蝶閥控制系統開發及參數優化

武德坤，杭晶烽，劉學勇

（華能太倉電廠，江蘇 太倉 215424）

0 引言

國家的經濟快速穩定發展離不開工業生產能力的強力支撐，而進行工業生產需要穩定的電力保障，為工業生產提供安全穩定的電力供應是電力生產的主要目標。循環水泵是電廠的重要輔機設備，對于安全、經濟發電，起著極為重要的作用。

華能太倉電廠一期工程2×320MW 機組共安裝4 臺循環水泵，每臺循環水泵對應1 臺蝶閥設備，循泵蝶閥及其相關設備由湖北洪城通用機械有限公司生產。蝶閥安裝于循泵出口處，該蝶閥設備為純液壓式，全稱為蓄能罐式液控緩閉止回蝶閥。

1 設備動作原理

蝶閥采用純液壓式控制，蝶閥的開啟和關閉均為液壓驅動，油壓高達16.5Mpa，動作原理如圖1 所示。蝶閥開啟時，液壓油進入液壓缸的無桿腔，實現蝶閥的開啟動作；蝶閥關閉時，液壓油進入液壓缸的有桿腔，同時無桿腔泄油，實現蝶閥的關閉動作。

圖1 液壓系統原理Fig.1 Principle of hydraulic system

1.1 蝶閥的開啟過程

當泵閥聯啟時，電磁閥14、17 上的電磁鐵YV1、YV2 同時得電，壓力油使插裝閥12、15 關閉，使液控單向閥13 打開。油液經液控單向閥13 和油缸尾部的單向閥進入油缸的無桿腔，推動活塞桿伸出并帶動閥門蝶板開啟，有桿腔回油經節流閥16 和電磁球閥17 流回油箱，調節節流閥16 可以實現對開閥時間的控制。在閥門開啟或關閉的過程中，使電磁閥YV1 得電，YV2 失電，閥門的蝶板即停在任意位置。

當蝶閥開啟至15°時，聯鎖啟動循泵，同時蝶閥中停3s。在中停時間內，若循泵未成功運行，則觸發DCS 保護跳泵條件，同時蝶閥關閉，防止循環水母管壓力降低，影響凝汽器真空。蝶閥開啟后，油壓力低至14.5Mpa 以下，此時聯鎖啟動油泵[1]，將油壓增壓至16.5Mpa 時，停止油泵運行。

1.2 蝶閥的關閉過程

當蝶閥關閉時，YV1、YV2 失電，壓力油經插裝閥15、單向閥6-3 到油缸有桿腔，無桿腔回油經尾部快關調速閥、插裝閥12 流回油箱并實現快關，調節快關調速閥，可以實現對關閥時間的控制。

當蝶閥關至30°時觸發行程開關信號，該信號直接送DCS，DCS 接收后發停循泵6KV 指令，停止循泵運行。關至30°停止循泵運行，一方面可以防止打悶泵從而起到保護循泵的作用，另一方面可以防止循環水倒流，導致循環水壓力降低，影響機組安全。

2 設備現狀

本廠一期工程4 臺循泵蝶閥液壓系統位于循泵坑內，由兩臺PLC 控制柜實現就地設備的控制。就地PLC 控制柜位于循泵坑上方，液壓系統電磁閥、壓力開關、限位開關、油壓變送器，經蝶閥坑內接線盒將信號送至就地PLC 控制柜，PLC 控制柜內信號送至DCS 并接收DCS 的相關指令。

2.1 PLC控制柜現狀

由于設備的長期連續運行，該PLC 控制柜內的控制線路老化嚴重，且安裝之初的線路標簽已模糊不清，對于故障排查增加了很大難度，且曾經因循泵房屋頂漏水導致2號PLC 控制柜進水，內部線路絕緣性差，缺陷故障率高，影響了設備的安全穩定運行。

2.2 壓力開關及電磁閥現狀

壓力開關控制油泵的啟停動作：當油壓降至14.5Mpa以下時，壓力開關動作啟動油泵，油壓升至16.5Mpa 時開關動作停止油泵。油泵啟動的瞬間，由于沖擊作用會使油壓瞬時升高，壓力開關精度若變得靈敏時，會導致壓力開關油壓高信號動作。但實際油壓并未升高很多，沖擊壓力消散后，又使壓力低信號動作，會導致油泵頻繁啟停，致使燒壞油泵。

電磁閥為普通國產電磁閥，動作電壓為24V，電磁閥得失電切換油路實現蝶閥的啟閉動作。電磁閥切換不到位，關閉不嚴，或者油品質下降，臟污堵塞油孔，均會導致蝶閥動作不正常，影響機組運行。

2.3 PLC控制邏輯現狀

PLC 控制系統[2]采用三菱PLC，其邏輯設計可實現正常運行的控制功能。但對于可能發生的較低概率事件邏輯設計中不夠完善，例如對于蝶閥油泵頻繁啟停現象的監視，由于蝶閥油系統在正常情況下壓力保持很穩定，正常運行中油泵的啟停次數很少，因而油泵若頻繁啟停，說明系統保壓情況不良。原PLC 邏輯中無應對此現象的功能設計，出現保壓情況差時無法及時反饋，邏輯設計有待完善。

2.4 控制電源現狀

PLC 控制柜由雙路電源實現冗余供電，一路為110V電源經變壓器轉為24V 至就地控制柜，一路為220V 電源經UPS 送至就地控制柜變壓器轉為24V 供電。在長期運行中，由于線路老化絕緣性變差，上級UPS 電源經常過載，導致UPS 電源斷電，控制柜變為單路供電的方式，存在安全隱患。

3 對現狀做出的優化措施

3.1 控制柜的優化設計

利用機組檢修機會，拆除老舊控制柜，并對控制柜進行了重新優化設計，定制蝶閥控制系統外形尺寸：590mm×360mm×1500mm（長×寬×高），采用不銹鋼321 材料，防腐防銹，厚度2.5mm。

新就地控制柜主要由可編程序控制器、數字量輸入輸出模塊、觸摸屏、斷路器、中間繼電器、交流接觸器、熱繼電器、指示燈，及各類按鈕等電器元器件組成。重新設計后觸摸屏畫面如圖2 所示。

圖2 蝶閥控制系統畫面顯示Fig.2 Butterfly valve control system screen display

新控制柜以及至就地控制線路全部換新，并在線路接頭加裝標簽，徹底解決了電纜絕緣性差以及線路模糊不清問題，有利于后期的設備維護以及故障排查。

3.2 PLC邏輯及參數的優化

PLC 更改為西門子S7-200，穩定性更高，可用網線直連電腦進行邏輯修改，將運行中常見的故障現象通過控制邏輯進行優化，具體邏輯優化如下：

1）蝶閥油泵壓力開關觸點斷開后，即油壓達到定值16.5Mpa 之上，需要3s 延時才發出停泵信號，防止脈沖壓力造成假信號導致油泵的頻繁啟停故障。

2）開閥至15°信號來時停閥3s，3s 過后繼續開閥，此處延時時間等待循泵電機啟動。

3）油泵故障延時時間設置為30min，油泵連續運行30min 而油箱壓力無法達到定值，則發出報警。

4）液控閥開超時延時時間設置為2min，在開閥指令發出后2min 若開反饋未到位，則發液控閥故障聯鎖停泵信號，觸發保護邏輯，停泵并關蝶閥。

5）壓力持續低延時時間設置為5min，油泵運行5min 無法建立油壓則進行報警。

6）泵啟停過于頻繁報警。根據經驗總結，正常運行中液控系統保壓時間較長，4h 內啟停超過兩次即報警，提醒運行人員液控系統可能存在漏油。

7）蝶閥失電報警信號，任一路24V 供電失去即發出報警，提醒運行人員進行檢查。

8）油泵故障報警，除了油泵連續運行及壓力持續低外，增加油泵故障停運信號作為油泵故障報警點。

9）未接收到關指令，但蝶閥開反饋失去且15°行程開關信號來，則發液控閥故障聯鎖停泵信號，觸發保護邏輯，停泵并關蝶閥。

通過設計蝶閥控制系統，優化各種報警和跳閘信號，解決了蝶閥控制系統控制邏輯設計不合理，跳閘后故障排查困難，運行不可靠等諸多難題。

3.3 控制柜電源優化

由于為蝶閥電源柜供給的110V 及220V 電源均自帶UPS 供電，可以保障不間斷供電，因而對控制柜的電源進行了重新設計，取消了UPS 電源在電源柜內將110V 電源及220V 電源經由變壓器轉為24V 送至就地PLC 控制柜實現冗余供電[3]，就地PLC 柜內均為24V 低壓電路。取消UPS 可以減少整個供電回路中的故障點，降低缺陷率。

4 新控制系統優勢

1）人機交互界面友好：對于蝶閥油泵狀態指示、管路液壓油流向均有詳細展示。如對于蝶閥的狀態顯示，紅閃：正在開；紅平光：開到位；15：位于15°的位置；綠閃：正在關；綠平光：關到位。顯示屏為觸屏式設計，且加裝了塑料蓋板，不僅操作方便而且可以防止非專業人員誤觸。

2）參數調試便捷：蝶閥控制模式分正常模式、調試模式，具體調試畫面如圖3 所示。調試模式時，單獨手動操作電磁閥、油泵，檢測電磁閥、油泵是否能正常動作。還可以進入參數設置畫面，對壓力開關延時時間、液控閥開15°延時時間、油泵故障延時時間和油泵頻繁啟停故障次數等參數進行設置，通過這些設計可以配合機務專業對蝶閥進行單操，滿足了現場不同工況調試的需要。

圖3 調試畫面Fig.3 Debug screen

3）故障定位迅速：裝置運行中對電源故障、液控蝶閥故障、油泵故障等故障信息進行實時監測，在報警記錄畫面中進行詳細記錄，具體故障示例如圖4 所示；在事件記錄畫面對蝶閥設備的具體動作事件進行了詳細記錄，有利于對故障進行快速定位，具體事件記錄示例如圖5 所示，成果展示如圖6 所示。

圖4 故障記錄畫面Fig.4 Fault record screen

圖5 事件記錄畫面Fig.5 Event record screen

圖6 控制柜成果圖Fig.6 Control cabinet results

5 常見故障處理

1）控制柜失電故障：在設備運行中可能會出現某一路電源失去的故障，這時控制柜故障指示燈會亮起，同時顯示屏的報警記錄會詳細顯示主備用電源的故障信息和故障的具體時間，設備維護人員可快速由此信息進行線路排查工作。在最初控制柜送電時，雙路電源開關送電有先后，因此也會出現控制柜電源失電報警，屬于正常在報警記錄中復位即可。

2）油泵跳閘故障：該故障信號由油泵熱繼電器析出至PLC，此時故障燈會亮起，顯示屏報警記錄中顯示油泵跳閘故障信息，電氣維護人員可據此進行油泵及熱繼電器狀態檢查，快速定位故障。

3）蝶閥溜閥故障：該故障的具體判定條件為蝶閥在開啟狀態時未收到關指令，開反饋信號丟失且15°信號來，表示在蝶閥正常開啟狀態下蝶閥自行關閉，同時會觸發保護跳泵條件。此時控制柜故障燈會亮起，顯示屏報警記錄中會顯示蝶閥溜閥故障，設備維護人員可據此對液壓系統進行檢查，排查故障。

4）蝶閥開超時故障：該故障信號的判定為自蝶閥開啟指令發出起計時2 min 開到位信號不到，觸發保護跳泵條件，此時控制柜故障燈亮起，顯示屏報警記錄中會顯示蝶閥開超時故障信息。設備維護人員可據此對液壓系統進行檢查，排查故障。

5）油泵長時間運行故障：該故障判定為自油泵啟動開始計時30 min 油泵未停止，此時控制柜故障燈亮起，顯示屏報警記錄中會顯示油泵長時間持續運行故障信息，設備維護人員可據此對液壓系統和油泵進行檢查，排查故障。

6）油泵頻繁啟停故障：該故障信號判定為4 h 之內油泵啟停次數超過2 次，此時控制柜故障燈亮起，顯示屏報警記錄中會顯示油泵頻繁啟停故障信息，設備維護人員可據此判定液壓系統可能保壓情況不良，或者有泄漏情況，進而對液壓系統進行檢查。在實際運行當中，運行人員會定期對循泵進行切換，或者調試過程中也會出現此故障報警屬于正常，在報警記錄中復位即可。

6 結束語

對于本廠一期循泵蝶閥控制系統存在的問題，專業部門根據現場設備以及設備長期運行的經驗有針對性地進行了蝶閥控制系統的開發與參數優化工作。新設計蝶閥控制系統人機界面友好，調試方便，故障判斷快速，報警信號和保護信號設置合理，各項參數設計符合實際設備運行情況，有效保障了蝶閥系統長周期安全穩定運行。通過優化設計工作，不僅提高了專業班組人員對于蝶閥設備的熟悉程度，而且提高了班組成員的技能水平。新設計的蝶閥控制系統整體效果良好，自投運以來一直安全平穩運行，整套系統可復制性強，可以為同行們提供參考。