汽輪機(jī)組伺服系統(tǒng)升級改造

饒 峰，邢明程，莫文杰，解騰飛

(深圳媽灣電力有限公司，廣東深圳 518052)

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汽輪機(jī)組伺服系統(tǒng)升級改造

饒 峰，邢明程，莫文杰，解騰飛

(深圳媽灣電力有限公司，廣東深圳 518052)

針對汽輪機(jī)組原伺服系統(tǒng)汽門頻繁誤動(dòng)的問題，在進(jìn)行了多次驗(yàn)證比較的基礎(chǔ)上，提出在原DCS系統(tǒng)末端引入可靠性更高的雙冗余伺服系統(tǒng)，突破了原設(shè)計(jì)PROCONTROL P系統(tǒng)不能兼容其他DCS系統(tǒng)的局限性，克服該汽輪機(jī)油動(dòng)機(jī)擺動(dòng)安裝(擺缸)的問題，設(shè)計(jì)了一套位置反饋組件，解決了原系統(tǒng)存在的伺服閥故障率高、LVDT頻繁損壞等問題。

汽輪機(jī)； 雙伺服系統(tǒng)； 伺服閥； 閥位反饋裝置

某電廠2臺汽輪機(jī)組為西屋引進(jìn)型N300-16.7/537/537型亞臨界中間一次再熱凝汽式汽輪機(jī)，控制系統(tǒng)采用PROCONTROL P專用數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)。原設(shè)計(jì)DEH系統(tǒng)控制部分和機(jī)組DCS系統(tǒng)為一體化方案。汽輪機(jī)油動(dòng)機(jī)采用擺動(dòng)式安裝，采用上下兩支點(diǎn)固定；工作中油動(dòng)機(jī)隨汽門動(dòng)作而作扇形擺動(dòng)，這給閥位反饋裝置(通常簡稱LVDT)選型安裝帶來了不便。原設(shè)計(jì)的內(nèi)置、非接觸式的閥門反饋裝置，自身帶有精密的元器件，受就地環(huán)境高溫影響，LVDT故障率非常高；后將LVDT換型為外置滑動(dòng)式，但卻又受制于擺缸帶來的弊端，LVDT故障率依然較高；特別是近年來隨著機(jī)組調(diào)峰負(fù)荷較多，調(diào)節(jié)門動(dòng)作頻繁，出現(xiàn)過多次因閥門劇烈波動(dòng)而引起的伺服系統(tǒng)故障造成的停機(jī)事故[1]。針對以上幾個(gè)問題，筆者提出了改造整個(gè)伺服系統(tǒng)，包括電液伺服閥(MOOG閥)換型、LVDT換型及相關(guān)伺服卡件的升級換型等。

1 液壓部分

1.1 原液壓部分

該型號汽輪機(jī)汽門油動(dòng)機(jī)安裝采取了擺缸方式，其擺缸安裝見圖1。

圖1 擺缸安裝方式示意圖

由圖1可見：油缸采用上、下共兩個(gè)支點(diǎn)固定，下部支點(diǎn)采用活動(dòng)銷桿固定于汽門壁，而上部通過U型頭固定于汽門擺臂端部。隨著汽門開度的不同，汽門擺臂端部運(yùn)動(dòng)軌跡不是一條垂線，從而會(huì)帶動(dòng)油動(dòng)機(jī)也產(chǎn)生前后的扇形位移。

如不能做到反饋元件與油缸的完全一體，則此扇形位移量足以損壞較為精密的LVDT裝置。電廠運(yùn)行實(shí)際中LVDT故障較多，高峰期平均每月都有一起調(diào)節(jié)門故障。經(jīng)過多方考察和充分論證后，決定對其加以改造。

1.2 集成塊的改造

改造方案核心內(nèi)容是重新設(shè)計(jì)液壓集成塊。增加集成轉(zhuǎn)換塊的方案，不論是從保證伺服閥的嚴(yán)密安裝還是保證油缸安全運(yùn)行方面，都同時(shí)能得到了滿足；而且可以在新加工的集成塊上一體設(shè)計(jì)安裝位移傳感器(LVDT)，保證其隨油動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作，可以完美解決擺缸扇形位移的影響。同時(shí)由于油缸外殼體繞油缸芯桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，LVDT的安裝組件設(shè)計(jì)時(shí)采用兩級相互垂直的萬向節(jié)，理論上可以吸收任一方向轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的偏差。

新設(shè)計(jì)的液壓集成塊保留了原液壓集成塊的全部液壓功能(包括原液壓油管路接口、測壓接頭的測壓功能等)，接口位置不變，保證了就地油管路安裝方式不變。同時(shí)，伺服閥761-3003/3004可以直接安裝在液壓塊上，不需要使用過渡板安裝。LVDT反饋元件，采用行業(yè)常見的三線制差動(dòng)線圈式反饋，方便以后備件的購買。

1.3 伺服閥改造

原系統(tǒng)配套使用的是美國MOOG公司的D661-1710E和D661-1709E，前者用于主機(jī)汽輪機(jī)汽門，后者用于給水泵汽門。該閥屬于老式的比例閥，其內(nèi)部包含有較多電子電路，不能耐受環(huán)境高溫，故障率較高。其閥體清洗和維修成本都非常高，無論從安全方面和還是經(jīng)濟(jì)方面考慮，急需換型。經(jīng)過調(diào)研，選用穆格公司761系列產(chǎn)品761-3003和761-3004分別替換D661-1710E和D661-1709E。經(jīng)過流量核算，確認(rèn)該型號伺服閥完全滿足該型號油缸通流要求，性能不低于原設(shè)計(jì)伺服閥。

1.4 位移傳感器改造

位移傳感器改造由原來的單支LVDT改成雙支LVDT結(jié)構(gòu)，這樣增加了設(shè)備的可靠性；選用三線制差動(dòng)線圈形式，使用方便、節(jié)約備件、減少庫存、降低成本。在位移傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，與油動(dòng)機(jī)集成塊一體安裝，總體設(shè)計(jì)成一個(gè)組件結(jié)構(gòu)。該位移傳感器組件由兩支LVDT、一個(gè)導(dǎo)向桿組、一個(gè)連接板及萬向接頭等組成；連接板傳遞油缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)行程，帶動(dòng)導(dǎo)向桿跟隨運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向桿運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)雙LVDT隨之運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向桿的設(shè)置，使閥門、油缸等運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、震動(dòng)等較小的位移量均消化在導(dǎo)向桿上，屬于細(xì)調(diào)。其設(shè)計(jì)的兩級萬向節(jié)，用于抵消油缸外殼隨油動(dòng)機(jī)芯桿轉(zhuǎn)動(dòng)的較大位移量，屬于粗調(diào)。兩者配合，保證雙LVDT不受任何外力的干擾和影響，確保LVDT工作的安全性；并且雙LVDT結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在線更換。

整體液壓的安裝設(shè)計(jì)效果見圖2。

圖2 液壓設(shè)計(jì)效果圖

2 電控部分

電控部分的改造是為了適應(yīng)新的伺服閥(MOOG閥)及位置反饋器(LVDT)，輸出控制信號以便驅(qū)動(dòng)伺服閥，并最終帶動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)。原設(shè)計(jì)伺服卡型號為D122F022-A022C伺服卡，該型號卡不支持-20～20 mA指令輸出，不能匹配當(dāng)前主流的伺服閥，如MOOG 761系列伺服閥；不能接收三線制LVDT信號,且由于此型號卡件使用年限久遠(yuǎn)，已無備件可用，因此需要對電控系統(tǒng)進(jìn)行同步升級改造。

2.1 方案介紹

原設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用PROCONTROL P專用數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)，其不論從開放性還是兼容性都非常不好；而與之匹配的DEH控制系統(tǒng)P13，由于兩者之間專用的數(shù)據(jù)傳輸形式，除非考慮整體改造，否則完全不能接入其他DCS系統(tǒng)，因此從節(jié)約成本和整體改造難易程度出發(fā)，改造中DEH系統(tǒng)部分不做改動(dòng)，僅對末端的伺服卡件本身進(jìn)行改造。經(jīng)過仔細(xì)考察后，最終選擇了雙伺服控制系統(tǒng)方案。

雙伺服系統(tǒng)方案主要內(nèi)容有：新裝2只標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，其內(nèi)置最新的液壓伺服子模件xSV卡件，配合專用的伺服端子板，代替原來的伺服卡件，用于控制新的伺服閥。整個(gè)伺服系統(tǒng)獨(dú)立成一個(gè)子站(下稱伺服柜)，工作于原DEH系統(tǒng)與就地液壓系統(tǒng)之間。整套方案僅僅在控制鏈路的底層做了改動(dòng)，沒有改變原DEH的所有功能。故而對運(yùn)行人員操作沒有任何改變，使得改造對原系統(tǒng)影響最小，改造風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

雙伺服系統(tǒng)控制回路，其原理以一個(gè)調(diào)門為例：伺服卡通過專用伺服端子板接收原DEH來的一路4～20 mA硬接線指令信號，再采集來自現(xiàn)場的閥位開度信號(LVDT信號)，在伺服卡內(nèi)部進(jìn)行PI運(yùn)算后，輸出一路控制指令信號用于驅(qū)動(dòng)就地伺服閥(MOOG閥)的其中一路線圈，至此才構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)回路。然后另外一塊伺服閥、另一路指令、另一路LVDT構(gòu)成同樣的一套閉環(huán)回路，用于驅(qū)動(dòng)就地伺服閥(MOOG閥)的另一路線圈。兩回路之間通過伺服端子板上的冗余電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，能夠相互冗余，相互傳遞、實(shí)時(shí)監(jiān)視對方模件的工作狀態(tài)信息，保證兩回路之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作，從而組成雙冗余伺服系統(tǒng)。其一路伺服回路出現(xiàn)故障時(shí)，能夠無擾切換。

雙伺服系統(tǒng)功能框見圖3。

圖3 雙伺服系統(tǒng)功能框圖

整個(gè)閉環(huán)控制的循環(huán)時(shí)間為10 ms，其中的A/D部分②實(shí)現(xiàn)DEH控制指令信號和LVDT的反饋信號的采樣；板載CPU①對采得的信號進(jìn)行判斷和PI計(jì)算，計(jì)算結(jié)果從D/A部分③輸出，并經(jīng)功放環(huán)節(jié)④驅(qū)動(dòng)后即為伺服閥線圈控制電流。

在伺服閥線圈控制電流輸出的最后環(huán)節(jié)，串聯(lián)了一個(gè)自鎖繼電器。在模塊發(fā)生故障時(shí)，可以通過控制這個(gè)繼電器，實(shí)現(xiàn)故障模塊的切除。

改造后的雙伺服系統(tǒng)信號流程見圖4。

圖4 改造后伺服系統(tǒng)信號流程圖

新伺服系統(tǒng)配置包括2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜、1臺上位機(jī)、1套冗余控制處理器、4套冗余以太網(wǎng)通訊模塊、2塊DO模塊、2塊AO模塊、1塊DI模塊和12套冗余伺服模塊及端子板，新系統(tǒng)采用兩路24V直流電源冗余供電。

設(shè)置一臺上位機(jī)作為系統(tǒng)的人機(jī)接口，可監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)各實(shí)時(shí)參數(shù)，如LVDT電壓、閥門設(shè)定值電壓、伺服閥(MOOG閥)指令電流等。通過上位機(jī)對各伺服模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置調(diào)整，也可對報(bào)警邏輯等進(jìn)行組態(tài)。

2.2 實(shí)施過程

主要是對原DEH系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)修改，信號電纜鋪設(shè)等工作。由于原DEH采用的PROCONTROL P-13系統(tǒng)的局限性，其組態(tài)修改和信號取用難度較大，花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，并對輸入輸出通道進(jìn)行嚴(yán)格的校驗(yàn)修正，保證新老系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確可靠地銜接。具體工作有：

(1) 原DEH柜各閥門指令是一路AO輸出，現(xiàn)在采用雙伺服輸出，因此需要增加一路AO指令輸出。主汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)共12個(gè)調(diào)門，共計(jì)24路AO指令輸出，其中新增12路AO。通過修改原DEH部分P13組態(tài)完成。對輸出通道進(jìn)行校驗(yàn)。

(2) 新伺服柜與就地LVDT和MOOG閥信號傳輸，鋪設(shè)伺服卡到就地MOOG閥兩路指令信號電纜和就地兩路閥位信號(LVDT)至伺服卡傳輸電纜。按要求LVDT傳輸電纜采用高分頻計(jì)算機(jī)屏蔽電纜，選用型號為ZR-DJYPVP/3*2*0.75，其最高工作溫度不超過65 ℃[2]，且兩支LVDT電纜要求分開布置，否則極易相互干擾，并且按要求做好電纜屏蔽單點(diǎn)接地措施，防止外界強(qiáng)信號的干擾。

(3) 伺服柜到原DEH系統(tǒng)回送一路硬接線的閥位信號?？紤]到信號的準(zhǔn)確性，加上綜合兩種系統(tǒng)接口的電氣特性，最后選擇從新伺服柜的伺服端子板取一路閥位信號(定義為1～5 V)，通過硬接線電纜送至原DEH系統(tǒng)。

(4) 一些必要的報(bào)警信號，包括伺服卡故障、LVDT故障、伺服柜電源失去、冗余故障等。通過伺服柜的內(nèi)主模件邏輯判斷后，輸出至伺服柜內(nèi)DO模件，最后通過硬接線的方式送入原DCS系統(tǒng)，作為必要的報(bào)警監(jiān)視作用。

3 調(diào)試過程

3.1 信號回路檢查測試

為避免信號的干擾，要求每支LVDT采用單獨(dú)的控制電纜，因此需重新敷設(shè)LVDT至控制機(jī)柜的屏蔽控制電纜。電纜采用高分頻計(jì)算機(jī)屏蔽電纜，且所有電纜屏蔽線必須在控制機(jī)柜側(cè)單點(diǎn)接地，所有電纜的屏蔽線接地電阻值必須滿足規(guī)定。因此在閥門調(diào)試前必須對所有信號回路進(jìn)行核對，確保無誤。試驗(yàn)過程中，將接錯(cuò)的線重新調(diào)整，然后系統(tǒng)才能正式上電，在經(jīng)過上電測試拷機(jī)后，系統(tǒng)各部分工作正常，可以進(jìn)入下一步調(diào)試。

3.2 油動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)調(diào)試

在就地液壓部分具備條件后，即可通過工程師站，對伺服卡件進(jìn)行工作方式設(shè)置、閥門開度校正、控制回路參數(shù)調(diào)整等。通過工程師站可以對閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程校正，可以一次完成閥門的零位、滿度、偏置調(diào)整，還可以調(diào)整閥門控制回路的PID參數(shù)，使閥門伺服控制特性達(dá)到最佳狀態(tài)；然后將最優(yōu)化的參數(shù)保留在工程師站和伺服模件上，這樣當(dāng)機(jī)組運(yùn)行中某伺服模件故障的時(shí)候，就可以直接把保存在工程師站上的參數(shù)下裝到新的伺服模件中，而不需要重新對模件進(jìn)行整定。調(diào)試后，通過DCS操作員站開啟和關(guān)閉汽輪機(jī)各閥門，確認(rèn)閥門實(shí)際行程和DEH畫面指示行程的一致性。

3.3 各故障報(bào)警輸出測試

為監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)，系統(tǒng)在控制器中設(shè)置了伺服卡故障、LVDT故障、伺服柜電源失去、冗余故障等狀態(tài)信號，以便運(yùn)行、檢修人員及時(shí)獲知系統(tǒng)異常狀態(tài)。將這些狀態(tài)信號，一方面加入系統(tǒng)監(jiān)視畫面，另一方面經(jīng)過邏輯判斷后通過DO模塊輸出至原DCS系統(tǒng)，作為系統(tǒng)的異常報(bào)警。調(diào)試時(shí)通過模擬這些異常狀態(tài)信號，確認(rèn)各報(bào)警狀態(tài)是否正確。

3.4 閥門遲緩率測試

閥門調(diào)試完成后，需要進(jìn)行一次遲緩率測試。測試時(shí)將伺服模塊接受的閥門設(shè)定指令由DEH輸出的4～20 mA信號切換至控制器內(nèi)部輸出信號，并開啟上位機(jī)中歷史庫記錄功能。閥門行程反饋可以由伺服端子板直接輸出到DEH進(jìn)行監(jiān)視，也可以通過標(biāo)準(zhǔn)的AO模塊輸出；然后閥門會(huì)按預(yù)先設(shè)定程序開關(guān)一次，此時(shí)可通過觀察曲線是否平滑、有無毛刺等，檢查閥門油動(dòng)機(jī)、伺服閥(MOOG閥)是否存在異常。試驗(yàn)后，通過歷史趨勢的分析，各調(diào)門指令與反饋曲線跟蹤很好，沒有明顯遲滯與毛刺，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.5 調(diào)試過程中遇到的問題

油動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些小的問題，其中較為典型的一類情況是油動(dòng)機(jī)在某一開度穩(wěn)不住(就地油動(dòng)機(jī)芯桿抖動(dòng))，一般情況下，通過調(diào)整伺服卡PI環(huán)節(jié)的參數(shù)即可解決。但在調(diào)試兩只高壓主汽門時(shí)，調(diào)門抖動(dòng)始終不能緩解，其抖動(dòng)幅度已不能滿足控制要求，特別是70%開度以上時(shí)，就地觀察發(fā)現(xiàn)油動(dòng)機(jī)有較為明顯的起伏波動(dòng)。經(jīng)過仔細(xì)觀察研究，發(fā)現(xiàn)是就地LVDT安裝組件設(shè)計(jì)缺陷，不能適應(yīng)主汽門水平安裝的現(xiàn)場條件導(dǎo)致，表現(xiàn)為主汽門油動(dòng)機(jī)及本體是采用水平臥式安裝，當(dāng)油動(dòng)機(jī)開度較大(70%以上)時(shí)，由于門本體的自重，會(huì)將油缸伸出部分拉向下傾斜，最端尾部位在垂直方向有近2 cm下降，而LVDT拉桿設(shè)計(jì)的萬向節(jié)僅能做水平方向的活動(dòng)，不能抵消此垂直方向偏差，導(dǎo)致導(dǎo)向桿受力，活動(dòng)受阻，不能快速跟隨油動(dòng)機(jī)的位移，表現(xiàn)在控制上，就是門在高開度時(shí)來回波動(dòng)。熱工人員經(jīng)過與上海新華威爾廠家溝通，決定在LVDT拉桿中間，增加一級萬向節(jié)(見圖5中圈內(nèi)標(biāo)注)，讓其工作在垂直方向，以便吸收該方向的偏差。經(jīng)過試驗(yàn)，證明效果非常好，完美解決了該問題。

圖5 高壓主汽門安裝圖

4 結(jié)語

伺服系統(tǒng)，作為銜接控制與汽輪機(jī)本體設(shè)備的系統(tǒng)，其工作環(huán)節(jié)涉及機(jī)務(wù)和熱工兩個(gè)專業(yè)，改造過程中需要統(tǒng)籌考慮兩個(gè)方面的工作，任一方單獨(dú)都不足以完成該系統(tǒng)的改造。只有保證熱工控制系統(tǒng)和汽門本體動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，才能保證調(diào)速系統(tǒng)的高效可靠。深圳媽灣電力有限公司二期伺服系統(tǒng)改造，大膽引入新系統(tǒng)，并且采用了許多獨(dú)有的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思路，完美地解決了擺動(dòng)式油動(dòng)機(jī)(擺缸)與LVDT反饋裝置的協(xié)調(diào)工作。新系統(tǒng)運(yùn)行至今，有近半年的時(shí)間沒有出現(xiàn)過任何軟硬件方面的問題，相比之前平均每月一次的汽門關(guān)閉故障，可以說是較為成功的，解決了機(jī)組運(yùn)行的重大安全隱患。

[1] 王麗靜,劉雁杰,王家玉. 媽灣電廠II期汽輪機(jī)調(diào)門波動(dòng)故障分析與處理[J]. 熱力發(fā)電,2000(5): 38-40.

[2] 葉江祺. 熱工測量和控制儀表的安裝[M]. 北京: 水利電力出版社,1992: 382-383.

Upgrading Retrofit on Servo System of Steam Turbines

Rao Feng,Xing Mingcheng,Mo Wenjie,Xie Tengfei

(Shenzhen Mawan Power Co.,Ltd.,Shenzhen 518052,Guangdong Province,China)

To solve the problem of frequent malfunctions existing in the original servo valve of a steam turbine,a dual redundant servo system was introduced to the end of the original system,breaking through the limitation of the original system that is not compatible with other DCS systems,overcoming the restrictions of swinging installation of hydraulic actuator (swing cylinder),and simultaneously designing a set of position feedback assembly,thus solving the problems in the original system,such as high fault rate of servo valve and frequent damages of LVDT,etc.

steam turbine; double servo system; servo valve; LVDT feedback component

2016-09-21

饒 峰(1985—)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的技改及維護(hù)。

E-mail: raofeng@sec.com.cn

TK267

A

1671-086X(2017)04-0295-05