某50MW汽輪機組抽汽調(diào)節(jié)閥伺服控制回路故障分析

喻久亮

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

關(guān)鍵詞：汽輪機 冗余伺服 LVDT

1 前言

汽輪機通過高壓調(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)回路來控制機組的轉(zhuǎn)速。DEH接收來自現(xiàn)場的實際轉(zhuǎn)速信號，此信號轉(zhuǎn)速設(shè)定值進行比較后，送到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路進行PI計算，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，此給定信號在伺服卡內(nèi)與現(xiàn)場油動機位置（LVDT）反饋信號進行比較，經(jīng)伺服卡內(nèi)的PI計算，輸出控制信號（±40mA）到伺服閥，伺服閥控制進入或排出油動機油缸的流量以控制油動機的開啟或關(guān)閉，從而控制機組轉(zhuǎn)速。機組并網(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，可能造成汽輪機控制不穩(wěn)，嚴重時導(dǎo)致機組非計劃停運，甚至損壞汽輪機部件。目前工業(yè)透平投運的機組越來越多，項目的調(diào)試設(shè)計階段由于各方的條件限制對DEH了解不足，再由于安全理念和設(shè)計思路不同，部分DEH存在一定的安全隱患，也曾多次引起保護誤動作。筆者介紹某石化企業(yè)50MW機組發(fā)生的伺服控制回路故障，導(dǎo)致機組跳機燒瓦事故的案例，并對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)造成汽輪機閥門波動的可能性，從而提高汽輪機DEH 的可靠性。

2 某50MW機組介紹

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

通流改造期間對DEH也進行整體改造。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技術(shù)，確保單點故障不影響機組的正常運行。

3 調(diào)節(jié)閥伺服控制回路介紹

由于該機組含有4個高調(diào)閥（CV1、CV2、CV3、CV4）和一個抽汽調(diào)節(jié)閥（LCV）共計5個可調(diào)節(jié)閥門。WOODWARD提供伺服卡為雙通道伺服卡，且每個通道能相互獨立計算。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計算輸出至CV1伺服閥的A線圈。兩塊伺服卡同時工作且相互獨立。A線圈和B線圈共同作用伺服閥完成對油動機的控制，從而達到開關(guān)閥門的目的。

所以最終1號高調(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 機組跳機燒瓦事故經(jīng)過

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

16：23：00，機組電負荷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檢測到抽汽調(diào)節(jié)閥LVDT2由70%突變?yōu)?43%。

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

16：24：10，軸向位移由-0.37mm變至-2.2mm，機組跳機。推力瓦溫變壞點。

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，其鐵芯可移動的差動變壓器，它產(chǎn)生的電量輸出與其分離式可動鐵芯位移成正比。伺服卡判斷閥門開度是根據(jù)現(xiàn)場LVDT的次1和次2線圈的反饋電壓經(jīng)伺服卡內(nèi)部計算而來。伺服卡5檢測到抽汽調(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%。

兩塊伺服卡同時工作且相互獨立。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計算輸出驅(qū)動指令±40mA至抽汽調(diào)節(jié)閥油動機伺服閥的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計算輸出驅(qū)動指令±40mA至抽汽調(diào)節(jié)閥油動機伺服閥的B線圈。A線圈和B線圈共同作用伺服閥完成對油動機進油和排油的控制，從而達到開啟或關(guān)閉閥門的目的。在此次跳機事故中，伺服卡5的B通道接收了抽汽調(diào)節(jié)閥LVDT2的錯誤反饋信號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)致軸向推力突變機組跳閘。

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

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

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)上進行工作。

2.冗余模塊間采用主從模式工作。在一個控制周期內(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、主從競爭、控制運算、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.模件工作時應(yīng)分為三個安全等級：

高全等級最高：雙模件均無故障時，將選擇工作為主模式的模件數(shù)據(jù)進行運算。

安全等級次之：當(dāng)雙模件均存在故障時，將選擇模件間的正常信號參與運算。如：A卡的LVDT存在故障，B卡的驅(qū)動通道存在故障，則選擇A卡的驅(qū)動進行輸出，選擇B卡的LVDT進行運算，閥門仍然可控。

安全等級最弱：當(dāng)雙模件的同一信號存在故障時，將采用安全的策略。當(dāng)兩個模塊的LVDT均存在斷線但至少有一個次級線圈未斷線時，將選擇未斷線的次級線圈進行控制，由于LVDT內(nèi)磁場發(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或兩支LVDT的初級均斷線時，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責(zé)運算，并將運算結(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)動通道故障時而從模式的模件無伺服驅(qū)動故障時，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模件無故障時，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。

4.伺服驅(qū)動安全保護和關(guān)斷功能

冗余模塊分別控制單獨伺服閥的一個線圈，伺服閥的兩個冗余線圈真實工況實際上就是共同作用。因此在異常情況下，伺服驅(qū)動應(yīng)具有安全保護和關(guān)斷功能，以避免異常的伺服驅(qū)動輸出信號對閥門控制造成影響。

5.在下述情況下伺服驅(qū)動通道應(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)動通道；伺服驅(qū)動通道存在故障，伺服驅(qū)動斷線，伺服驅(qū)動通道偏流狀態(tài)，伺服驅(qū)動輸出超過了限定的最大值會被認定為偏流狀態(tài)。

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

LVDT判定為故障，也必須關(guān)斷驅(qū)動通道。無論對于哪種LVDT，出現(xiàn)斷線的情況時，均應(yīng)該認定為故障。對于AC LVDT，激勵源（LVDT初級信號）發(fā)生了故障。LVDT信號采集通道出現(xiàn)了故障。LVDT鐵芯松動或滑落超出限定值。對于6線制AC LVDT，工作在非線性區(qū)。對于4-20mA DC LVDT，其信號不在 （2mA，22mA）范圍內(nèi)。

6.閥門位置反饋信號冗余可靠性

DEH的閥門執(zhí)行機構(gòu)是閥門位置伺服控制回路組成的閉環(huán)控制裝置，跟隨閥門移動的閥門位移傳感器將閥門的位置信號轉(zhuǎn)換為電氣信號，作為伺服控制回路的負反饋。DEH輸出的閥門位置指令信號與閥門位置反饋信號相等時，閥門被控制在某一位置。可見閥門位置反饋信號在閥門伺服控制回路中是一個非常重要的信號。該信號的可靠性直接關(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 信號偏差大報警、自動判別并切除故障信號，信號超出正常范圍則輸出為低限值，以便高選另一個正常值等邏輯判斷能力，使兩只LVDT 實現(xiàn)真正的雙冗余，將系統(tǒng)故障率降到最低。

7 基于本項目的伺服控制回路優(yōu)化

由于DEH配置為WOODWARD公司提供，無法對其伺服卡內(nèi)部以及網(wǎng)絡(luò)冗余等相關(guān)硬件配置進行優(yōu)化更改。項目現(xiàn)場只對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，閉鎖該伺服通道的驅(qū)動輸出。針對WOODWARD伺服卡的性質(zhì)，進行以下伺服回路的故障判斷并進行了邏輯優(yōu)化與相關(guān)測試，測試結(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保護邏輯：任一抽汽調(diào)節(jié)閥反饋小于20%，則機組停機。

8 結(jié)語

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

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