伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器的故障分析與處理

杜 超 李 帥

(杭州中能汽輪動(dòng)力有限公司)

伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器的故障分析與處理

杜 超 李 帥

(杭州中能汽輪動(dòng)力有限公司)

分析汽輪機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器的現(xiàn)場(chǎng)故障表現(xiàn)形式，分析其原因并給出了有效的解決方案。

電液轉(zhuǎn)換器 汽輪機(jī) 伺服驅(qū)動(dòng) 故障解決方案

電液轉(zhuǎn)換器在現(xiàn)代大型化工設(shè)備中使用極其普遍，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制和集中控制的關(guān)鍵設(shè)備，關(guān)系到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整個(gè)生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。汽輪機(jī)常用的電液轉(zhuǎn)換器分為磁動(dòng)錯(cuò)油門(mén)式和伺服驅(qū)動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式，這兩種控制方式代表著不同的控制方法和設(shè)計(jì)思路[1]。筆者針對(duì)某化工廠汽輪機(jī)上所用的伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定、帶負(fù)荷開(kāi)機(jī)時(shí)出現(xiàn)的甩負(fù)荷現(xiàn)象，分析原因并給出了相應(yīng)的解決措施。

1 伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介

伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器(Woodward CPC Ⅱ)的工作原理[2]如圖1所示。此控制方式區(qū)別于經(jīng)典磁動(dòng)錯(cuò)油門(mén)式的控制原理，是采用執(zhí)行器伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度控制下部開(kāi)啟窗口的大小得到輸出二次油壓值，并通過(guò)壓力變送器測(cè)量輸出油壓的壓力串級(jí)控制形成控制反饋回路，經(jīng)過(guò)電路板PID計(jì)算重新反饋回執(zhí)行器伺服電機(jī)形成閉環(huán)控制[3]。

圖1 伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器工作原理

2 故障現(xiàn)象

電液轉(zhuǎn)換器大量應(yīng)用于汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，其穩(wěn)定、可靠、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)非常有利于化工企業(yè)的生產(chǎn)管理。某化工廠的一臺(tái)汽動(dòng)循環(huán)水泵機(jī)組采用電液調(diào)節(jié)作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)。機(jī)組油動(dòng)機(jī)采用的是單作用油缸，在閥門(mén)關(guān)閉時(shí)不需要油系統(tǒng)提供動(dòng)力油壓。通常在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中，電液轉(zhuǎn)換器很少作為故障點(diǎn)考慮，但在此次調(diào)試中多次出現(xiàn)突出的問(wèn)題。

2.1 系統(tǒng)不穩(wěn)定性突出

汽輪機(jī)空負(fù)荷試車(chē)時(shí)，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)均正常，油系統(tǒng)沒(méi)有較大的波動(dòng)。汽輪機(jī)帶負(fù)荷開(kāi)機(jī)后，隨著轉(zhuǎn)速的逐步提高，波動(dòng)范圍也相應(yīng)變大，從最初的20r/min提高到40r/min。通過(guò)調(diào)整調(diào)速器的PID能較為快速地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最終可以正常運(yùn)行。運(yùn)行幾個(gè)月后停機(jī)，再次開(kāi)機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備無(wú)法正常開(kāi)機(jī)，系統(tǒng)穩(wěn)定性已無(wú)法滿(mǎn)足開(kāi)機(jī)要求。從多次調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)時(shí)出現(xiàn)二次油超調(diào)振蕩明顯，在高閥位信號(hào)給定時(shí)出現(xiàn)了二次油信號(hào)抖動(dòng)現(xiàn)象。

2.2 帶負(fù)荷開(kāi)機(jī)時(shí)出現(xiàn)甩負(fù)荷情況

在少數(shù)幾次帶負(fù)荷開(kāi)機(jī)時(shí)，前期負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，隨著轉(zhuǎn)速提升負(fù)荷逐步增大，在某一時(shí)刻出現(xiàn)功率轉(zhuǎn)速向下突降，水泵出口單向閥無(wú)法穩(wěn)定開(kāi)啟的現(xiàn)象。通過(guò)時(shí)刻對(duì)比分析，排除了外部進(jìn)排汽參數(shù)變化引起的負(fù)荷波動(dòng)。通過(guò)調(diào)取中控?cái)?shù)據(jù)記錄，發(fā)現(xiàn)在低負(fù)荷低轉(zhuǎn)速工況下泵出口單向閥未開(kāi)啟前也出現(xiàn)了振幅較小的此類(lèi)波動(dòng)，由于波動(dòng)較小，所以在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)機(jī)時(shí)并未發(fā)現(xiàn)。

3 故障分析

3.1 故障點(diǎn)的排除

在用戶(hù)的協(xié)助下，通過(guò)前期調(diào)取中控?cái)?shù)據(jù)記錄已經(jīng)排除了蒸汽系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的影響。由于水泵為自灌泵，也排除了泵體內(nèi)漏氣而產(chǎn)生的負(fù)荷波動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)，循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)出水管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，因而也不是管網(wǎng)系統(tǒng)所致。因此將故障范圍限定在汽動(dòng)泵設(shè)備范圍內(nèi)。

設(shè)備靜置數(shù)天后，油系統(tǒng)重新開(kāi)始打油循環(huán)，由于當(dāng)?shù)貧鉁剌^低油溫達(dá)不到運(yùn)行要求溫度，在開(kāi)始打油的一段時(shí)間內(nèi)，油站內(nèi)油液位快速下降到最低液位以下，初步判斷是由于油溫低而導(dǎo)致的油品粘度過(guò)大所致，待油溫提升后仍然不能滿(mǎn)足最低油位要求。反饋用戶(hù)后油位加至正常，同時(shí)檢查冷油器等排除系統(tǒng)漏油的可能性。

重新啟動(dòng)汽動(dòng)泵觀察發(fā)現(xiàn)水泵出口單向閥在未開(kāi)啟前，存在水泵出口壓力小幅波動(dòng)的情況。由于壓力的波動(dòng)直接反映出水泵負(fù)荷是存在波動(dòng)情況的，可以預(yù)見(jiàn)隨著轉(zhuǎn)速的提升負(fù)荷波動(dòng)會(huì)進(jìn)一步增大。

3.2 故障問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)

通過(guò)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的反復(fù)檢查，并更換油動(dòng)機(jī)和電液轉(zhuǎn)換器均未使靜態(tài)發(fā)生根本改變，但調(diào)整阻尼閥能讓二次油的不穩(wěn)定抖動(dòng)區(qū)間發(fā)生偏移。為此，進(jìn)行電液轉(zhuǎn)換器的對(duì)比性試驗(yàn)。試驗(yàn)使用一臺(tái)磁動(dòng)錯(cuò)油門(mén)式電液轉(zhuǎn)換器[4]與3臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器做性能對(duì)比。使用不帶蓄能器的調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油站作為油壓動(dòng)力來(lái)源，使用離心泵作為油站的動(dòng)力油泵。并且系統(tǒng)中設(shè)置一臺(tái)與現(xiàn)場(chǎng)完全一致的油動(dòng)機(jī)進(jìn)行隨動(dòng)性檢查和系統(tǒng)耗油量匹配。通過(guò)結(jié)構(gòu)匹配模擬現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雖然系統(tǒng)中沒(méi)有蓄能器，但磁動(dòng)錯(cuò)油門(mén)式電液轉(zhuǎn)換器基本不受外部輸入油壓波動(dòng)的影響，這一點(diǎn)也從資料中要求輸入油壓大于最高二次油壓150kPa得到證實(shí)。伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用要求相對(duì)嚴(yán)格，要求進(jìn)口壓力波動(dòng)狀況不允許超過(guò)最小二次油壓的±5%。參與試驗(yàn)的3臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器在調(diào)整過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，其穩(wěn)定性不僅受進(jìn)口油壓波動(dòng)影響，也與其內(nèi)部程序卡參數(shù)相關(guān)。其程序卡軟件設(shè)置“性能趨勢(shì)和手動(dòng)操作”下“比例削減(閥限制或從動(dòng)模式)”的數(shù)值設(shè)置影響到二次油壓抖動(dòng)性，即在高閥位信號(hào)給定時(shí)出現(xiàn)了二次油信號(hào)抖動(dòng)現(xiàn)象。

4 解決措施

通過(guò)分析和對(duì)比試驗(yàn)，將電液轉(zhuǎn)換器程序卡中的“比例削減(閥限制或從動(dòng)模式)”值設(shè)置為1.5，消除了高閥位的二次油抖動(dòng)現(xiàn)象。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在小閥位開(kāi)度下，系統(tǒng)穩(wěn)定性非常高，也沒(méi)有超調(diào)問(wèn)題；而通過(guò)閥位信號(hào)給定較大行程量時(shí)，出現(xiàn)了較大的超調(diào)量，同時(shí)伴隨系統(tǒng)油壓、高壓油和二次油同步波動(dòng)現(xiàn)象。由于設(shè)備的油動(dòng)機(jī)為單作用結(jié)構(gòu)，因此超調(diào)現(xiàn)象僅出現(xiàn)在開(kāi)閥過(guò)程中(即從低閥位到高閥位的過(guò)程)，而再?gòu)母唛y位降到低閥位時(shí)沒(méi)有超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生。由此判斷一方面是由于閥位信號(hào)給定過(guò)快導(dǎo)致，另一方面也是系統(tǒng)油壓補(bǔ)充不夠及時(shí)所致。

在電液轉(zhuǎn)換器二次油出口位置配置阻尼閥，阻尼閥可以使振動(dòng)系統(tǒng)中的振動(dòng)通過(guò)阻尼作用使振幅快速下降。關(guān)小阻尼閥后二次油的超調(diào)有了明顯改善。這是由于給定較大的行程量時(shí)，油動(dòng)機(jī)的進(jìn)油使系統(tǒng)油壓產(chǎn)生了一定的波動(dòng)，這讓油系統(tǒng)產(chǎn)生了系統(tǒng)性振蕩，因?yàn)橛偷牟豢蓧嚎s特性，導(dǎo)致振蕩直接傳遞到了二次油。關(guān)小阻尼閥，一方面阻尼作用抑制了系統(tǒng)振蕩的傳遞，確保二次油出口的穩(wěn)定性；另一方面阻尼閥降低了二次油的變化速率，在一定程度上也減緩了油動(dòng)機(jī)開(kāi)啟的速度，也可以認(rèn)為延長(zhǎng)了系統(tǒng)油壓的振蕩周期。

通過(guò)以上措施，設(shè)備故障解決，順利開(kāi)機(jī)帶負(fù)荷。靜態(tài)大閥位特性很少在機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)，但改善大閥位調(diào)整特性能保證信號(hào)傳遞的可靠性，也能使機(jī)組在某些特定故障下不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，保證機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定可靠。

通過(guò)對(duì)以上故障現(xiàn)象的分析處理，總結(jié)出新設(shè)備使用中需要注意的事項(xiàng)：

a. 轉(zhuǎn)速出現(xiàn)類(lèi)似甩負(fù)荷的波動(dòng)情況在油位加滿(mǎn)后沒(méi)有再次出現(xiàn)，說(shuō)明是由于油泵短暫吸空導(dǎo)致控制油中混入空氣，使調(diào)速系統(tǒng)變得不穩(wěn)定所致，這是設(shè)備運(yùn)行保障中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

b. 伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器需要穩(wěn)定的進(jìn)口油壓，無(wú)論是單作用油缸還是雙作用油缸，要盡可能加大蓄能器的容積，以抵消由于油動(dòng)機(jī)進(jìn)油導(dǎo)致的系統(tǒng)油壓波動(dòng)，保證在調(diào)節(jié)過(guò)程中進(jìn)口油壓的穩(wěn)定性，從而消除二次油的系統(tǒng)波動(dòng)性。

c. 在調(diào)試過(guò)程中需對(duì)電液轉(zhuǎn)換器的程序卡做匹配性調(diào)整，在靜態(tài)下需整定相關(guān)PID數(shù)據(jù)，以保證輸出信號(hào)不存在抖動(dòng)，這是伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)，需要在調(diào)試中特別關(guān)注。

d. 適當(dāng)調(diào)整二次油上的阻尼閥對(duì)系統(tǒng)油壓有穩(wěn)定作用，在蓄能器不足的情況下可以降低二次油的變化速率，緩解并減小高壓油的油壓變化量，確保電液轉(zhuǎn)換器入口油壓穩(wěn)定性達(dá)到廠家要求。

e. 由于汽動(dòng)泵的開(kāi)機(jī)特點(diǎn)不同于電動(dòng)泵，很多改造的汽動(dòng)循環(huán)水泵的設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮泵的功率特點(diǎn)。因此需要考慮泵出口單向閥未開(kāi)啟時(shí)水泵功率的變化問(wèn)題。這類(lèi)問(wèn)題可參照給水泵，在水泵進(jìn)出口增加再循環(huán)管路確保水泵功率的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)某化工廠汽輪機(jī)上所用的伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定、帶負(fù)荷開(kāi)機(jī)時(shí)出現(xiàn)甩負(fù)荷等故障現(xiàn)象的分析處理，明確非汽輪機(jī)組非硬件故障的情況下，總結(jié)在機(jī)組維護(hù)與故障分析過(guò)程中新設(shè)備使用中的注意事項(xiàng)，保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整個(gè)生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 曹柯.蒸汽汽輪機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)控制要點(diǎn)及設(shè)計(jì)[J].石油化工自動(dòng)化,2015,51(1): 5～8.

[2] 張燕,許斌海,安連祥,等.CPC-Ⅱ電液轉(zhuǎn)換器的性能分析[J].化工自動(dòng)化及儀表,2011,38(12):1524～1526.

[3] 方群,黃增.電液伺服閥的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)床與液壓,2007,35(11):162～165.

[4] 魏建華,吳根茂.汽輪機(jī)電液控制專(zhuān)用電液轉(zhuǎn)換器[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),1995,(2):32～34.

TH137

B

1000-3932(2017)07-0702-03

2016-12-22,

2017-04-01)

杜超(1985-)，工程師，從事汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)工作，dc@chinen.cn。