喻久亮

摘 要：本文主要討論汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)汽與抽汽調(diào)節(jié)閥冗余控制策略。通過某石化企業(yè)50MW汽輪機(jī)機(jī)組DEH硬件配置與運(yùn)行過程中的實(shí)際案例分析，探討伺服控制的冗余配置方案。針對(duì)該機(jī)組在現(xiàn)行硬件配置下優(yōu)化的可行性方案。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī) 冗余伺服 LVDT

1 前言

汽輪機(jī)通過高壓調(diào)節(jié)閥的開啟和關(guān)閉控制其轉(zhuǎn)速和功率。機(jī)組升速過程中，DEH控制系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路來控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速。DEH接收來自現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)，此信號(hào)轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行比較后，送到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路進(jìn)行PI計(jì)算，輸出為各高壓調(diào)節(jié)閥開度指令。該開度指令給到伺服卡，此給定信號(hào)在伺服卡內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)油動(dòng)機(jī)位置（LVDT）反饋信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)伺服卡內(nèi)的PI計(jì)算，輸出控制信號(hào)（±40mA）到伺服閥，伺服閥控制進(jìn)入或排出油動(dòng)機(jī)油缸的流量以控制油動(dòng)機(jī)的開啟或關(guān)閉，從而控制機(jī)組轉(zhuǎn)速。機(jī)組并網(wǎng)后，DEH投入功率控制回路、閥門開環(huán)控制、或CCS控制方式。

汽輪機(jī)數(shù)字式電液控制系統(tǒng)（DEH）伺服控制系統(tǒng)安全可靠性不高，可能造成汽輪機(jī)控制不穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)，甚至損壞汽輪機(jī)部件。目前工業(yè)透平投運(yùn)的機(jī)組越來越多，項(xiàng)目的調(diào)試設(shè)計(jì)階段由于各方的條件限制對(duì)DEH了解不足，再由于安全理念和設(shè)計(jì)思路不同，部分DEH存在一定的安全隱患，也曾多次引起保護(hù)誤動(dòng)作。筆者介紹某石化企業(yè)50MW機(jī)組發(fā)生的伺服控制回路故障，導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)燒瓦事故的案例，并對(duì)分析了伺服控制系統(tǒng)位置反饋（LVDT）、伺服卡等裝置配置不當(dāng)造成汽輪機(jī)閥門波動(dòng)的可能性，從而提高汽輪機(jī)DEH 的可靠性。

2 某50MW機(jī)組介紹

某石化企業(yè)機(jī)組為上汽廠生產(chǎn)的C50-10.1/4.41型汽輪機(jī)，2003年投產(chǎn)。由于該機(jī)組投運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)，且為滿足國(guó)家政策需求特對(duì)其進(jìn)行通流改造。改造后機(jī)組為單缸、抽汽冷凝式、一級(jí)可調(diào)整抽汽、單排汽口汽輪機(jī)。有一個(gè)高主閥，4個(gè)高調(diào)閥，1個(gè)抽汽調(diào)節(jié)閥。機(jī)組掛閘后，主汽閥和抽汽調(diào)節(jié)閥全開。通過4個(gè)高調(diào)閥控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和電負(fù)荷。當(dāng)需要向外供汽時(shí)，緩慢控制抽汽調(diào)節(jié)閥已達(dá)到合格的供汽壓力。該抽汽調(diào)節(jié)閥未設(shè)置最小機(jī)械開度，靠DEH內(nèi)閥門指令限制來保證進(jìn)入低壓缸的最小通流量。

通流改造期間對(duì)DEH也進(jìn)行整體改造。DEH采用WOODWARD公司MicroNetTMR控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)CPU采用了三重化冗余容錯(cuò)技術(shù)，確保單點(diǎn)故障不影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

3 調(diào)節(jié)閥伺服控制回路介紹

由于該機(jī)組含有4個(gè)高調(diào)閥（CV1、CV2、CV3、CV4）和一個(gè)抽汽調(diào)節(jié)閥（LCV）共計(jì)5個(gè)可調(diào)節(jié)閥門。WOODWARD提供伺服卡為雙通道伺服卡，且每個(gè)通道能相互獨(dú)立計(jì)算。DEH共配置了5塊伺服卡。

伺服卡1的B通道，接收來自高調(diào)閥（CV1）LVDT1的位置反饋，與DEH的指令比較，經(jīng)PI計(jì)算輸出至CV1伺服閥的B線圈。伺服卡2的1通道，接收來自高調(diào)閥（CV1）LVDT2的位置反饋，與DEH的指令比較，經(jīng)PI計(jì)算輸出至CV1伺服閥的A線圈。兩塊伺服卡同時(shí)工作且相互獨(dú)立。A線圈和B線圈共同作用伺服閥完成對(duì)油動(dòng)機(jī)的控制，從而達(dá)到開關(guān)閥門的目的。

所以最終1號(hào)高調(diào)閥有伺服卡1和伺服卡2共同控制，其他閥門以此類推。

4 機(jī)組跳機(jī)燒瓦事故經(jīng)過

2022年7月11日，機(jī)組由于抽汽調(diào)節(jié)閥突然關(guān)閉導(dǎo)致軸位移超限，機(jī)組打閘。后檢查發(fā)現(xiàn)推力瓦燒毀，經(jīng)過如下：

16：23：00，機(jī)組電負(fù)荷43MW，中壓抽汽量5T/H，抽汽調(diào)節(jié)閥的開度70%。

16：24：05，伺服卡5檢測(cè)到抽汽調(diào)節(jié)閥LVDT2由70%突變?yōu)?43%。

16：24：07，伺服卡1檢測(cè)到抽汽調(diào)節(jié)閥LVDT1為0%，閥門實(shí)際全關(guān)。伺服卡5檢測(cè)到LVDT2的反饋仍然顯示為143%。

16：24：10，軸向位移由-0.37mm變至-2.2mm，機(jī)組跳機(jī)。推力瓦溫變壞點(diǎn)。

16：25：00，瓦溫顯示恢復(fù)正常，溫度顯示為100+℃。初步判斷推力瓦燒毀。

5 事故原因分析

LVDT位移傳感器，其鐵芯可移動(dòng)的差動(dòng)變壓器，它產(chǎn)生的電量輸出與其分離式可動(dòng)鐵芯位移成正比。伺服卡判斷閥門開度是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)LVDT的次1和次2線圈的反饋電壓經(jīng)伺服卡內(nèi)部計(jì)算而來。伺服卡5檢測(cè)到抽汽調(diào)節(jié)閥LVDT2的次1和次2線圈電壓發(fā)生突變。16：24：05，DEH伺服卡記錄次1線圈電壓由4VAC突變?yōu)?.23VAC，次2線圈電壓由3VAC突變?yōu)?.69VAC。導(dǎo)致了LVDT2的反饋由70%突變?yōu)?43%。

兩塊伺服卡同時(shí)工作且相互獨(dú)立。抽汽調(diào)節(jié)閥是由伺服卡1的A通道和伺服卡5的B通道共同控制完成。伺服卡1的A通道接收抽汽調(diào)節(jié)閥LVDT1反饋，經(jīng)卡件PI計(jì)算輸出驅(qū)動(dòng)指令±40mA至抽汽調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)伺服閥的A線圈。伺服卡5的B通道接收抽汽調(diào)節(jié)閥LVDT2的反饋，經(jīng)卡件PI計(jì)算輸出驅(qū)動(dòng)指令±40mA至抽汽調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)伺服閥的B線圈。A線圈和B線圈共同作用伺服閥完成對(duì)油動(dòng)機(jī)進(jìn)油和排油的控制，從而達(dá)到開啟或關(guān)閉閥門的目的。在此次跳機(jī)事故中，伺服卡5的B通道接收了抽汽調(diào)節(jié)閥LVDT2的錯(cuò)誤反饋信號(hào)143%，輸出關(guān)閉閥門的伺服指令，致使抽汽調(diào)節(jié)閥門快速關(guān)閉，導(dǎo)致軸向推力突變機(jī)組跳閘。

冗余伺服控制策略紊亂。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在任一反饋故障，如LVDT接線斷路、LVDT芯桿脫落、信號(hào)干擾等情況導(dǎo)致的反饋故障均不會(huì)屏蔽該路的伺服指令輸出。該路的伺服卡仍然按照錯(cuò)誤的反饋信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)伺服閥接收的兩路伺服驅(qū)動(dòng)指令存在方向相反時(shí)，伺服閥內(nèi)部會(huì)按照伺服電流大的一組指令動(dòng)作。

綜上所述，此次事故直接原因是LVDT的次級(jí)反饋電壓突變，導(dǎo)致伺服卡判斷反饋錯(cuò)誤。主要原因則是冗余伺服控制策略紊亂，無法滿足現(xiàn)場(chǎng)冗余控制的需求。

6 伺服控制回路策略的討論

1.冗余的伺服模塊之間采用雙網(wǎng)絡(luò)。雙網(wǎng)絡(luò)為主備模式，一旦主網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，將無擾地切換到的備用網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行工作。

2.冗余模塊間采用主從模式工作。在一個(gè)控制周期內(nèi)，冗余模塊間將完成網(wǎng)絡(luò)診斷、控制周期同步、數(shù)據(jù)采集、故障診斷、主從競(jìng)爭(zhēng)、控制運(yùn)算、調(diào)節(jié)輸出等所有工作，冗余模塊之間的數(shù)據(jù)完全共享。

3.模件工作時(shí)應(yīng)分為三個(gè)安全等級(jí)：

高全等級(jí)最高：雙模件均無故障時(shí)，將選擇工作為主模式的模件數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。

安全等級(jí)次之：當(dāng)雙模件均存在故障時(shí)，將選擇模件間的正常信號(hào)參與運(yùn)算。如：A卡的LVDT存在故障，B卡的驅(qū)動(dòng)通道存在故障，則選擇A卡的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行輸出，選擇B卡的LVDT進(jìn)行運(yùn)算，閥門仍然可控。

安全等級(jí)最弱：當(dāng)雙模件的同一信號(hào)存在故障時(shí)，將采用安全的策略。當(dāng)兩個(gè)模塊的LVDT均存在斷線但至少有一個(gè)次級(jí)線圈未斷線時(shí)，將選擇未斷線的次級(jí)線圈進(jìn)行控制，由于LVDT內(nèi)磁場(chǎng)發(fā)生了變化，控制開度有一定的誤差；當(dāng)所有的線圈均斷線時(shí)或兩支LVDT的初級(jí)均斷線時(shí)，伺服輸出將從閥門的維持電流以一定的速率逐步衰減，確保閥門緩慢關(guān)閉或開啟。

工作為主模式的模件負(fù)責(zé)運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果同步到從模式的模件共同輸出。模件的工作模式可能切換：當(dāng)工作為主模式的模件存在伺服驅(qū)動(dòng)通道故障時(shí)而從模式的模件無伺服驅(qū)動(dòng)故障時(shí)，將無條件切換；當(dāng)工作為主模式的模件存在故障而另外一個(gè)模件無故障時(shí)，將產(chǎn)生切換。由于冗余模塊數(shù)據(jù)共享，除上述情況外的雙模件故障均不切換，以免造成無謂的切換擾動(dòng)。

4.伺服驅(qū)動(dòng)安全保護(hù)和關(guān)斷功能

冗余模塊分別控制單獨(dú)伺服閥的一個(gè)線圈，伺服閥的兩個(gè)冗余線圈真實(shí)工況實(shí)際上就是共同作用。因此在異常情況下，伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)具有安全保護(hù)和關(guān)斷功能，以避免異常的伺服驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)對(duì)閥門控制造成影響。

5.在下述情況下伺服驅(qū)動(dòng)通道應(yīng)完全關(guān)斷

模件的CPU由于某種故障未能有效執(zhí)行算法，應(yīng)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)通道；伺服驅(qū)動(dòng)通道存在故障，伺服驅(qū)動(dòng)斷線，伺服驅(qū)動(dòng)通道偏流狀態(tài)，伺服驅(qū)動(dòng)輸出超過了限定的最大值會(huì)被認(rèn)定為偏流狀態(tài)。

伺服驅(qū)動(dòng)通道本身存在故障損壞時(shí)，也必須關(guān)斷驅(qū)動(dòng)通道。

LVDT判定為故障，也必須關(guān)斷驅(qū)動(dòng)通道。無論對(duì)于哪種LVDT，出現(xiàn)斷線的情況時(shí)，均應(yīng)該認(rèn)定為故障。對(duì)于AC LVDT，激勵(lì)源（LVDT初級(jí)信號(hào)）發(fā)生了故障。LVDT信號(hào)采集通道出現(xiàn)了故障。LVDT鐵芯松動(dòng)或滑落超出限定值。對(duì)于6線制AC LVDT，工作在非線性區(qū)。對(duì)于4-20mA DC LVDT，其信號(hào)不在 （2mA，22mA）范圍內(nèi)。

6.閥門位置反饋信號(hào)冗余可靠性

DEH的閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)是閥門位置伺服控制回路組成的閉環(huán)控制裝置，跟隨閥門移動(dòng)的閥門位移傳感器將閥門的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)，作為伺服控制回路的負(fù)反饋。DEH輸出的閥門位置指令信號(hào)與閥門位置反饋信號(hào)相等時(shí)，閥門被控制在某一位置。可見閥門位置反饋信號(hào)在閥門伺服控制回路中是一個(gè)非常重要的信號(hào)。該信號(hào)的可靠性直接關(guān)系到閉環(huán)控制裝置的可靠性。一般選用可靠性比較高的LVDT 作為位置反饋的傳感器。通常的反饋方式有： LVDT 單通道位置反饋，LVDT 雙通道高選位置反饋，LVDT智能高選位置反饋以及三冗余反饋幾種方式。

LVDT智能高選位置反饋方式：該方式增加LVDT 信號(hào)偏差大報(bào)警、自動(dòng)判別并切除故障信號(hào)，信號(hào)超出正常范圍則輸出為低限值，以便高選另一個(gè)正常值等邏輯判斷能力，使兩只LVDT 實(shí)現(xiàn)真正的雙冗余，將系統(tǒng)故障率降到最低。

7 基于本項(xiàng)目的伺服控制回路優(yōu)化

由于DEH配置為WOODWARD公司提供，無法對(duì)其伺服卡內(nèi)部以及網(wǎng)絡(luò)冗余等相關(guān)硬件配置進(jìn)行優(yōu)化更改。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)只對(duì)DEH的邏輯組態(tài)以及伺服卡的故障判斷策略、位置反饋故障判斷進(jìn)行討論和優(yōu)化。

1.增加伺服回路故障的判斷邏輯，當(dāng)DEH邏輯判斷伺服回路故障時(shí)，閉鎖該伺服通道的驅(qū)動(dòng)輸出。針對(duì)WOODWARD伺服卡的性質(zhì)，進(jìn)行以下伺服回路的故障判斷并進(jìn)行了邏輯優(yōu)化與相關(guān)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表１：

2.增加DEH連鎖邏輯：抽汽調(diào)節(jié)閥任一反饋小于25%，切除抽汽，抽汽調(diào)節(jié)閥指令全開。

3.增加DEH保護(hù)邏輯：任一抽汽調(diào)節(jié)閥反饋小于20%，則機(jī)組停機(jī)。

8 結(jié)語

上述內(nèi)容針對(duì)某石化企業(yè)50MW抽汽式汽輪機(jī)組的伺服控制回路進(jìn)行分析，并且對(duì)由于伺服控制回路故障導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)事件進(jìn)行較為詳細(xì)的分析。本文可為DEH的伺服冗余控制策略的設(shè)計(jì)或者校核提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡海軍．600MW機(jī)組汽輪機(jī) DEH 伺服控制系統(tǒng)雙冗余改造[J]．發(fā)電設(shè)備，2016，30（3）：202-205，209．

[2]楊慶柏，郭永樹．DEH 的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[J]．東北電力技術(shù)，1998（8）．

[3]朱德宇．汽輪機(jī)閥位控制卡冗余設(shè)計(jì)及可靠性分析[D]．上海交通大學(xué)，2017．

[4]尚洪奎，張 偉． DEH 系統(tǒng)主汽門控制冗余改造[J]．山東電力技術(shù)，2015，42（1）：67-68，71．

[5]東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司伺服模塊說明，2020.