給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽調(diào)閥冗余控制優(yōu)化

江西江投能源技術(shù)研究有限公司 付樂(lè)東

給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥的作用是按照給水泵汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)（Micro Electro-Hydraulic Control System，MEH） 的指令改變進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量，以調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速，使鍋爐的給水流量符合機(jī)組運(yùn)行要求。MEH系統(tǒng)控制給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽調(diào)閥閥位，以便為給水泵汽機(jī)速度控制調(diào)整汽流。低壓進(jìn)汽調(diào)閥的閥位控制通過(guò)安裝在MEH 機(jī)柜中的閥門(mén)定位（VP）控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，閥門(mén)定位VP 模塊在MEH 控制器和電動(dòng)液壓伺服閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間提供了一個(gè)接口，通過(guò)此模塊維護(hù)閥位設(shè)置點(diǎn)。閥門(mén)定位VP 模塊發(fā)出輸出控制信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)液壓伺服閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)線圈，使用從安裝在閥桿上的線性可變差分變壓器（LVDT）獲取的閥位測(cè)量結(jié)果形成閉合反饋回路[1]。

給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥工作時(shí)閥門(mén)定位（VP）控制系統(tǒng)通過(guò)閥門(mén)定位VP 模塊將閥位控制指令信號(hào)送至電動(dòng)液壓伺服閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)線圈，電動(dòng)液壓伺服閥將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成使伺服閥閥芯動(dòng)作的液壓信號(hào)，進(jìn)而改變油缸動(dòng)力油的通路，使油缸活塞產(chǎn)生位移輸出，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使調(diào)節(jié)閥開(kāi)度改變。與此同時(shí)，LVDT 的芯桿與活塞同步動(dòng)作，將活塞位移轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)反饋到閥門(mén)定位VP 模塊，當(dāng)閥位控制指令與閥位反饋一致時(shí)，電動(dòng)液壓伺服閥閥芯回到零位，油缸活塞處于壓力平衡，活塞停止移動(dòng)，調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度保持在要求的閥位。

給水泵汽輪機(jī)是火電廠熱力循環(huán)系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其能否安全可靠地運(yùn)行，直接影響著整個(gè)機(jī)組的安全及穩(wěn)定。隨著火電機(jī)組容量增大以及自動(dòng)化水平的提高，提高給水穩(wěn)定性、確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。單臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)由兩臺(tái)給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行向鍋爐給水，給水泵汽輪機(jī)組主要由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的前置泵與小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的給水泵組成，給水泵汽輪機(jī)能否可靠地向鍋爐連續(xù)供給具有足夠壓力、流量和相當(dāng)溫度的給水直接關(guān)系到鍋爐設(shè)備的安全。如果任何一臺(tái)給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽閥故障或進(jìn)汽調(diào)節(jié)不佳，將會(huì)直接影響鍋爐設(shè)備及機(jī)組運(yùn)行安全。

1 控制優(yōu)化的必要性

某電廠2×700MW 機(jī)組MEH 控制系統(tǒng)為OVATION 控制系統(tǒng)，每臺(tái)給水泵低壓進(jìn)汽閥控制系統(tǒng)包含1塊閥門(mén)定位VP 卡和1支LVDT 反饋裝置，當(dāng)VP 卡、線圈驅(qū)動(dòng)、LVDT 反饋故障時(shí)將導(dǎo)致低壓進(jìn)汽閥故障關(guān)閉或不再跟蹤小機(jī)閥位指令，低壓進(jìn)汽閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)在LVDT 斷線情況下會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)關(guān)閉，控制系統(tǒng)無(wú)冗余設(shè)計(jì)。給水泵低壓進(jìn)汽閥故障或調(diào)節(jié)性能不佳，容易導(dǎo)致小汽輪機(jī)進(jìn)汽控制不良，影響機(jī)組穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，嚴(yán)重時(shí)引起小汽輪機(jī)跳閘，機(jī)組RB 甚至MFT 停機(jī)。

圖1 優(yōu)化改造前單VP 卡控制原理圖

原MEH 系統(tǒng)基建配置的閥門(mén)定位VP 卡是Ovation 上一代卡件版本，目前已停產(chǎn)，且給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽調(diào)閥控制系統(tǒng)內(nèi)VP 卡、伺服閥、LVDT 反饋裝置及其線路均已使用超過(guò)10年，電子設(shè)備及其線路性能劣化，閥門(mén)定位VP 卡發(fā)生外部或內(nèi)部故障時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致低壓進(jìn)汽調(diào)閥全關(guān)，影響機(jī)組可靠運(yùn)行。

給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)工況不穩(wěn)定，LVDT 反饋裝置安裝處環(huán)境溫度高，振動(dòng)大，VP 卡所在的電子間VP 卡灰塵大，VP 卡和LVDT 反饋裝置及其線路老化，發(fā)生過(guò)給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽閥VP 卡、線圈驅(qū)動(dòng)、LVDT反饋故障情況，導(dǎo)致閥門(mén)動(dòng)作失常，造成給水流量異常波動(dòng)，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]；甚至出現(xiàn)過(guò)因給水泵B 低壓進(jìn)汽閥LVDT 反饋桿損壞，次級(jí)Ⅰ電壓信號(hào)丟失，VP 卡報(bào)斷線故障，導(dǎo)致閥門(mén)全關(guān)動(dòng)作，造成給水流量不足，機(jī)組MFT 停機(jī)事件。

2 優(yōu)化策略

為防止因此給水泵低壓進(jìn)汽閥誤動(dòng)作，須用新版閥門(mén)定位VP 卡替換老版本，在此基礎(chǔ)上再對(duì)每塊VP 卡實(shí)現(xiàn)同版本的冗余，將單VP 單LVDT 改造成冗余的雙VP 雙LVDT 控制、更換新的VP 卡和LVDT 反饋裝置，重新敷設(shè)電纜，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)控制回路（軟件及硬件）的全程冗余配置。

冗余的思想就是通過(guò)配置兩套或更多的同等功能部件，并通過(guò)冗余邏輯使其協(xié)調(diào)地同步運(yùn)行，使系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)得到多重保證，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。兩個(gè)Ovation 閥門(mén)定位VP 卡用于主對(duì)/備用對(duì)，以控制單低壓進(jìn)汽調(diào)閥。低壓進(jìn)汽調(diào)閥裝有兩個(gè)LVDT，兩個(gè)LVDT 對(duì)應(yīng)同一個(gè)低壓進(jìn)汽調(diào)閥。同時(shí)，兩個(gè)VP 各驅(qū)動(dòng)一個(gè)低壓進(jìn)汽調(diào)閥的液壓伺服閥中的線圈。線圈完全隔離，通過(guò)每個(gè)線圈的電流相等。閥門(mén)定位VP 卡通過(guò)串行通信，以確定主VP 和備用VP。冗余子系統(tǒng)的重要參數(shù)通過(guò)串行鏈路進(jìn)行交換。這些重要參數(shù)也通過(guò)Ovation 總線進(jìn)行交換，從而提供冗余數(shù)據(jù)路徑。主VP 卡、線圈驅(qū)動(dòng)、LVDT 反饋發(fā)生故障時(shí)，備用VP 終止其軟件PI 例程并復(fù)制主VP 的伺服輸出，備用VP 將迅速取而代之，維持低壓進(jìn)汽調(diào)閥正常運(yùn)行。該子系統(tǒng)可以檢測(cè)并響應(yīng)三種故障類型。

一是VP 卡硬件故障。VP 不斷進(jìn)行以下內(nèi)部診斷，如果診斷發(fā)生故障則停止操作，低壓進(jìn)汽閥故障不再跟蹤小機(jī)閥位指令。VP 卡硬件故障包括微控制器RAM 故障、Ovation RAM 故障、EPROM校驗(yàn)故障、DA 轉(zhuǎn)換器回讀故障、Ovation 設(shè)備看守定時(shí)器故障。二是線圈驅(qū)動(dòng)故障。如果VP 檢測(cè)到短路或斷開(kāi)的伺服線圈，則會(huì)導(dǎo)致低壓進(jìn)汽調(diào)閥異常關(guān)閉。三是LVDT 故障。通過(guò)測(cè)量位置反饋的微分檢測(cè)LVDT 故障。

圖2 優(yōu)化改造后冗余VP 卡控制原理圖

3 優(yōu)化過(guò)程

3.1 更新硬件

目前，電廠MEH 所在控制器為Ctrl44/94和Ctrl45/95，每對(duì)控制器下包含1塊閥門(mén)定位VP卡，給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽調(diào)閥冗余控制優(yōu)化改造新增VP 卡，可利舊原控制柜卡件備用槽位，無(wú)須新增機(jī)柜。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研小機(jī)上已經(jīng)具備冗余LVDT的安裝支架，因此只須在小機(jī)對(duì)應(yīng)位置安裝冗余的LVDT 即可。原MEH 系統(tǒng)基建配置的閥門(mén)定位VP卡是Ovation 上一代卡件版本，目前已停產(chǎn)，可支持的新版本閥門(mén)定位VP 卡型號(hào)為1C31194G03 1C31197G01，因此需用新版閥門(mén)定位VP 卡替換老版本，在此基礎(chǔ)上再對(duì)每塊VP 卡實(shí)現(xiàn)同版本的冗余。

拆除舊VP 卡和LVDT 反饋裝置，確認(rèn)MEH機(jī)柜內(nèi)有新增VP 卡安裝位置、確認(rèn)低壓進(jìn)汽閥原LVDT 裝置有新增LVDT 安裝位置，新添加的LVDT 要與原來(lái)舊的LVDT 中間相隔一定位置，至少要間隔6cm，10cm 以上最佳。若2只LVDT 過(guò)于接近，初級(jí)線圈上的激勵(lì)電壓會(huì)彼此干擾，從而導(dǎo)致閥門(mén)波動(dòng)。安裝新的雙VP 及雙LVDT 反饋裝置。敷設(shè)雙LVDT 反饋裝置電纜及雙VP 之間的通訊線，更換端子排并完成設(shè)備接線。其中，LVDT的線性范圍必須大于機(jī)械范圍。

當(dāng)閥處于任意端點(diǎn)時(shí)，其中一個(gè)輔助電壓處于最小值。端點(diǎn)必須有足夠大的輔助電壓，以便當(dāng)線路中斷和輔助電壓為零時(shí)，可迅速檢測(cè)到足夠大的電壓變化。確保每個(gè)輔助電壓始終為解調(diào)電壓提供至少10%的正極或負(fù)極電壓。LVDT 在投入冗余服務(wù)前進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)于所有可能的位置，主RVP 的反饋信號(hào)應(yīng)該接近于備用RVP 的反饋信號(hào)。

3.2 修改組態(tài)

在系統(tǒng)中新增VP 卡伺服電壓故障及LVDT 斷線聲光報(bào)警，新增冗余VP 控制系統(tǒng)，并修改和增加數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)，修改和增加冗余VP 卡控制相關(guān)邏輯，該邏輯主要監(jiān)視VP 卡的狀態(tài)和切換，包括：VP 卡的主/備狀態(tài)，每塊VP 卡的報(bào)警信息、VP 卡切換條件以及VP 卡整定邏輯。修改和增加冗余VP 卡控制調(diào)試和監(jiān)控畫(huà)面，監(jiān)控畫(huà)面可顯示各LVDT 行程反饋模擬量及狀態(tài)顯示、VP 卡主從狀態(tài)，控制調(diào)試畫(huà)面設(shè)置有主從VP 卡手動(dòng)切換按鈕，帶二次確認(rèn)功能；控制調(diào)試畫(huà)面可顯示動(dòng)液壓伺服閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)線圈伺服電壓顯示。

3.3 系統(tǒng)調(diào)試

優(yōu)化完成并在機(jī)組EH 油條件滿足后，技術(shù)人員對(duì)已完成給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)閥冗余控制優(yōu)化后的閥門(mén)定位器VP 卡進(jìn)行校準(zhǔn)，各冗余子系統(tǒng)中可以作為獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，使用同樣的命令來(lái)執(zhí)行校準(zhǔn)程序各一遍。通過(guò)運(yùn)行終端模擬軟件連接到閥門(mén)定位VP 卡，鍵入命令，執(zhí)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的目的包括確定機(jī)械行程的端點(diǎn)、輔助設(shè)置LVDT 以達(dá)到最佳性能、使系統(tǒng)能快速執(zhí)行校準(zhǔn)以防止啟動(dòng)延遲。

通過(guò)對(duì)邏輯進(jìn)行修改及完善，使修改完VP 卡冗余邏輯后，主VP 的閥門(mén)定位VP 卡、線圈驅(qū)動(dòng)、LVDT 反饋發(fā)生故障時(shí)，備用VP 終止其軟件PI 例程并復(fù)制主VP 的伺服輸出，備用VP 能迅速切換，保持系統(tǒng)正常運(yùn)行。修改完善完成后模擬各種故障情況進(jìn)行系統(tǒng)冗余性切換試驗(yàn)，將閥門(mén)開(kāi)至任意一中間開(kāi)度，拆除VP 卡任一輸出指令線，模擬指令信號(hào)掉失切換試驗(yàn)；拆除其中一只LVDT 中任一接線，模擬LVDT 斷線切換試驗(yàn)；拔出其中一塊VP卡件，模擬VP 卡件故障切換試驗(yàn)，系統(tǒng)均能無(wú)擾切換。

通過(guò)以上試驗(yàn)可以證明，冗余VP 卡控制的有效性，主VP 卡、線圈驅(qū)動(dòng)、LVDT 反饋發(fā)生故障時(shí)，備用VP 終止其軟件PI 例程并復(fù)制主VP 的伺服輸出，備用VP 將迅速取而代之，維持低壓進(jìn)汽調(diào)閥正常運(yùn)行。

4 優(yōu)化效果

給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽調(diào)閥實(shí)施冗余控制優(yōu)化改造后，閥位跟蹤測(cè)量準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于改造前，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽調(diào)閥冗余控制優(yōu)化前后半年故障數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)新增VP 卡及LVDT 反饋桿，能有效避免調(diào)門(mén)反饋桿故障導(dǎo)致閥門(mén)異常關(guān)閉情況，提高給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽調(diào)閥調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，提高鍋爐給水準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)鍋爐整體效率提高，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性和給水調(diào)整的靈敏度，使機(jī)組運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)，提高電廠競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的能力。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)電力工業(yè)的迅速發(fā)展，火電廠的裝機(jī)容量和單機(jī)容量日益增大，電網(wǎng)對(duì)發(fā)電企業(yè)的要求日益嚴(yán)峻，熱工控制系統(tǒng)的嚴(yán)謹(jǐn)完善，是保證大型火力發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行必備條件。MEH 系統(tǒng)作為大型機(jī)組的重要控制系統(tǒng)，其功能的完善和可靠，能直接減少火電機(jī)組的非停異停，有效保證主設(shè)備的安全。本文通過(guò)對(duì)給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽調(diào)閥故障問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析，指出單VP 控制回路存在的問(wèn)題，提出了合理的給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽調(diào)閥冗余控制優(yōu)化方案，同時(shí)可以為汽輪機(jī)DEH 系統(tǒng)閥門(mén)冗余控制改造提供參考。