核電廠(chǎng)柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)油門(mén)開(kāi)度反饋裝置研制創(chuàng)新

滕曉雷,徐瑞陽(yáng)

(1.江蘇核電有限公司,江蘇 連云港 222042;2.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂(lè)山 614000)

1 系統(tǒng)概述

田灣核電站機(jī)組柴油機(jī)由法國(guó)MAN公司設(shè)計(jì)供貨,其主要作用是為安全相關(guān)母線(xiàn)BDA/BDC提供應(yīng)急后備電源,當(dāng)母線(xiàn)故障失電時(shí),柴油機(jī)能在15 s內(nèi)啟動(dòng)完畢并順序帶載,保證安全相關(guān)工藝系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

機(jī)組柴油機(jī)配套使用MAN公司生產(chǎn)的調(diào)速系統(tǒng),主要包括E19600電子調(diào)速器、19127轉(zhuǎn)速探頭、19380前置放大器以及專(zhuān)用信號(hào)傳輸電纜組,其核心部件為E19600電子調(diào)速器,如圖1所示。該型號(hào)調(diào)速器采用集成電路技術(shù),微電腦控制,預(yù)置控制參數(shù),可與后臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊,具有組態(tài)和維護(hù)功能。其主要功能包括:

1)柴油機(jī)啟動(dòng)順序控制;

2)額定轉(zhuǎn)速控制;

3)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié);

4)故障報(bào)警

5)提供后臺(tái)維護(hù)接口;

6)數(shù)據(jù)采集及控制命令輸出。

如圖2所示,柴油機(jī)接到啟機(jī)命令后啟動(dòng),調(diào)速器按照轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)特性曲線(xiàn)定值控制轉(zhuǎn)速上升,同時(shí)采集兩個(gè)19127測(cè)速探頭的輸出作為當(dāng)前轉(zhuǎn)速,當(dāng)調(diào)速器檢測(cè)到當(dāng)前轉(zhuǎn)速達(dá)到定值ST1(20 r/min)時(shí),調(diào)速器控制油門(mén)打開(kāi),開(kāi)度為定值FRT1(68.58%),轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到定值ST2(230 r/min)時(shí),調(diào)速器控制油門(mén)關(guān)小,開(kāi)度為定值FRT2(48.8%),當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到定值ST3(500 r/min)時(shí),油門(mén)開(kāi)度開(kāi)始不斷調(diào)節(jié),控制柴油機(jī)達(dá)到空載轉(zhuǎn)速1000 r/min后,油門(mén)開(kāi)度保持不變。隨后柴油機(jī)并網(wǎng),操作員手動(dòng)升功率,柴油機(jī)試驗(yàn)期間需維持25%、50%、75%三個(gè)功率平臺(tái),每個(gè)平臺(tái)維持半個(gè)小時(shí),油門(mén)開(kāi)度隨著功率的提升而增大,調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖2 調(diào)速器輸出原理圖Fig.2 Schematic of speed gover nor output

圖3 調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.3 The topology diagra m of speed contr ol syste m

2 現(xiàn)狀分析

2015年2月18日,進(jìn)行1XKA50柴油機(jī)帶載至75%定期試驗(yàn)時(shí),按下啟動(dòng)按鈕約5 s后氣動(dòng)馬達(dá)才有響聲,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速最高升至約80 r/min,未達(dá)到100 r/min的點(diǎn)火轉(zhuǎn)速,故啟動(dòng)不成功,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況再次啟動(dòng)以觀察故障現(xiàn)象時(shí),柴油機(jī)啟動(dòng)成功。

根據(jù)故障現(xiàn)象分析,可能的故障原因包括:調(diào)速器控制命令輸出存在延遲、油門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)接到打開(kāi)油門(mén)命令后未及時(shí)動(dòng)作、氣動(dòng)馬達(dá)動(dòng)作不及時(shí)。

由于機(jī)組柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原設(shè)計(jì)無(wú)有效狀態(tài)監(jiān)測(cè)反饋裝置,無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)速器輸出命令及對(duì)應(yīng)油門(mén)開(kāi)度,故障原因無(wú)法確定。第二次啟動(dòng)柴油機(jī)成功,確定故障現(xiàn)象偶發(fā),無(wú)法確認(rèn)偶發(fā)故障原因,柴油機(jī)仍存在安全隱患。

機(jī)組柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)投運(yùn)已逾10年,定期試驗(yàn)期間經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)速器故障、油門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拒動(dòng)等問(wèn)題導(dǎo)致柴油機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng),詳細(xì)缺陷分類(lèi)及故障現(xiàn)象如表1所示。

表1 調(diào)速系統(tǒng)缺陷分類(lèi)表Table 1 Classification of speed control system defects

續(xù)表

從表1可以看出,截至目前出現(xiàn)的調(diào)速系統(tǒng)缺陷分為3類(lèi),共計(jì)6種故障原因,但僅包含2種故障現(xiàn)象,所以一旦出現(xiàn)缺陷,單從故障現(xiàn)象很難判斷故障原因。

3 油門(mén)開(kāi)度反饋裝置的研制

3.1 調(diào)速器電流輸出監(jiān)視裝置的研制

機(jī)組柴油機(jī)啟動(dòng)階段,調(diào)速器收到柴油機(jī)啟動(dòng)命令后,根據(jù)圖2的特性曲線(xiàn)向油門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)出直流電流驅(qū)動(dòng)信號(hào),調(diào)速器通過(guò)改變輸出直流電流的大小控制油門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)增大或減小油門(mén)。該直流電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)量程為0～1 ADC,因此,通過(guò)監(jiān)測(cè)調(diào)速器輸出電流的變化情況即可確認(rèn)調(diào)速器輸出回路工作狀態(tài)。

確定不影響調(diào)速器輸出功能的前提下,在調(diào)速器出口安裝專(zhuān)用分流器。該分流器原理上是一根穩(wěn)定阻值為0.1Ω的金屬絲,與回路可靠連接,該分流器作用是將0～1 ADC電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～100 mV電壓信號(hào)并引入變送器,變送器輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mADC電流信號(hào)至可編程邏輯控制器 (PLC)模擬量采集模件,并最終引入操作員站顯示,實(shí)現(xiàn)調(diào)速器工作狀態(tài)的監(jiān)視,拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 調(diào)速器電流輸出監(jiān)視拓?fù)鋱DFig.4 The topology diagra m for monitoring of gover nor current output

3.2 油門(mén)開(kāi)度傳感器的研制

3.2.1 油門(mén)開(kāi)度傳感器功能概述

機(jī)組柴油機(jī)啟動(dòng)階段,油門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)接收來(lái)自調(diào)速器的電流信號(hào)后打開(kāi)油門(mén),可通過(guò)就地油門(mén)位置指示器觀察油門(mén)打開(kāi)的角度,但卻無(wú)法確認(rèn)油門(mén)打開(kāi)的角度是否與調(diào)速器輸出命令線(xiàn)性正比,無(wú)法確認(rèn)油門(mén)是否動(dòng)作及時(shí),為了監(jiān)視油門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作狀態(tài),考慮增加反饋裝置,監(jiān)測(cè)油門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)收到調(diào)速器命令后動(dòng)作的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

油門(mén)打開(kāi)時(shí),就地油門(mén)位置指示器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),指示目前油門(mén)開(kāi)度,其旋轉(zhuǎn)的角度與油門(mén)開(kāi)度成正比,且指示器與油門(mén)同時(shí)動(dòng)作,因此,通過(guò)監(jiān)測(cè)油門(mén)位置指示器的動(dòng)作情況即可直觀確認(rèn)油門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)。

確定不影響油門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的前提下,在機(jī)組柴油機(jī)油門(mén)位置指示器處安裝一種定制的油門(mén)開(kāi)度傳感器,該裝置可將油門(mén)實(shí)際動(dòng)作角度值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4～20 mADC電流信號(hào)并引入可編程邏輯控制器 (PLC)模擬量采集模件[1],最終引入操作員站顯示,實(shí)現(xiàn)油門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)的監(jiān)視,拓?fù)鋱D如圖5所示。

圖5 油門(mén)開(kāi)度反饋裝置安裝回路拓?fù)鋱DFig.5 The topology diagram of the throttle opening feedback device installation circuit

3.2.2 油門(mén)開(kāi)度傳感器詳細(xì)設(shè)計(jì)

目前,市面上主流的角度位置編碼器有兩種,分別為旋轉(zhuǎn)增量編碼器和絕對(duì)值編碼器。

旋轉(zhuǎn)增量編碼器在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖,通過(guò)內(nèi)置的計(jì)數(shù)設(shè)備來(lái)計(jì)算其位置,該編碼器的優(yōu)缺點(diǎn)如下:

1)安全、使用壽命長(zhǎng);

2)電源切斷后容易出現(xiàn)零點(diǎn)漂移;

3)抗干擾能力差,容易受電磁干擾影響;

4)編碼時(shí)傳輸速率必須足夠高,否則會(huì)失真。

絕對(duì)值編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器,在它的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道,每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成,碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù),在碼盤(pán)的一側(cè)是光源,另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件;當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí),各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào),形成二進(jìn)制數(shù),該編碼器的優(yōu)缺點(diǎn)如下:

1)不要計(jì)數(shù)器,在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼,數(shù)字碼在裝置內(nèi)部轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4～20 mADC信號(hào)輸出;

2)沒(méi)有累積誤差;

3)電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定的,也就是說(shuō)精度取決于位數(shù);

4)抗干擾能力強(qiáng);

5)造價(jià)高于旋轉(zhuǎn)增量編碼器。

通過(guò)比較兩種編碼器的特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)使用要求,我們選擇了抗干擾能力更強(qiáng)的絕對(duì)值編碼器,并利用絕對(duì)值編碼器原理,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)油門(mén)開(kāi)度指示器尺寸,設(shè)計(jì)了油門(mén)開(kāi)度傳感器,詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙如圖6～圖9所示。

圖6 油門(mén)開(kāi)度傳感器底座Fig.6 The throttle opening feedback sensor base

圖7 油門(mén)開(kāi)度傳感器尺寸Fig.7 The size of throttle opening feedback sensor

圖8 油門(mén)開(kāi)度傳感器正面3D圖Fig.8 The front 3D diagra m of throttle opening feedback sensor

圖9 油門(mén)開(kāi)度傳感器側(cè)面3D圖Fig.9 The side 3D diagra m of throttle opening feedback sensor

裝置輸出標(biāo)準(zhǔn)儀控八芯線(xiàn),供電為24 VDC,輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號(hào),裝置輸出接線(xiàn)圖如圖10所示。

圖10 油門(mén)開(kāi)度傳感器裝置輸出接線(xiàn)圖Fig.10 The wiring of the throttle feedback sensor output

4 實(shí)施過(guò)程及效果檢查

2016年1月15日,完成了第一臺(tái)機(jī)組柴油機(jī)1XKA50的改造工作,增加了油門(mén)開(kāi)度反饋裝置,成功實(shí)現(xiàn)了調(diào)速器油門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)命令和油門(mén)動(dòng)作狀態(tài)的監(jiān)視。

截至2016年5月設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,其中2月～5月每月進(jìn)行了一次1XKA50柴油機(jī)試驗(yàn),試驗(yàn)期間調(diào)取了調(diào)速器油門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)命令及油門(mén)動(dòng)作狀態(tài)的實(shí)時(shí)曲線(xiàn),設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)功能及精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)組柴油機(jī)油門(mén)開(kāi)度反饋裝置的研制與實(shí)施,使用低成本方案解決了困擾數(shù)年的技術(shù)問(wèn)題,無(wú)需對(duì)柴油機(jī)本地進(jìn)行任何改動(dòng),實(shí)現(xiàn)了機(jī)組柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視,增加了有效地故障分析手段,降低了柴油機(jī)的不可用時(shí)間,提高了柴油機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性,為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ),該成果已申報(bào)發(fā)明專(zhuān)利,并獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局受理,具有獨(dú)立的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),經(jīng)中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司成果鑒定 (鑒定證書(shū)編號(hào):中核科鑒字 〔2016〕第119號(hào)),該成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。