evaluation index for safety and stability of protection system.The safety integrity level of the hard circuit of a gas turbineprotection system was analyzed according to the relevant standards of GB/T 204382017 Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems and GB/T 21109-2007 Functional Safety-Safety Instrumented Systems for the ProcessIndustry Sector,and the safety integrity level parameters of a circuit of the protection system were obtained quantitatively,which providea theoretical basis for the design of safe and reliable protection system.Keywords:gas turbine;protection system;safety integrity level