某50MW汽輪機組抽汽調節閥伺服控制回路故障分析

喻久亮

摘 要：本文主要討論汽輪發電機組進汽與抽汽調節閥冗余控制策略。通過某石化企業50MW汽輪機機組DEH硬件配置與運行過程中的實際案例分析，探討伺服控制的冗余配置方案。針對該機組在現行硬件配置下優化的可行性方案。

關鍵詞：汽輪機 冗余伺服 LVDT

1 前言

汽輪機通過高壓調節閥的開啟和關閉控制其轉速和功率。機組升速過程中，DEH控制系統通過轉速調節回路來控制機組的轉速。DEH接收來自現場的實際轉速信號，此信號轉速設定值進行比較后，送到轉速調節回路進行PI計算，輸出為各高壓調節閥開度指令。該開度指令給到伺服卡，此給定信號在伺服卡內與現場油動機位置（LVDT）反饋信號進行比較，經伺服卡內的PI計算，輸出控制信號（±40mA）到伺服閥，伺服閥控制進入或排出油動機油缸的流量以控制油動機的開啟或關閉，從而控制機組轉速。機組并網后，DEH投入功率控制回路、閥門開環控制、或CCS控制方式。

汽輪機數字式電液控制系統（DEH）伺服控制系統安全可靠性不高，可能造成汽輪機控制不穩，嚴重時導致機組非計劃停運，甚至損壞汽輪機部件。目前工業透平投運的機組越來越多，項目的調試設計階段由于各方的條件限制對DEH了解不足，再由于安全理念和設計思路不同，部分DEH存在一定的安全隱患，也曾多次引起保護誤動作。筆者介紹某石化企業50MW機組發生的伺服控制回路故障，導致機組跳機燒瓦事故的案例，并對分析了伺服控制系統位置反饋（LVDT）、伺服卡等裝置配置不當造成汽輪機閥門波動的可能性，從而提高汽輪機DEH 的可靠性。

2 某50MW機組介紹

某石化企業機組為上汽廠生產的C50-10.1/4.41型汽輪機，2003年投產。由于該機組投運時間長，且為滿足國家政策需求特對其進行通流改造。改造后機組為單缸、抽汽冷凝式、一級可調整抽汽、單排汽口汽輪機。有一個高主閥，4個高調閥，1個抽汽調節閥。機組掛閘后，主汽閥和抽汽調節閥全開。通過4個高調閥控制汽輪機轉速和電負荷。當需要向外供汽時，緩慢控制抽汽調節閥已達到合格的供汽壓力。該抽汽調節閥未設置最小機械開度，靠DEH內閥門指令限制來保證進入低壓缸的最小通流量。

通流改造期間對DEH也進行整體改造。DEH采用WOODWARD公司MicroNetTMR控制系統，該系統CPU采用了三重化冗余容錯技術，確保單點故障不影響機組的正常運行。

3 調節閥伺服控制回路介紹

由于該機組含有4個高調閥（CV1、CV2、CV3、CV4）和一個抽汽調節閥（LCV）共計5個可調節閥門。WOODWARD提供伺服卡為雙通道伺服卡，且每個通道能相互獨立計算。DEH共配置了5塊伺服卡。

伺服卡1的B通道，接收來自高調閥（CV1）LVDT1的位置反饋，與DEH的指令比較，經PI計算輸出至CV1伺服閥的B線圈。伺服卡2的1通道，接收來自高調閥（CV1）LVDT2的位置反饋，與DEH的指令比較，經PI計算輸出至CV1伺服閥的A線圈。兩塊伺服卡同時工作且相互獨立。A線圈和B線圈共同作用伺服閥完成對油動機的控制，從而達到開關閥門的目的。

所以最終1號高調閥有伺服卡1和伺服卡2共同控制，其他閥門以此類推。

4 機組跳機燒瓦事故經過

2022年7月11日，機組由于抽汽調節閥突然關閉導致軸位移超限，機組打閘。后檢查發現推力瓦燒毀，經過如下：

16：23：00，機組電負荷43MW，中壓抽汽量5T/H，抽汽調節閥的開度70%。

16：24：05，伺服卡5檢測到抽汽調節閥LVDT2由70%突變為143%。

16：24：07，伺服卡1檢測到抽汽調節閥LVDT1為0%，閥門實際全關。伺服卡5檢測到LVDT2的反饋仍然顯示為143%。

16：24：10，軸向位移由-0.37mm變至-2.2mm，機組跳機。推力瓦溫變壞點。

16：25：00，瓦溫顯示恢復正常，溫度顯示為100+℃。初步判斷推力瓦燒毀。

5 事故原因分析

LVDT位移傳感器，其鐵芯可移動的差動變壓器，它產生的電量輸出與其分離式可動鐵芯位移成正比。伺服卡判斷閥門開度是根據現場LVDT的次1和次2線圈的反饋電壓經伺服卡內部計算而來。伺服卡5檢測到抽汽調節閥LVDT2的次1和次2線圈電壓發生突變。16：24：05，DEH伺服卡記錄次1線圈電壓由4VAC突變為6.23VAC，次2線圈電壓由3VAC突變為1.69VAC。導致了LVDT2的反饋由70%突變為143%。

兩塊伺服卡同時工作且相互獨立。抽汽調節閥是由伺服卡1的A通道和伺服卡5的B通道共同控制完成。伺服卡1的A通道接收抽汽調節閥LVDT1反饋，經卡件PI計算輸出驅動指令±40mA至抽汽調節閥油動機伺服閥的A線圈。伺服卡5的B通道接收抽汽調節閥LVDT2的反饋，經卡件PI計算輸出驅動指令±40mA至抽汽調節閥油動機伺服閥的B線圈。A線圈和B線圈共同作用伺服閥完成對油動機進油和排油的控制，從而達到開啟或關閉閥門的目的。在此次跳機事故中，伺服卡5的B通道接收了抽汽調節閥LVDT2的錯誤反饋信號143%，輸出關閉閥門的伺服指令，致使抽汽調節閥門快速關閉，導致軸向推力突變機組跳閘。

冗余伺服控制策略紊亂。經試驗發現：在任一反饋故障，如LVDT接線斷路、LVDT芯桿脫落、信號干擾等情況導致的反饋故障均不會屏蔽該路的伺服指令輸出。該路的伺服卡仍然按照錯誤的反饋信號進行計算。當伺服閥接收的兩路伺服驅動指令存在方向相反時，伺服閥內部會按照伺服電流大的一組指令動作。

綜上所述，此次事故直接原因是LVDT的次級反饋電壓突變，導致伺服卡判斷反饋錯誤。主要原因則是冗余伺服控制策略紊亂，無法滿足現場冗余控制的需求。

6 伺服控制回路策略的討論

1.冗余的伺服模塊之間采用雙網絡。雙網絡為主備模式，一旦主網絡發生故障，將無擾地切換到的備用網絡上進行工作。

2.冗余模塊間采用主從模式工作。在一個控制周期內，冗余模塊間將完成網絡診斷、控制周期同步、數據采集、故障診斷、主從競爭、控制運算、調節輸出等所有工作，冗余模塊之間的數據完全共享。

3.模件工作時應分為三個安全等級：

高全等級最高：雙模件均無故障時，將選擇工作為主模式的模件數據進行運算。

安全等級次之：當雙模件均存在故障時，將選擇模件間的正常信號參與運算。如：A卡的LVDT存在故障，B卡的驅動通道存在故障，則選擇A卡的驅動進行輸出，選擇B卡的LVDT進行運算，閥門仍然可控。

安全等級最弱：當雙模件的同一信號存在故障時，將采用安全的策略。當兩個模塊的LVDT均存在斷線但至少有一個次級線圈未斷線時，將選擇未斷線的次級線圈進行控制，由于LVDT內磁場發生了變化，控制開度有一定的誤差；當所有的線圈均斷線時或兩支LVDT的初級均斷線時，伺服輸出將從閥門的維持電流以一定的速率逐步衰減，確保閥門緩慢關閉或開啟。

工作為主模式的模件負責運算，并將運算結果同步到從模式的模件共同輸出。模件的工作模式可能切換：當工作為主模式的模件存在伺服驅動通道故障時而從模式的模件無伺服驅動故障時，將無條件切換；當工作為主模式的模件存在故障而另外一個模件無故障時，將產生切換。由于冗余模塊數據共享，除上述情況外的雙模件故障均不切換，以免造成無謂的切換擾動。

4.伺服驅動安全保護和關斷功能

冗余模塊分別控制單獨伺服閥的一個線圈，伺服閥的兩個冗余線圈真實工況實際上就是共同作用。因此在異常情況下，伺服驅動應具有安全保護和關斷功能，以避免異常的伺服驅動輸出信號對閥門控制造成影響。

5.在下述情況下伺服驅動通道應完全關斷

模件的CPU由于某種故障未能有效執行算法，應關斷驅動通道；伺服驅動通道存在故障，伺服驅動斷線，伺服驅動通道偏流狀態，伺服驅動輸出超過了限定的最大值會被認定為偏流狀態。

伺服驅動通道本身存在故障損壞時，也必須關斷驅動通道。

LVDT判定為故障，也必須關斷驅動通道。無論對于哪種LVDT，出現斷線的情況時，均應該認定為故障。對于AC LVDT，激勵源（LVDT初級信號）發生了故障。LVDT信號采集通道出現了故障。LVDT鐵芯松動或滑落超出限定值。對于6線制AC LVDT，工作在非線性區。對于4-20mA DC LVDT，其信號不在 （2mA，22mA）范圍內。

6.閥門位置反饋信號冗余可靠性

DEH的閥門執行機構是閥門位置伺服控制回路組成的閉環控制裝置，跟隨閥門移動的閥門位移傳感器將閥門的位置信號轉換為電氣信號，作為伺服控制回路的負反饋。DEH輸出的閥門位置指令信號與閥門位置反饋信號相等時，閥門被控制在某一位置。可見閥門位置反饋信號在閥門伺服控制回路中是一個非常重要的信號。該信號的可靠性直接關系到閉環控制裝置的可靠性。一般選用可靠性比較高的LVDT 作為位置反饋的傳感器。通常的反饋方式有： LVDT 單通道位置反饋，LVDT 雙通道高選位置反饋，LVDT智能高選位置反饋以及三冗余反饋幾種方式。

LVDT智能高選位置反饋方式：該方式增加LVDT 信號偏差大報警、自動判別并切除故障信號，信號超出正常范圍則輸出為低限值，以便高選另一個正常值等邏輯判斷能力，使兩只LVDT 實現真正的雙冗余，將系統故障率降到最低。

7 基于本項目的伺服控制回路優化

由于DEH配置為WOODWARD公司提供，無法對其伺服卡內部以及網絡冗余等相關硬件配置進行優化更改。項目現場只對DEH的邏輯組態以及伺服卡的故障判斷策略、位置反饋故障判斷進行討論和優化。

1.增加伺服回路故障的判斷邏輯，當DEH邏輯判斷伺服回路故障時，閉鎖該伺服通道的驅動輸出。針對WOODWARD伺服卡的性質，進行以下伺服回路的故障判斷并進行了邏輯優化與相關測試，測試結果如表１：

2.增加DEH連鎖邏輯：抽汽調節閥任一反饋小于25%，切除抽汽，抽汽調節閥指令全開。

3.增加DEH保護邏輯：任一抽汽調節閥反饋小于20%，則機組停機。

8 結語

上述內容針對某石化企業50MW抽汽式汽輪機組的伺服控制回路進行分析，并且對由于伺服控制回路故障導致機組跳機事件進行較為詳細的分析。本文可為DEH的伺服冗余控制策略的設計或者校核提供參考。

參考文獻：

[1]胡海軍．600MW機組汽輪機 DEH 伺服控制系統雙冗余改造[J]．發電設備，2016，30（3）：202-205，209．

[2]楊慶柏，郭永樹．DEH 的執行機構[J]．東北電力技術，1998（8）．

[3]朱德宇．汽輪機閥位控制卡冗余設計及可靠性分析[D]．上海交通大學，2017．

[4]尚洪奎，張 偉． DEH 系統主汽門控制冗余改造[J]．山東電力技術，2015，42（1）：67-68，71．

[5]東方電氣自動控制工程有限公司伺服模塊說明，2020.