胡軼群，廖榮澤，黃文生，黃 雁，李太安，程 誠

(國能廣投柳州發(fā)電有限公司，廣西 柳州 545600)

0 引言

給水泵汽輪機是火電廠熱力循環(huán)系統(tǒng)的重要設備之一，其能否安全可靠的運行，直接影響著整個機組的安全及穩(wěn)定。傳統(tǒng)的大型火力發(fā)電機組通常配置兩臺50%容量的給水泵汽輪機，當其中一臺給水泵汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可通過另外一臺進行給水調(diào)節(jié)，或者降低機組負荷，將故障的汽動給水泵組退出運行。伴隨著節(jié)省投資、降低維護成本及提高機組經(jīng)濟性的需要，越來越多的高參數(shù)大容量機組采用單臺100%全容量給水泵汽輪機的配置方式[1-2]。配置單臺給水泵汽輪機的機組如果出現(xiàn)給水泵汽輪機調(diào)速系統(tǒng)故障，將無法對給水流量進行調(diào)節(jié)，嚴重影響機組的安全穩(wěn)定運行甚至導致機組非計劃停運。

某電廠2*350 MW機組為輔機單列布置，配置單臺100%全容量給水泵汽輪機，無啟動備用電泵。機組正常運行時曾出現(xiàn)過給水泵汽輪機調(diào)節(jié)汽閥電液伺服閥卡澀等故障問題，為機組的安全穩(wěn)定運行帶來嚴重影響。汽輪機調(diào)節(jié)汽閥的電液伺服閥是非常精密的調(diào)節(jié)設備，易受油質(zhì)影響而出現(xiàn)異常[3-5]，伺服卡等部件為電子產(chǎn)品，亦存在電子元器件老化等問題[6-7]。為提高給水泵汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性，解決電液伺服閥、伺服卡故障導致機組無法正常運行的問題，提出給水泵汽輪機調(diào)節(jié)汽閥冗余控制的解決方案。

1 給水泵汽輪機調(diào)節(jié)汽閥控制原理

給水泵汽輪機調(diào)節(jié)汽閥的作用是按照MEH(Micro Electro-Hydraulic Control System給水泵汽輪機電液控制系統(tǒng))指令改變進入汽輪機的蒸汽流量，以調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速，使鍋爐的給水流量符合機組運行要求。調(diào)節(jié)汽閥由調(diào)節(jié)閥、傳動機構、油動機組成，其控制回路部分主要包括伺服卡、電液伺服閥以及位移傳感器等[8-9]。

伺服卡為MEH的部件，安裝在MEH機柜中，是用于汽輪機閥門伺服控制的專用模塊，可輸出伺服指令、接受現(xiàn)場閥門行程反饋信號以及接受快關信號等。電液伺服閥是一種接受模擬電信號后，相應輸出調(diào)制的流量和壓力的液壓控制閥。伺服閥整定時需要設置一定的機械0位偏置，這個偏置應調(diào)整為使調(diào)閥趨向于關閉的方向，如果在運行中突然發(fā)生失電則靠機械偏置將滑閥偏移使調(diào)閥關閉[10]。位移傳感器通常采用線性可變差動變壓器式傳感器(Linear Variable Differential Transformer，LVDT)，屬于直線位移傳感器。LVDT主要由外殼、線圈、芯桿等組成，外殼由支座固定在油動機的油缸上，芯桿的一端通過連接板與活塞桿相連，當油缸活塞產(chǎn)生位移時，芯桿也同步位移，這樣LVDT就將油動機的行程轉(zhuǎn)換成相應的電氣信號[11-12]。

油動機工作時MEH調(diào)節(jié)器通過伺服卡將閥位控制指令信號送至電液伺服閥，伺服閥將電信號轉(zhuǎn)換成使伺服閥閥芯動作的液壓信號，進而改變油缸動力油的通路，使油缸活塞產(chǎn)生位移輸出，通過傳動機構使調(diào)節(jié)閥開度改變。以此同時，LVDT的芯桿與活塞同步動作，將活塞位移轉(zhuǎn)換成電氣信號反饋到伺服卡，當閥位控制指令與閥位反饋一致時，伺服閥閥芯回到零位，油缸活塞處于壓力平衡，活塞停止移動，調(diào)節(jié)閥開度保持在要求的閥位。

2 給水泵汽輪機調(diào)節(jié)汽閥冗余控制功能的實現(xiàn)

2.1 電控部分的冗余控制原理

電控部分冗余控制功能的實現(xiàn)并不復雜，只需要將原來的單伺服卡更換為兩塊具有冗余功能的伺服卡(需要控制系統(tǒng)支持)。不同控制系統(tǒng)的冗余模式或冗余控制原理可能有所不同，本文以和利時MACS分散控制系統(tǒng)為例進行介紹。伺服閥冗余電控部分使用和利時K系列硬件K-SV01伺服卡，該伺服卡具有單機、冗余兩種工作模式。在該冗余控制系統(tǒng)中，一塊伺服卡對應一個伺服閥，在冗余工作模式下冗余伺服卡之間用專用冗余電纜進行連接，兩卡互為熱備工作，伺服卡切換時間≤10 ms。伺服卡冗余工作原理如圖1所示。原調(diào)節(jié)汽閥油動機配有兩支LVDT，兩路LVDT行程反饋均接入同一塊伺服卡，實現(xiàn)LVDT的主備冗余。伺服卡冗余配置之后，為了實現(xiàn)每個伺服卡的LVDT冗余就需要再增加兩支LVDT，使每塊伺服卡均接入兩路LVDT信號。

圖1 伺服卡冗余工作原理圖

在該冗余控制系統(tǒng)中，每個伺服閥配置了一個隔離電磁閥，當控制器組態(tài)邏輯判斷該路伺服控制回路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動發(fā)出該隔離電磁閥的關閉指令，同時伺服卡進行主備切換，系統(tǒng)切換到另外一套伺服閥進行控制。通過隔離電磁閥的自動關閉切斷故障回路的油路，并可關閉油路上的手動截止閥，對故障點進行隔離維修，同時保證給水泵汽輪機調(diào)節(jié)汽閥的正常調(diào)節(jié)。

2.2 液壓系統(tǒng)的冗余控制結構

液壓部分的冗余改造需要拆除原油動機上的伺服閥組件，由于空間緊湊，雙伺服組件與油動機液壓缸采用分離設置，遠離高溫區(qū)，更便于維護修理。冗余改造后的調(diào)節(jié)汽閥油動機采用獨立雙通道液壓控制，兩個液壓控制通道相互獨立，互不干擾。每個通道配有電液伺服閥、隔離電磁閥、手動隔離閥，在伺服閥進油通路上設置高壓精密濾芯。每個通道的電液伺服閥配置一個隔離電磁閥，伺服閥或伺服卡故障時可通過隔離電磁閥動作迅速切斷本條控制油路，且不影響另一條正常油路，故障油路切除時，對調(diào)節(jié)汽閥當前開度無擾，不影響調(diào)速系統(tǒng)的控制功能。每個液壓控制通道配置有手動截止閥，當單臺伺服閥或隔離電磁閥故障時，可隔離油路進行檢查更換，不影響調(diào)節(jié)汽閥控制功能。伺服閥冗余液壓控制原理如圖2所示。

圖2 伺服閥冗余液壓控制原理圖

2.3 電液伺服閥的特點及選擇

電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，也是功率放大元件。在電液伺服系統(tǒng)中，電液伺服閥將電氣部分與液壓部分連接起來，實現(xiàn)電液信號的轉(zhuǎn)換與液壓放大，是電液伺服系統(tǒng)控制的關鍵元件。常見的電液伺服閥種類包括噴嘴擋板式、射流式、直接驅(qū)動式等類型，其中噴嘴擋板式電液伺服閥在發(fā)電廠汽輪機轉(zhuǎn)速控制中使用較為普遍。電液伺服閥具有精度高、響應快、結構緊湊、動態(tài)性能高等特點，傳統(tǒng)的電液伺服閥結構比較復雜，加工精度高，對液壓油的質(zhì)量和清潔度要求高。

為提高單列輔機的可靠性，除了將給水泵汽輪機電液伺服閥冗余配置外，對伺服閥也重新進行選型，將原來使用的MOOG G761電液伺服閥更換為MOOG D633直動式伺服閥，以降低伺服閥對油液污染的敏感程度。G761伺服閥為兩級液壓放大雙噴嘴擋板閥，D633伺服閥是帶電反饋閥芯位置閉環(huán)控制的直接驅(qū)動式伺服閥(DDV)。DDV閥用集成電路實現(xiàn)閥芯位移的閉環(huán)控制，閥芯的驅(qū)動裝置是永磁直線力馬達。它與兩級液壓放大雙噴嘴擋板閥最大的區(qū)別在于該伺服閥從結構上取消了噴嘴擋板前置級，用大功率直線力馬達替代了小功率的力矩馬達，用集成塊與微型位置傳感器替代了工藝復雜的力反饋桿與彈簧管，從而簡化了結構，提高了抗污染能力，提高了可靠性[13-15]。

2.4 冗余工作模式的選擇

基于以上調(diào)節(jié)汽閥冗余控制系統(tǒng)的結構及功能，該系統(tǒng)可實現(xiàn)雙伺服閥同步工作模式及雙伺服閥主備工作模式。調(diào)節(jié)汽閥冗余控制系統(tǒng)為一個伺服卡對應一個伺服閥，但不同的工作模式具有不同的特點。

同步工作模式下，兩塊伺服卡為單機工作模式，各自獨立工作，兩個伺服閥同時接收所對應的伺服卡輸出指令，兩個伺服閥同時工作，共同作用于油動機油缸。同步工作模式的不足之處在于當任一伺服閥故障時，MEH系統(tǒng)難以準確判斷故障的發(fā)生，因為該工作模式下，任一伺服閥故障，在另一個正常伺服閥的作用下調(diào)節(jié)汽閥仍然可以正常動作，單一伺服閥故障無外在表現(xiàn)，故在實際應用中沒有對此種工作模式進行驗證。

主備工作模式下，兩塊伺服卡為冗余工作模式，主卡輸出控制指令，另外一塊卡為熱備用狀態(tài)，輸出指令為“0”。主卡對應的伺服閥作用于油動機油缸起調(diào)節(jié)作用，備用伺服閥的閥芯處于復歸狀態(tài)的中間位。兩塊冗余伺服卡的主從狀態(tài)可以通過操作員手動切換，也可以由MEH系統(tǒng)進行故障判斷后自動切換。伺服卡、伺服閥的故障判斷及隔離電磁閥的動作條件均通過相應的控制邏輯來實現(xiàn)。由于此種模式可較好的實現(xiàn)故障判斷，自動閉鎖，為伺服閥的在線故障處理提供了必要條件，后續(xù)主要針對此種工作模式的控制邏輯及試驗情況進行討論。

通過調(diào)研，在實際應用中也有采用伺服閥三重冗余的系統(tǒng)，但此種冗余結構僅通過增加伺服閥冗余數(shù)量來提高可靠性，并未考慮伺服閥故障的自動判斷及隔離，無法實現(xiàn)伺服閥故障的在線處理，且難以與雙路冗余伺服卡進行匹配，因此未考慮采用伺服閥三重冗余系統(tǒng)作為改造方案。

3 給水泵汽輪機調(diào)節(jié)汽閥冗余控制邏輯設計

控制邏輯的設計主要考慮如何實現(xiàn)冗余系統(tǒng)的故障自動判斷及故障伺服閥的隔離閉鎖。當MEH系統(tǒng)判斷出主伺服卡出現(xiàn)相關故障時，將自動完成伺服卡主備切換，當系統(tǒng)判斷出伺服閥故障時，除了對伺服卡進行主備切換，同時自動關閉故障通道的隔離電磁閥，對故障通道進行隔離閉鎖。

該冗余系統(tǒng)使用的電液伺服閥為DDV閥，雖然DDV閥具有閥芯位置反饋信號，但難以通過閥芯位置來判斷其是否為故障狀態(tài)，DDV閥自身也無其他的故障判斷手段。因此，我們根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，通過調(diào)節(jié)汽閥的閥位反饋與指令的偏差進行判斷，當偏差超過±5%時，即認為主伺服閥的控制作用失效，主伺服閥或控制回路出現(xiàn)異常。

3.1 伺服卡主備自動切換邏輯

伺服卡主備自動切換條件為：主伺服卡通訊故障；主伺服卡伺服通道故障；主伺服卡兩路LVDT行程反饋均故障；調(diào)節(jié)汽閥閥位指令與反饋偏差大于5%(伺服卡主備切換后2秒內(nèi)偏差不大于10%，卡件不會再次切換)。

3.2 隔離電磁閥的控制邏輯

隔離電磁閥的控制邏輯包括：手動操作隔離電磁閥動作或復位；給水泵汽輪機機為運行狀態(tài)并且隔離電磁閥對應伺服卡為主卡時，發(fā)生伺服卡控制回路故障或者調(diào)節(jié)汽閥指令與反饋偏差大于5%時，隔離電磁閥得電動作；在當前伺服卡由備卡切換至主卡3秒內(nèi)，隔離電磁閥不能動作(閥位指令與反饋偏差大導致伺服卡主備切換后，為當前伺服閥留出3秒調(diào)節(jié)時間)。

3.3 DCS畫面顯示及操作的主要功能

DCS畫面顯示及操作的主要功能包括：操作畫面設置有隔離電磁閥控制按鈕，帶二次確認功能；操作畫面可顯示伺服閥閥芯位置反饋；操作畫面可顯示伺服卡主從狀態(tài)；閥門整定畫面設置有主從伺服卡手動切換按鈕，帶二次確認功能；閥門整定畫面可顯示各LVDT行程反饋模擬量及狀態(tài)顯示。

4 給水泵汽輪機調(diào)節(jié)汽閥冗余控制功能試驗

4.1 靜態(tài)冗余控制功能試驗

靜態(tài)冗余控制試驗主要是在給水泵汽輪機停運狀態(tài)下進行的相關試驗，以便驗證改造后的調(diào)節(jié)汽閥冗余控制系統(tǒng)能否實現(xiàn)相關功能。進行試驗前，應首先調(diào)整DDV閥的機械0位偏置，使DDV閥失電時油動機可以逐漸關閉。進行DDV閥的機械0位調(diào)整時，應注意屏蔽另一路DDV閥的調(diào)節(jié)作用，否則該路DDV閥失電后，無法觀察出其機械0位對油動機的動作方向的影響。隨后進行基本功能試驗，具體包括：手動操作切換伺服卡、手動操作隔離電磁閥、手動調(diào)整調(diào)節(jié)汽閥開度，觀察設備動作是否正常。最后進行故障切換試驗，主要包括模擬LVDT故障、伺服卡故障、伺服閥故障以及閥位指令和反饋偏差大于5%等。以上相關試驗均正常后，方可進行動態(tài)試驗。

4.2 動態(tài)冗余控制功能試驗

動態(tài)冗余控制功能試驗是在給水泵汽輪機運行狀態(tài)開展的試驗，首次動態(tài)試驗存在一定風險，務必做好相關風險控制措施。根據(jù)鍋爐給水系統(tǒng)的工藝特點，動態(tài)冗余控制功能試驗分為機組并網(wǎng)前及并網(wǎng)后兩個階段。

機組并網(wǎng)前給水泵汽輪機的汽源來自于輔助蒸汽，由高壓調(diào)節(jié)汽閥控制。由于指令函數(shù)的差異，在無四段抽汽的情況下低壓調(diào)節(jié)汽閥開度遠高于高壓調(diào)節(jié)汽閥，對進汽量無調(diào)節(jié)作用。機組并網(wǎng)帶一定負荷后，給水泵汽輪機汽源由四段抽汽提供，高壓調(diào)節(jié)汽閥逐漸關閉，低壓調(diào)節(jié)汽閥開度逐步降低并控制給水泵轉(zhuǎn)速。由于正常工況下給水泵汽輪機轉(zhuǎn)速由低壓調(diào)節(jié)汽閥控制，故本次冗余控制改造僅針對低壓調(diào)節(jié)汽閥。并網(wǎng)前的低壓調(diào)節(jié)汽閥僅隨動，無調(diào)節(jié)作用，因此試驗風險也較低。機組并網(wǎng)前試驗無異常后再進行并網(wǎng)后的試驗，將整個試驗過程的風險降至最低。

4.2.1 并網(wǎng)前伺服閥冗余切換試驗

并網(wǎng)前試驗分別在3000 r/min穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和3000～3200 r/min區(qū)間升、降速三種工況進行，以驗證在不同工況下伺服閥切換對系統(tǒng)的影響。試驗結果顯示：手動切換伺服卡主備狀態(tài)對調(diào)節(jié)汽閥的控制無影響，分別模擬伺服卡斷指令、伺服閥失電等故障，低壓調(diào)節(jié)汽閥開度變化最大至5%，伺服卡切換及隔離電磁閥動作正常，給水泵轉(zhuǎn)速變化在2 r/min內(nèi)，給水流量無明顯變化。并網(wǎng)前切換試驗歷史趨勢如圖3、圖4所示。

圖3 并網(wǎng)前穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時的伺服閥冗余切換

圖4 并網(wǎng)前升降轉(zhuǎn)速過程中伺服閥冗余切換

4.2.2 并網(wǎng)后伺服閥冗余切換試驗

并網(wǎng)后試驗時給水泵汽輪機由四段抽汽供汽，負荷145 MW，低壓調(diào)門閥門開度53%。手動切換伺服卡主備狀態(tài)，低壓調(diào)節(jié)汽閥開度，小機轉(zhuǎn)速，給水流量等均無明顯變化。現(xiàn)場就地拔出伺服閥航空插頭，模擬伺服閥斷電、斷信號故障，伺服卡切換及隔離電磁閥動作正常，切換過程中低壓調(diào)門開度最大波動6%，小機轉(zhuǎn)速波動10 r/min，給水流量最大波動約5 t/h。并網(wǎng)后切換試驗歷史趨勢如圖5所示。

圖5 并網(wǎng)后伺服閥冗余切換

通過以上實驗可以證明，伺服閥故障的自動判斷及隔離的有效性，為伺服閥等關鍵部件故障的處理提供了可能。故障伺服閥切換隔離后，其故障的更換處理按照相應的作業(yè)工序開展即可，文中不在過多敘述。

5 結論

給水泵汽輪機調(diào)節(jié)汽閥冗余控制切換試驗分別在小汽輪機冷態(tài)、機組并網(wǎng)前及機組帶負荷后的工況下開展，模擬了LVDT故障、伺服卡故障、伺服閥故障等情況的冗余切換試驗。試驗結果表明，調(diào)節(jié)汽閥冗余控制切換對系統(tǒng)參數(shù)的擾動較小，在可接受范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)伺服閥故障的自動判斷及隔離，實現(xiàn)伺服卡、伺服閥等關鍵部件故障的在線處理，冗余控制改造達到了預期目標。

給水泵汽輪機調(diào)節(jié)汽閥冗余控制的成功實現(xiàn)進一步提高了給水系統(tǒng)的控制可靠性，尤其是對給水泵汽輪機單臺配置的發(fā)電機組具有極其重要的意義，可以有效降低由于伺服閥、伺服卡故障導致機組非停的概率。該技術可推廣至給水泵汽輪機單臺配置的發(fā)電機組，也可以應用在供熱機組旋轉(zhuǎn)隔板油動機控制或其他對可靠性要求較高的液動調(diào)節(jié)機構等。