50 MW汽輪抽汽機組數字電液控制系統優化實踐

王 竟

(中國石化上海石油化工股份有限公司，200540)

汽輪機調節系統的作用是控制汽輪機轉速、負荷和抽汽壓力以維持汽輪機正常運行，因此調節系統對汽輪機安全運行起著至關重要的作用[1]。中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)熱電部3臺50 MW汽輪抽汽機組原來采用純液壓調節系統，控制精度小，調節性能差，自動化水平較低，不能適應電網的要求[2]。

上海石化為積極推進電站機爐的集中控制，于2011年完成了低壓透平油數字電液控制系統(DEH)的改造，控制精度和自動化水平有了提高，但出現了一些新的問題，導致機組出現故障，甚至停機。

作為上海石化自備熱電廠，主設備(汽機、鍋爐等)的安全性與穩定性至關重要，因此對機組出現故障的原因進行分析，制定和落實整改措施顯得十分必要。

1 機組基本情況及DEH改造情況

1.1 機組基本情況

上海石化熱電部裝備2臺上海汽輪機廠生產的C50-90/13-II型單抽汽輪發電機組(2#機和3#機)，進汽溫度535 ℃；另裝備1臺上海汽輪機廠生產的CC50-8.83/4.12/1.47型雙抽汽輪發電機組(4#機)，進汽溫度535 ℃。2#機、3#機和4#機的自動主汽門(TV)配套手動操縱座均為1臺；高壓調門(GV)的汽門均為4個，油動機均為2臺；低壓旋轉隔板(LV)均為1套、油動機均為1臺；4#機另配中壓調門(IV)的汽門4臺，油動機4臺。調門編號規則是在簡稱字母后加數字，如2號高壓調門表示為“GV2”。

1.2 DEH改造基本情況

DEH按照比例調節系統控制原理實現汽輪機轉速、負荷及抽汽的控制。比例調節系統采用比例伺服閥，通過接收DEH發出的電信號并將其轉化為油壓來控制各油動機，進而實現對機組運行的控制。油動機的控制方式為“一對一”，即一臺油動機配一個比例伺服閥和反饋放大器。

DEH改造內容如下：(1)將自動主汽門操作方式由手動改為電動；(2)取消原有的同步器、調壓器等，基本保留調節系統的執行機構和保護系統；(3)取消油動機機械反饋裝置，增加2個位移傳感器(LVDT)，并對油動機的錯油門進行改造；(4)增加103%超速控制(OPC)、電超速保護和閥門非線性修正。

2 DEH改造后機組出現的問題

2.1 調門油動機晃動頻繁，雙抽機組尤為嚴重

圖1為某次雙抽機組GV2晃動曲線。從圖1可以看出：GV1的指令和GV2的指令根據工況同時從77%左右調整到83%左右，GV1的閥位對指令的反饋比較準確；但GV2的閥位反饋不準確，偏差很大，且出現劇烈的晃動，2 s內晃動幅度范圍從95%左右到近0，GV2的比例伺服閥中位電壓(S電壓值)也出現波動。另外，電負荷隨GV2閥位同步波動，但由于GV1較穩定，負荷變化幅度相對較小，最高為63 MW左右，最低為37 MW左右。

圖1 雙抽機組GV2晃動曲線

2.2 油動機LVDT反饋裝置故障

油動機LVDT反饋裝置故障出現過兩次：一次是雙抽機組IV2自行從28 mm開至60 mm時，主蒸汽流量由184(206) t/h下降至176(197) t/h(機組有兩根進汽管)，中壓抽汽流量由84 t/h上升至132 t/h，低壓抽汽流量由119 t/h下降至54 t/h；另一次是雙抽機組低壓抽汽流量由90 t/h下降至55 t/h后再上升至145 t/h，LV的反饋顯示開度為124 mm，實際為關閉狀態，即0 mm。經檢查發現，兩次故障分別是由油動機LVDT連桿斷裂及與低壓油動機LVDT連接的油動機活塞桿的抱箍脫落所致。

2.3 調門油動機卡澀故障

在機組開、停車及正常運行時均出現過調門油動機在某一開度位置只能關不能開的現象，即故障發生時，調門閥位跟隨DEH指令開大，但不跟隨指令關小。

2.4 自動主汽門機械過緊、執行機構故障、開啟過程不穩定

自動主汽門均存在操作執行機構時機械過重，手動操作困難，運行中還出現閥位反饋信號不準確、執行機構卡板損壞等執行機構故障。這些故障只能在停機時進行處理，因而主汽門長時間處于現場手動控制狀態，運行中松動試驗只能在現場進行。

自動主汽門還出現開啟過程不穩定和自動關閉等故障。圖2為一次自動主汽門的故障曲線。雙抽機組啟動過程中用主汽門沖轉進行閥切換時，主汽門指令由3.2%變為100%。主汽門開啟過程中，安全油壓降低，3個掛閘信號全部由1變為0，汽機脫扣，主汽門、調門全部關閉，機組停機。

圖2 主汽門故障曲線

2.5 DEH故障在線判斷困難

因各油動機的控制油無壓力監視和記錄，無法在出現故障時跟蹤控制油壓的變化情況，也就無法判斷是電液伺服閥還是油動機存在問題，只能在停機時對部件進行更換或解體，以便逐一排除或確認，因此故障的在線分析、判斷十分困難。

3 故障原因分析及系統優化方案

3.1 調門油動機晃動及系統優化方案

據統計，調門油動機晃動均發生在機組正常運行一段時間以后。對照圖1，比例伺服閥電壓值也在晃動，根據比例調節控制原理，可以認為調門晃動是由油動機錯油門LVDT反饋異常所致[3]。現場檢查發現該LVDT支架有松動，固定支架存在設計缺陷，如LVDT支架垂直段單側支撐且過于單薄、螺栓連接點更多、支架整體結構不牢固。受到機組振動的影響，一段時間后支架螺栓松動，支架剛度下降，造成LVDT零位偏移，關門速度過快，在閥門往下大范圍階躍時過調量過大。另外，在安裝傳感器時，單側支撐的結構又難以確保傳感器的垂直度。

優化方案：重新設計錯油門LVDT支架，改單側支撐為雙側支撐，控制油室上端蓋和錯油門LVTD支架設計成一體，以保證錯油門LVDT的中心和垂直度；按照LVDT的安裝要求，使用專用夾子把LVDT固定在支架上；另配支架引線接頭，以協助固定錯油門LVDT的電纜線，而且在所有油動機上全部進行更換。優化前后錯油門LVDT支架結構對比如圖3所示。

(a)優化前 (b)優化后

3.2 調門油動機卡澀原因分析及系統優化方案

調門油動機在某一開度位置只能關不能開，出現卡澀時DEH系統和控制油系統均未發現異常，因此問題出在油動機內部。考慮到油動機可以關小，根據油動機開啟原理進行分析，控制油壓作用在錯油門控制活塞上部的力不足，無法將錯油門壓下，使得高壓油進入油動機活塞的下部而開啟油動機。

優化方案：重新計算，將錯油門控制活塞的橫截面積增大，加大作用在活塞上部的力，以達到驅動錯油門的壓力要求。模擬現場工況進行測試，DEH輸出指令“4～20 mA”至比例伺服閥，結果控制油動機能正常開啟和關閉，控制油壓為0.4～0.5 MPa，油動機遲緩率試驗效果較好。所有油動機均按此設計更換控制活塞。

3.3 油動機LVDT反饋裝置故障原因分析及系統優化方案

兩次故障原因都比較明顯，是由油動機活塞桿與LVDT之間的連桿斷裂和活塞桿抱箍脫落引起的。優化前的油動機LVDT連接部件見圖4(a)。從圖4(a)中可以看出：連接部件結構過于簡單，連接桿通過螺紋擰在抱箍內，剛度也不夠，無法承受機組帶來的振動，因而容易斷裂或脫落。另外，這個結構也不適合在線更換LVDT。

優化方案見圖4(b)。重新設計、加工油動機LVDT連接組件，以加固和方便在線更換LVDT，具體地說就是將一個整體抱箍連接板固定在油動機活塞桿上以代替原來的單連桿結構，確保LVDT支架的強度。

(a)優化前 (b)優化后

3.4 執行機構故障原因分析及系統優化方案

改造前自動主汽門為手動操作式，頂部采用大小錐形齒輪配合形式來實現直角力矩傳遞。與小錐齒相連的手輪位于操縱座側面，其操作較為方便。改為電動后，電動執行機構位于頂端，在執行結構與主汽門操縱座之間增加了一個龍門架作為過渡部件，提高了電動執行機構位置，再加上執行機構——手輪在其頂部，操作很不方便，同時增大了轉動力矩，導致操作時機械過緊、執行機構電動機過熱。另外，電動執行機構自身故障率偏高，卡板損壞較多。

根據圖2可以判斷：自動主汽門在開啟過程中自動關閉的直接原因系安全油壓降低。自動主汽門改電動后開啟過程過快，使得操縱座內罩蓋脫離活塞，安全油施壓，主汽門關閉。另外，原主汽門操縱座頂部有罩蓋限位突肩，可以保證主汽門開度在95 mm。改為電動后，在主汽門處于全開位置時，如果電動執行機構上限有偏差，會造成罩蓋與活塞脫開，主汽門自動關閉。

優化方案：取消主汽門操縱座與執行結構之間的龍門架，重新加工操縱座頂部端蓋，將電動執行機構直接安放在端蓋上，并加裝機械限位裝置，以確保主汽門的量程為0～95 mm。此外，將電動頭型號由IQM25改為IQM35，以加大主汽門控制力矩，便于主汽門開啟和關閉。

3.5 故障在線判斷困難的解決方案

在比例伺服閥的出口預留有測壓接口，利用該接口對每個油動機加裝一個智能型壓力變送器，監控控制油壓并做好記錄，容易得到控制油壓和油動機活塞桿位移之間的關系，使得油動機在線分析成為可能。

3.6 其他DEH控制系統優化方案

為了確保DEH系統更為穩定地運行，對DEH系統又進行了優化。

(1)在DEH系統中安裝GPS系統

全球衛星定位系統(GPS)是時鐘同步系統，可以實現各系統時間的統一。機組DEH采用GE新華公司的XDPS-400系統，系統的工程師站和GPS裝置均集中安置于工程師室內。GPS系統與DEH系統之間的通訊采用串口RS485方式，即從每臺機組的DEH工程師站的串口連接至GPS裝置的端口。在DEH的工程師站上采用專用軟件Xgpstimer實現系統時鐘的統一。在DEH中，所有的人機接口(HMI)都是由工程師站來進行校時的，故把GPS時間信號傳輸至工程師站即可。

(2)優化重要信號(三取二)卡件

為了避免由于某路信號或者某塊卡件異常引起機組停運，對一些重要信號進行了優化，分別輸入3塊輸入卡件后進行三選二處理。原設計中掛閘信號、發電機油開關信號和跳機信號均已實現分別進入3塊輸入卡件后進行三選二處理，因此本次優化對220 kV開關信號與35 kV開關信號作相同處理。

對于220 kV開關信號與35 kV開關信號，原本系統只配置了2塊數字量輸入卡(DI卡)，故會有2路開關信號進入一塊DI卡，另一路進入另一塊DI卡，在邏輯里做了邏輯或的判斷。另增一塊DI卡后，實現了3路信號分別進入3塊卡件作三選二處理。

(3)安裝走線槽及端子箱

汽輪機油動機現場周圍信號線較凌亂，油動機LVDT信號線排列不規范。為此安裝走線槽及端子箱，以規范信號線排列，同時調整走線槽及端子箱的安裝位置，以免在機組大修時影響其他設備的拆卸。

4 結語

油動機LVDT支架不穩定、錯油門控制活塞偏小、主汽門電動執行機構設計不合理等是機組出現故障的根本原因，特別是LVDT，作為系統的反饋裝置，其工作是否正常對調節系統平穩工作影響較大。在機組檢修期間落實了各項優化措施，3臺50 MW機組DEH的穩定性得到很大提高，近兩年DEH故障發生率為零，優化效果十分明顯。

[1] 趙運宏.汽輪機運行中調節系統常見故障分析[J].機電信息，2011(36)：105-106.

[2] 葉明.汽輪機DEH改造后的問題分析及措施[J].設備管理與維修，2011(2)：31-33.

[3] 張研.汽輪機DEH控制系統常見故障分析[J].科學之友，2011(11)：21-23.