天鐵動力6#TRT靜葉伺服控制系統改造

呂晶

（天津天鐵冶金集團動力廠，河北涉縣056404）

天鐵動力6#TRT靜葉伺服控制系統改造

呂晶

（天津天鐵冶金集團動力廠，河北涉縣056404）

針對天鐵動力6#高爐煤氣余壓發電機組（6#TRT）靜葉伺服控制系統靜葉不同步，造成機組連接板斷裂事故，分析了其發生原因，通過改造液壓系統和自控伺服系統，設定相關參數，消除了由于靜葉不同步而引起的設備故障現象，提高了機組運行周期，提升了發電效率，取得了較好的經濟效益。

余壓發電；靜葉；伺服控制；同步；改造

1 引言

天鐵集團2 800 m3高爐配備了一臺額定功率為15 600 kW的TRT發電機組（下稱6#TRT）。TRT高爐煤氣余壓發電機組，利用高爐煤氣爐頂煤氣壓力和溫度，推動透平機旋轉，進而帶動發電機發電。在運行過程中出現了靜葉不同步現象，造成機組連接板斷裂等項設備故障，嚴重影響設備安全運行。針對以上現象，對靜葉不同步的原因進行分析，提出了改造靜葉伺服控制系統方案，由此解決了靜葉不同步問題，提高了機組的運行周期，降低了機組故障率，增加了發電量，取得了較高的經濟效益。

2 工作原理

2.1 靜葉機械系統結構原理

靜葉調節是TRT透平機重要的執行機構，靜葉的開度大小和精度是保證TRT發電機組發電量和高爐爐頂壓力穩定的關鍵，靜葉調節系統是由伺服電動機、調節缸、連接板、導向桿等部件組成。調節缸由上下兩個部分組成，通過導向桿、導向滑座、支撐底座與透平機相連。導向桿是正常落于導向滑座內孔上。調節缸驅動由液壓油缸驅動，驅動介質為12 MPa的液壓油，靜葉伺服缸結構原理見圖1。

2.2 靜葉伺服控制系統原理

6#TRT控制系統是根據高爐頂壓壓力的給定值和反饋值計算出靜葉開度的目標值，然后作為本系統定值送入伺服放大器，伺服放大器將給定值與位移傳感器檢測到的靜葉實際開度進行比較，求出偏差，在對偏差值進行PID運算，然后輸送到電液比例閥。

圖1 靜葉伺服缸結構圖

改造前靜葉伺服控制系統是利用一套電液比例閥控制兩個油缸，通過兩個油缸的伸縮來調節靜葉開度，從而達到自動控制高爐頂壓的目的。另外還設置了2個電磁閥，通過電液換向器對靜葉開關控制。當伺服系統出現故障時，可利用電磁閥對靜葉進行控制。該系統在一側伺服油缸上裝有一組閥位傳感器，輸出4～20 mA模擬量信號，用于檢測和控制靜葉開度，該控制系統流程見圖2。

圖2 6#TRT原有靜葉控制系統

3 故障現象及原因分析

3.1 故障現象

該設備在運行過程中出現透平機兩側伺服缸動作不同步，最大動作幅度誤差可達20 mm左右，靜葉調節缸兩側的滑道也隨之變形，靜葉曲柄滑塊與滑道的內摩擦力增大，曲柄滑塊有不同程度的磨損，靜葉關閉后間隙增大而且不均勻，設備運行一段時間后，調節缸變形、連接板斷裂、固定連接板和調節缸之間的螺栓或定位銷斷裂，調整高爐頂壓的精度下降，開機過程中轉速難以控制，嚴重影響了6#TRT和高爐正常運行。由于機組故障率高，TRT機組運行周期很短，影響了發電量的同時也增加了人力物力的消耗。

3.2 原因分析

針對出現的設備故障現象，結合原有設備結構特點，分析原因如下：

（1）控制系統只有一個閉環控制，2個并聯的伺服缸，只由一套比例閥控制，設計不合理。

（2）兩個伺服缸負荷不會絕對平衡。在TRT運行過程中，由于煤氣中含有的水分和各種雜質，靜葉活動部位容易結垢、積灰，使伺服缸驅動力矩增大，力矩的不平衡也隨之增大。

（3）兩個伺服缸的供油和回油管路沿程阻力不可能完全一致，動力油的流速會有偏差。

（4）兩個伺服缸的容積、截面積存在制造誤差，運行期間，由于受力不均，還有可能造成滑竿變形。

（5）兩個伺服缸活塞與缸壁之間的間隙不會完全一樣，泄漏率不會相同。

（6）在后期的摸索改造過程中，將調節缸導向桿一側設計為圓形閉口，而另一側為扁形開口，雖然能克服一些不平衡的外應力，但兩側的摩擦阻力會不等，也會造成靜葉不同步。

4 改造內容

4.1 提出改造方案

（1）將原有的閥臺更換成精度更高的比例閥，將5#TRT的液壓伺服系統更換至6#TRT使用，比例閥的調節精度有所提高。但運行不到3個月，還是出現了同樣的故障，該方案不可行。

（2）利用TRT機械部分改造的機會，將靜葉伺服控制系統徹底改造，將原來靜葉伺服控制系統改為兩套控制系統，系統分為主系統和副系統，每個系統各帶有2個比例閥，分別對靜葉伺服缸進行同步控制。通過控制系統的PID運算和起跳點等參數的設置，使靜葉伺服缸達到同步控制。

4.2 液壓系統改造措施

將油缸的油路系統改為閉環控制，使靜葉動作幅度較大時，液壓油壓力不損失，節能降耗，消除液壓脈動，使壓力穩定；在普通移傳感器的基礎上增加一路位移傳感器、雙路反饋系統，監測油缸同步真實趨勢，提高伺服器的同步的一致性；增加手動液壓系統，便于PV值調節；增加伺服機構前端的截止閥，便于檢修。

增加兩套比例閥后，可以解決一套比例閥控制室的一些缺陷，但也存在一些新的問題，由于現在的設計是分別控制兩邊的伺服油缸，而油缸間由剛性接部件連接，所以如果兩邊的油缸有一些不同步，即出現油缸液壓湍流和頻振，斜拉力增大引起高頻剪切。尤其出現比例閥卡住，或者人為的操作失誤，可能會出現不同步，甚至產生較大故障。為此對液壓系統進行如下改造：

（1）當一套系統出現故障后，靜葉無法控制，所以增設另外一套系統，和第一條系統冗余配置。

（2）將液壓油路進行一些調整，在原有系統中增加2個比例閥，在兩側的伺服油缸上各加2個傳感器，分別檢測兩套系統的同步性。

（3）2個比例閥后面再加4個截止閥，遠程操作時，第二套冗余系統處備用狀態，所有控制閥都處于打開的狀態。

（4）當主控制系統鎖位時，不必解鎖，這是為了防止冗余系統的比例閥泄露導致的油缸跑位。冗余系統比例閥下面的這4個截止閥必須全部關上。4.3 自控伺服系統改造措施

當一組伺服控制系統出現故障時，靜葉需要關閉，才能滿足高爐和TRT生產工藝要求，由此增加了一套伺服控制系統，和原有系統冗余配置，通過西門子S7-200PLC及相關的連鎖保護來實現兩個系統的切換。當靜葉出現鎖位的情況時，要先使主控制系統打到現場狀態，再給冗余系統一個DI信號后，通過控制信號SP和冗余系統的反饋信號PV3、PV4調整操作伺服油缸A、伺服油缸B。改造后的靜葉伺服控制系統見圖3。

圖3 改造后的液壓伺服控制系統

由于冗余系統在故障條件下使用，超差鎖定將取消，報警的顯示也會取消（基本的報警設備電控箱面板有顯示）。但出現SP、PV丟失的故障，此時必須要鎖位，否則油缸伺服器會向反方向出現偏差。PV3、PV4兩個閥位反饋值通過一進兩出隔離器分別在微機和數顯表顯示。

主控制系統和冗余控制系統操作不能同時在自動狀態操作。如果處于自動狀態，主系統中SP跟PV1、PV2比較，冗余系統中SP跟PV3、PV4比較，SP可以是相同的，PV1、PV2與PV3、PV4不可能設置的完全相同，這就可能發生震蕩的現象。主系統和輔助系統通過轉換開關來實現切換，保證主系統和副系統不能同時在自動狀態下運行。副系統增設2個按鈕，用于在自控系統出現故障時手動將靜葉關閉。主系統還將保留手操閥控制，便于檢修調試使用。

4.4 相關參數的設定

由于現在的設計是分別控制兩邊的伺服油缸，而油缸間由剛性部件連接，所以如果兩邊的油缸有一些不同步，即出現油缸液壓湍流和頻振產生，斜拉力增大引起高頻剪切。尤其出現比例閥卡住，或者人為的操作失誤，可能會使兩側靜葉出現不同步，甚至產生較大故障。

目前的控制邏輯中有SP（設定值）、PV（反饋值）超差鎖定設為15%，0.5 s延遲；PV1和PV2超差鎖定設定為3%，0.5 s延遲；SP、PV1、PV2有一組數據丟失則靜葉鎖定。這些鎖位條件在滿足故障解決的情況下可以自動解鎖。在控制信號為0%時，無超差鎖定。

在生產過程中，透平機靜葉鎖位后，需要把靜葉調至全關的位置才能滿足工藝要求，如果比例閥出現問題或者SP、PV1、PV2丟失，可以啟動第二套控制器來實現全關和控制，由此解決了用兩個手操閥控制兩個油缸不同步，而損壞連接板的風險性。

5 結論

通過對6#TRT靜葉伺服系統改造，透平機兩側靜葉角度偏差可控制在±1.0%以內，設備運行半年來，沒有出現過連接板斷裂、緊固螺絲或定位裂松動等故障，故障率降低，發電效率得到提升，提高了經濟效益。另一方面，增加了一套冗余的靜葉控制系統，提高了設備運行的安全性。調整高爐頂壓的精度也有所提高，基本控制在±2 kPa以內，保證了高爐穩定生產。

Revamp on Stator Blade Servo Control System of Tiantie Power Plant TRT 6

LV Jing
(Power Plant,Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She County,Hebei Province 056404,China)

The paper analyzes the cause of the incident of connection plate breakage due to the asynchrony of stator blade at the servo control system of TRT 6 unit set of Tiantie Power Plant.The hydraulic system and automatic servo system are modified and relevant parameters set.The equipment failure caused by stator blade asynchrony is eliminated.The running cycle of unit set is increased and power generation efficiency improved.Good economic benefit has been gained.

TRT;stator blade;servo control;synchrony;revamp

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.06.011

2014-06-15

2014-07-05

呂晶（1981—），男，工程師，主要從事電氣自動化技術管理工作。