核電廠柴油機調速系統油門開度反饋裝置研制創新

滕曉雷,徐瑞陽

(1.江蘇核電有限公司,江蘇 連云港 222042;2.成都理工大學工程技術學院,四川 樂山 614000)

1 系統概述

田灣核電站機組柴油機由法國MAN公司設計供貨,其主要作用是為安全相關母線BDA/BDC提供應急后備電源,當母線故障失電時,柴油機能在15 s內啟動完畢并順序帶載,保證安全相關工藝系統的可靠運行。

機組柴油機配套使用MAN公司生產的調速系統,主要包括E19600電子調速器、19127轉速探頭、19380前置放大器以及專用信號傳輸電纜組,其核心部件為E19600電子調速器,如圖1所示。該型號調速器采用集成電路技術,微電腦控制,預置控制參數,可與后臺計算機進行通訊,具有組態和維護功能。其主要功能包括:

1)柴油機啟動順序控制;

2)額定轉速控制;

3)轉速調節;

4)故障報警

5)提供后臺維護接口;

6)數據采集及控制命令輸出。

如圖2所示,柴油機接到啟機命令后啟動,調速器按照轉速預設特性曲線定值控制轉速上升,同時采集兩個19127測速探頭的輸出作為當前轉速,當調速器檢測到當前轉速達到定值ST1(20 r/min)時,調速器控制油門打開,開度為定值FRT1(68.58%),轉速繼續上升,當轉速達到定值ST2(230 r/min)時,調速器控制油門關小,開度為定值FRT2(48.8%),當轉速達到定值ST3(500 r/min)時,油門開度開始不斷調節,控制柴油機達到空載轉速1000 r/min后,油門開度保持不變。隨后柴油機并網,操作員手動升功率,柴油機試驗期間需維持25%、50%、75%三個功率平臺,每個平臺維持半個小時,油門開度隨著功率的提升而增大,調速系統拓撲圖如圖3所示。

圖2 調速器輸出原理圖Fig.2 Schematic of speed gover nor output

圖3 調速系統拓撲圖Fig.3 The topology diagra m of speed contr ol syste m

2 現狀分析

2015年2月18日,進行1XKA50柴油機帶載至75%定期試驗時,按下啟動按鈕約5 s后氣動馬達才有響聲,柴油機轉速最高升至約80 r/min,未達到100 r/min的點火轉速,故啟動不成功,根據現場檢查情況再次啟動以觀察故障現象時,柴油機啟動成功。

根據故障現象分析,可能的故障原因包括:調速器控制命令輸出存在延遲、油門驅動機構接到打開油門命令后未及時動作、氣動馬達動作不及時。

由于機組柴油機調速系統原設計無有效狀態監測反饋裝置,無法實時監測調速器輸出命令及對應油門開度,故障原因無法確定。第二次啟動柴油機成功,確定故障現象偶發,無法確認偶發故障原因,柴油機仍存在安全隱患。

機組柴油機調速系統投運已逾10年,定期試驗期間經常出現調速器故障、油門驅動機構拒動等問題導致柴油機無法正常啟動,詳細缺陷分類及故障現象如表1所示。

表1 調速系統缺陷分類表Table 1 Classification of speed control system defects

續表

從表1可以看出,截至目前出現的調速系統缺陷分為3類,共計6種故障原因,但僅包含2種故障現象,所以一旦出現缺陷,單從故障現象很難判斷故障原因。

3 油門開度反饋裝置的研制

3.1 調速器電流輸出監視裝置的研制

機組柴油機啟動階段,調速器收到柴油機啟動命令后,根據圖2的特性曲線向油門驅動機構發出直流電流驅動信號,調速器通過改變輸出直流電流的大小控制油門驅動機構增大或減小油門。該直流電流驅動信號量程為0～1 ADC,因此,通過監測調速器輸出電流的變化情況即可確認調速器輸出回路工作狀態。

確定不影響調速器輸出功能的前提下,在調速器出口安裝專用分流器。該分流器原理上是一根穩定阻值為0.1Ω的金屬絲,與回路可靠連接,該分流器作用是將0～1 ADC電流信號轉換成0～100 mV電壓信號并引入變送器,變送器輸出標準4～20 mADC電流信號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,實現調速器工作狀態的監視,拓撲圖如圖4所示。

圖4 調速器電流輸出監視拓撲圖Fig.4 The topology diagra m for monitoring of gover nor current output

3.2 油門開度傳感器的研制

3.2.1 油門開度傳感器功能概述

機組柴油機啟動階段,油門驅動機構接收來自調速器的電流信號后打開油門,可通過就地油門位置指示器觀察油門打開的角度,但卻無法確認油門打開的角度是否與調速器輸出命令線性正比,無法確認油門是否動作及時,為了監視油門驅動機構工作狀態,考慮增加反饋裝置,監測油門執行機構收到調速器命令后動作的準確性和及時性。

油門打開時,就地油門位置指示器逆時針旋轉,指示目前油門開度,其旋轉的角度與油門開度成正比,且指示器與油門同時動作,因此,通過監測油門位置指示器的動作情況即可直觀確認油門驅動機構工作狀態。

確定不影響油門驅動機構動作的前提下,在機組柴油機油門位置指示器處安裝一種定制的油門開度傳感器,該裝置可將油門實際動作角度值轉換成標準4～20 mADC電流信號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,實現油門驅動機構工作狀態的監視,拓撲圖如圖5所示。

圖5 油門開度反饋裝置安裝回路拓撲圖Fig.5 The topology diagram of the throttle opening feedback device installation circuit

3.2.2 油門開度傳感器詳細設計

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

旋轉增量編碼器在轉動時輸出脈沖,通過內置的計數設備來計算其位置,該編碼器的優缺點如下:

1)安全、使用壽命長;

2)電源切斷后容易出現零點漂移;

3)抗干擾能力差,容易受電磁干擾影響;

4)編碼時傳輸速率必須足夠高,否則會失真。

絕對值編碼器是直接輸出數字量的傳感器,在它的圓形碼盤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相間組成,碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數,在碼盤的一側是光源,另一側對應每一碼道有一光敏元件;當碼盤處于不同位置時,各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號,形成二進制數,該編碼器的優缺點如下:

1)不要計數器,在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼,數字碼在裝置內部轉換成標準4～20 mADC信號輸出;

2)沒有累積誤差;

3)電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數來決定的,也就是說精度取決于位數;

4)抗干擾能力強;

5)造價高于旋轉增量編碼器。

通過比較兩種編碼器的特點及現場使用要求,我們選擇了抗干擾能力更強的絕對值編碼器,并利用絕對值編碼器原理,結合現場油門開度指示器尺寸,設計了油門開度傳感器,詳細設計圖紙如圖6～圖9所示。

圖6 油門開度傳感器底座Fig.6 The throttle opening feedback sensor base

圖7 油門開度傳感器尺寸Fig.7 The size of throttle opening feedback sensor

圖8 油門開度傳感器正面3D圖Fig.8 The front 3D diagra m of throttle opening feedback sensor

圖9 油門開度傳感器側面3D圖Fig.9 The side 3D diagra m of throttle opening feedback sensor

裝置輸出標準儀控八芯線,供電為24 VDC,輸出標準4～20 mA電流信號,裝置輸出接線圖如圖10所示。

圖10 油門開度傳感器裝置輸出接線圖Fig.10 The wiring of the throttle feedback sensor output

4 實施過程及效果檢查

2016年1月15日,完成了第一臺機組柴油機1XKA50的改造工作,增加了油門開度反饋裝置,成功實現了調速器油門開度調節命令和油門動作狀態的監視。

截至2016年5月設備運行穩定,其中2月～5月每月進行了一次1XKA50柴油機試驗,試驗期間調取了調速器油門開度調節命令及油門動作狀態的實時曲線,設備運行狀態良好,滿足設計功能及精度要求。

5 結束語

機組柴油機油門開度反饋裝置的研制與實施,使用低成本方案解決了困擾數年的技術問題,無需對柴油機本地進行任何改動,實現了機組柴油機調速系統的實時監視,增加了有效地故障分析手段,降低了柴油機的不可用時間,提高了柴油機運行穩定性,為機組的安全穩定運行奠定基礎,該成果已申報發明專利,并獲得國家知識產權局受理,具有獨立的自主知識產權,經中國核工業集團公司成果鑒定 (鑒定證書編號:中核科鑒字 〔2016〕第119號),該成果填補了國內空白,達到了國際先進水平,具有良好的推廣應用價值。