某核電廠1 000 MW汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥伺服閥閥位指令與反饋偏差大原因分析及評(píng)價(jià)

張振潭,楊 剛,龍 彬

(廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001)

0 引言

某廠汽輪機(jī)為單軸、三缸、半速、凝汽式、百萬(wàn)千瓦等級(jí)核電汽輪機(jī)組，并具備外部去濕和再熱裝置。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用SIEMENS公司生產(chǎn)的汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)。機(jī)組高壓缸配置有4組主汽門調(diào)節(jié)汽門組件，每組包含一個(gè)主汽門和一個(gè)調(diào)門，對(duì)稱地布置在高壓缸的兩側(cè)，每個(gè)閥門配置1個(gè)油動(dòng)機(jī)作為液壓控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。調(diào)節(jié)系統(tǒng)核心部件電液伺服閥是博世力士樂(lè)公司生產(chǎn)的4WS2EM16系列四通伺服方向閥，接收系統(tǒng)傳遞來(lái)的電信號(hào)，并把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠控制電液伺服閥的負(fù)載流量信號(hào)，從而使系統(tǒng)輸出較大的液壓功率，用以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)也把閥位反饋給伺服閥，實(shí)際閉環(huán)調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓調(diào)節(jié)閥閥位進(jìn)行精確、快速的控制。

某次大修結(jié)束啟機(jī)前做嚴(yán)密性試驗(yàn)，設(shè)置蒸汽流量需求為30%，高壓四組閥門開始動(dòng)作，動(dòng)作信息如下：1#閥開度6.84%；2#閥開度8.97%，并有關(guān)小趨勢(shì)；3#閥開度9.10%；4#閥開度6.77%。其中2#閥觸發(fā)閥位指令與偏差報(bào)警。經(jīng)過(guò)對(duì)該報(bào)警控制器進(jìn)行下裝，下裝后重新動(dòng)作閥門，閥門動(dòng)作正常，閥位指示正確，報(bào)警未再發(fā)生，但存在閥位指令與偏差偏大的問(wèn)題。

電液伺服閥的性能和可靠性將直接影響系統(tǒng)的性能和可靠性，是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中關(guān)鍵元件，因此本文深入分析該偏差產(chǎn)生的原因及對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響。

1 伺服閥工作原理

1.1 伺服閥結(jié)構(gòu)及原理

雙噴嘴擋板式電液伺服閥由力矩馬達(dá)、噴嘴擋板構(gòu)成的第一級(jí)電液轉(zhuǎn)換與功率放大和第二級(jí)滑閥液壓功率放大組成。力矩馬達(dá)由永久磁鐵、制線圈及將彈簧管、反饋桿、擋板、銜鐵組合在一起的銜鐵組件組成[1]。反饋桿小球插在閥芯中間的槽內(nèi)。

噴嘴擋板級(jí)由1個(gè)回油節(jié)流孔、2個(gè)固定節(jié)流孔和2個(gè)噴嘴擋板可變節(jié)流孔組成。當(dāng)給控制線圈輸入正或負(fù)電流信號(hào)時(shí)，在力矩馬達(dá)的固定磁通和控制磁通相互作用下，力矩馬達(dá)將輸出成比例的正或負(fù)力矩，擋板輸出一定位移，從而使2個(gè)可變節(jié)流孔液阻發(fā)生變化，噴嘴擋板級(jí)向閥芯兩端輸出相應(yīng)的負(fù)載流量和負(fù)載壓力，驅(qū)動(dòng)閥芯向相應(yīng)的方向運(yùn)動(dòng)。閥芯運(yùn)動(dòng)將帶動(dòng)反饋桿運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的反饋力矩反饋到力矩馬達(dá)上，直到反饋桿反饋力矩，噴嘴擋板的液壓力矩和輸入電流信號(hào)產(chǎn)生的電磁力矩相平衡時(shí)，閥芯將停止運(yùn)動(dòng)。

1.2 伺服閥對(duì)閥位控制的原理

閥位指令與閥位反饋相減后的偏差經(jīng)過(guò)放大器運(yùn)算后，轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)作用在伺服閥上，接著液壓缸流量發(fā)生變化，驅(qū)動(dòng)閥門動(dòng)作，產(chǎn)生位移信號(hào)，繼續(xù)與閥位指令作差運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)[2]。

1.3 DEH系統(tǒng)中伺服閥控制邏輯

考慮機(jī)組安全，伺服閥設(shè)計(jì)為在失電情況下持續(xù)泄油，使閥門關(guān)閉，即保證一定的正遮蓋。同時(shí)由于制造、調(diào)整和裝配的差別，伺服閥存在機(jī)械零偏，因此，在控制線圈中不加電流時(shí)，滑閥不在零位，必須施加一定的電流才能使其恢復(fù)零位，該電流值即AP值，每次大修后重新標(biāo)定。當(dāng)|Y|≤Y0時(shí)，控制閥口關(guān)閉；當(dāng)|Y|>Y0時(shí)，有連續(xù)液流流過(guò)某一控制邊。

伺服閥實(shí)際工作點(diǎn)：Y1=Y2=AP+BS+X；BS為顫振信號(hào)，1%，使閥門小幅動(dòng)作，防止卡澀；X為閥位偏差信號(hào)=(指令-反饋)×20；Y1/Y2為伺服閥實(shí)際工作點(diǎn)。汽輪機(jī)蒸汽需求量與閥門開度的關(guān)系必須要精準(zhǔn)地監(jiān)視且反饋，避免出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，因此當(dāng)閥門開度反饋無(wú)法跟上蒸汽需求指令時(shí)，即滿足：|X|>AP×KAP(其中KAP=0.85為比例系數(shù))，就會(huì)出現(xiàn)FAP報(bào)警。

2 偏差大原因分析

通過(guò)對(duì)伺服閥工作原理的分析，發(fā)現(xiàn)影響指令與閥位反饋偏差偏大的因素主要有以下幾方面。

2.1 控制回路故障

若控制器兩列CPU某一點(diǎn)的2個(gè)計(jì)算值出現(xiàn)偏差，則有可能導(dǎo)致偏差過(guò)大，經(jīng)過(guò)對(duì)控制器進(jìn)行下裝，下裝后重新動(dòng)作閥門，閥門動(dòng)作正常，閥位指示正確，仍存在偏差大，排除控制回路故障可能性。

2.2 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥輕微卡澀

大修中為驗(yàn)證閥門的活動(dòng)性和保護(hù)通道安全性，執(zhí)行了閥門活動(dòng)性試驗(yàn)，無(wú)任何閥位控制器輸出故障，并且閥門活動(dòng)正常，無(wú)卡澀現(xiàn)象。該閥快關(guān)時(shí)間：240.4 ms(A列)；240.9 ms(B列)，標(biāo)準(zhǔn)為220%±10%。同時(shí)調(diào)取快關(guān)錄波曲線觀察，閥門動(dòng)作平穩(wěn)無(wú)異常，排除調(diào)節(jié)閥輕微卡澀的可能性。

2.3 AP值標(biāo)定偏差

大修中，執(zhí)行了汽機(jī)閥門特性試驗(yàn)，對(duì)AP值重新標(biāo)定。首先將舊AP值、抖動(dòng)值BS設(shè)置為0，然后將閥門限值分別設(shè)置成10%、30%、50%、70%，記錄AP值，同樣利用伺服閥中位自鎖機(jī)能，選取最大值20.41%作為AP值寫入程序。

新AP值標(biāo)定完成后，執(zhí)行再鑒定，驗(yàn)證AP值準(zhǔn)確性，再次給予閥門25%/50%/75%開度指令，Y1/Y2輸出均在新AP值±2%范圍內(nèi)，新AP值合格，可補(bǔ)償伺服閥機(jī)械零點(diǎn)，排除AP值標(biāo)定偏差。

2.4 機(jī)械零位漂移

該伺服閥具有中位自鎖功能，當(dāng)調(diào)節(jié)閥閥位穩(wěn)定后，可以得到伺服閥處于中位，即此時(shí)施加的全部電流信號(hào)恰好使伺服閥處于機(jī)械零位，即此時(shí)的平衡機(jī)械零位的實(shí)際AP值等于Y1(Y2)。

查詢大修中標(biāo)定的AP=20.41%；閥位穩(wěn)定后，調(diào)取CPU中運(yùn)行數(shù)據(jù)得到閥位指令與偏差為-0.56%。根據(jù)公式：AP+BS+X=Y1=Y2。

Y1=Y2=20.41%+1%+(-0.56%)×20=10.21%

即實(shí)際AP=10.21%，意味著機(jī)械零位發(fā)生改變，從標(biāo)定的20.41%變到10.21%左右。同時(shí)查看并網(wǎng)后閥門指令/反饋數(shù)據(jù)，檢查AP值與伺服閥Y1/Y2輸出，Y1/Y2輸出在只有在7%～9%波動(dòng)，最大不超過(guò)10%。因此，該偏差過(guò)大產(chǎn)生的原因?yàn)闄C(jī)械零位發(fā)生漂移，導(dǎo)致AP值變化，而導(dǎo)致漂移原因?yàn)榛y輕微卡滯，且在快速開啟的過(guò)程中導(dǎo)致。

3 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)功能分析

3.1 AP值對(duì)調(diào)節(jié)功能的影響

汽機(jī)調(diào)閥有負(fù)荷調(diào)節(jié)功能和汽機(jī)保護(hù)功能，評(píng)判閥門負(fù)荷調(diào)節(jié)性能和保護(hù)功能均依據(jù)閥門動(dòng)作時(shí)間。快開時(shí)間用于評(píng)估調(diào)閥的負(fù)荷調(diào)節(jié)性能，快關(guān)時(shí)間用于評(píng)估調(diào)閥的保護(hù)功能。通過(guò)調(diào)整機(jī)械零位試驗(yàn)記錄不同AP電流值下，閥門的快開時(shí)間和閥門快關(guān)時(shí)間如下：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以確定伺服閥不同AP值對(duì)調(diào)閥保護(hù)功能(快關(guān))無(wú)影響。

不同伺服閥AP值設(shè)定對(duì)調(diào)閥負(fù)荷調(diào)節(jié)響應(yīng)速度和響應(yīng)時(shí)間存在影響：AP值為20%附近時(shí)，快開時(shí)間最小，閥門動(dòng)作效應(yīng)最快，同時(shí)通過(guò)曲線分析，AP值在20%±5%范圍內(nèi)，伺服閥響應(yīng)快，快開時(shí)間小；AP電流值降低為10%或者上升到30%附近時(shí)，閥門快開時(shí)間大概增加20 ms；綜合判斷AP電流值為10%～30%，對(duì)調(diào)閥的負(fù)荷調(diào)節(jié)功能的影響是可以接受的。目前伺服閥實(shí)際AP值在10%左右，對(duì)調(diào)節(jié)功能影響可接受。如圖1所示。

圖1 AP值對(duì)快開和快關(guān)時(shí)間影響曲線

3.2 偏差對(duì)調(diào)節(jié)功能的影響

在30%、50%、100%蒸汽流量需求平臺(tái)下做嚴(yán)密性試驗(yàn)，以及升功率過(guò)程、滿功率平臺(tái)、一次調(diào)頻試驗(yàn)期間、閥門活動(dòng)性試驗(yàn)中、日常運(yùn)行中都未觸發(fā)閥位控制器輸出故障報(bào)警，并且該偏差0.56%穩(wěn)定在各功率平臺(tái)，該穩(wěn)定偏差不影響調(diào)節(jié)功能。

4 結(jié)語(yǔ)

電液伺服閥在系統(tǒng)中起著電液轉(zhuǎn)換和功率放大的作用，它的性能可靠性將直接影響系統(tǒng)的性能可靠性，是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。因此，對(duì)所有的偏差都應(yīng)該予以足夠重視。本文通過(guò)對(duì)伺服閥工作原理以及偏差過(guò)大原因的分析，得出該偏差對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)功能的影響如下。

1)伺服閥機(jī)械零位漂移導(dǎo)致了閥位指令與閥位反饋偏差過(guò)大，但該偏差不影響汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)功能。

2)伺服閥的AP電流值設(shè)定對(duì)調(diào)閥保護(hù)功能(快關(guān))無(wú)影響；對(duì)調(diào)閥負(fù)荷調(diào)節(jié)響應(yīng)速度和響應(yīng)時(shí)間(快開)存在影響：推薦AP值標(biāo)準(zhǔn)為(20±5)%，10%～30%為可接受范圍。

3)當(dāng)發(fā)生FAP報(bào)警時(shí)，根據(jù)伺服閥中位自鎖功能，通過(guò)讀取CPU中伺服閥的實(shí)際工作點(diǎn)電流和偏差X值，來(lái)快速判斷機(jī)械零位是否發(fā)生變化。