伺服驱动式电液转换器的故障分析与处理

杜 超 李 帅

(杭州中能汽轮动力有限公司)

伺服驱动式电液转换器的故障分析与处理

杜 超 李 帅

(杭州中能汽轮动力有限公司)

分析汽轮机伺服驱动式电液转换器的现场故障表现形式，分析其原因并给出了有效的解决方案。

电液转换器 汽轮机 伺服驱动 故障解决方案

电液转换器在现代大型化工设备中使用极其普遍，是实现数字控制和集中控制的关键设备，关系到控制系统的稳定性和整个生产工艺的稳定运行。汽轮机常用的电液转换器分为磁动错油门式和伺服驱动式两种结构形式，这两种控制方式代表着不同的控制方法和设计思路[1]。笔者针对某化工厂汽轮机上所用的伺服驱动式电液转换器出现系统不稳定、带负荷开机时出现的甩负荷现象，分析原因并给出了相应的解决措施。

1 伺服驱动式电液转换器简介

伺服驱动式电液转换器(Woodward CPC Ⅱ)的工作原理[2]如图1所示。此控制方式区别于经典磁动错油门式的控制原理，是采用执行器伺服电机的旋转角度控制下部开启窗口的大小得到输出二次油压值，并通过压力变送器测量输出油压的压力串级控制形成控制反馈回路，经过电路板PID计算重新反馈回执行器伺服电机形成闭环控制[3]。

图1 伺服驱动式电液转换器工作原理

2 故障现象

电液转换器大量应用于汽轮机电液调节控制系统中，其稳定、可靠、使用寿命长的特点非常有利于化工企业的生产管理。某化工厂的一台汽动循环水泵机组采用电液调节作为调节系统。机组油动机采用的是单作用油缸，在阀门关闭时不需要油系统提供动力油压。通常在现场调试中，电液转换器很少作为故障点考虑，但在此次调试中多次出现突出的问题。

2.1 系统不稳定性突出

汽轮机空负荷试车时，转速平稳，系统各环节均正常，油系统没有较大的波动。汽轮机带负荷开机后，随着转速的逐步提高，波动范围也相应变大，从最初的20r/min提高到40r/min。通过调整调速器的PID能较为快速地提高系统的稳定性，最终可以正常运行。运行几个月后停机，再次开机时发现设备无法正常开机，系统稳定性已无法满足开机要求。从多次调试中发现，静态时出现二次油超调振荡明显，在高阀位信号给定时出现了二次油信号抖动现象。

2.2 带负荷开机时出现甩负荷情况

在少数几次带负荷开机时，前期负荷相对稳定，随着转速提升负荷逐步增大，在某一时刻出现功率转速向下突降，水泵出口单向阀无法稳定开启的现象。通过时刻对比分析，排除了外部进排汽参数变化引起的负荷波动。通过调取中控数据记录，发现在低负荷低转速工况下泵出口单向阀未开启前也出现了振幅较小的此类波动，由于波动较小，所以在现场开机时并未发现。

3 故障分析

3.1 故障点的排除

在用户的协助下，通过前期调取中控数据记录已经排除了蒸汽系统对设备的影响。由于水泵为自灌泵，也排除了泵体内漏气而产生的负荷波动问题。同时，循环水系统进出水管网压力稳定，因而也不是管网系统所致。因此将故障范围限定在汽动泵设备范围内。

设备静置数天后，油系统重新开始打油循环，由于当地气温较低油温达不到运行要求温度，在开始打油的一段时间内，油站内油液位快速下降到最低液位以下，初步判断是由于油温低而导致的油品粘度过大所致，待油温提升后仍然不能满足最低油位要求。反馈用户后油位加至正常，同时检查冷油器等排除系统漏油的可能性。

重新启动汽动泵观察发现水泵出口单向阀在未开启前，存在水泵出口压力小幅波动的情况。由于压力的波动直接反映出水泵负荷是存在波动情况的，可以预见随着转速的提升负荷波动会进一步增大。

3.2 故障问题的发现

通过系统各环节的反复检查，并更换油动机和电液转换器均未使静态发生根本改变，但调整阻尼阀能让二次油的不稳定抖动区间发生偏移。为此，进行电液转换器的对比性试验。试验使用一台磁动错油门式电液转换器[4]与3台伺服驱动式电液转换器做性能对比。使用不带蓄能器的调节润滑油站作为油压动力来源，使用离心泵作为油站的动力油泵。并且系统中设置一台与现场完全一致的油动机进行随动性检查和系统耗油量匹配。通过结构匹配模拟现场调节油系统的结构构成。

试验中发现，虽然系统中没有蓄能器，但磁动错油门式电液转换器基本不受外部输入油压波动的影响，这一点也从资料中要求输入油压大于最高二次油压150kPa得到证实。伺服驱动式电液转换器的应用要求相对严格，要求进口压力波动状况不允许超过最小二次油压的±5%。参与试验的3台伺服驱动式电液转换器在调整过程中发现，其稳定性不仅受进口油压波动影响，也与其内部程序卡参数相关。其程序卡软件设置“性能趋势和手动操作”下“比例削减(阀限制或从动模式)”的数值设置影响到二次油压抖动性，即在高阀位信号给定时出现了二次油信号抖动现象。

4 解决措施

通过分析和对比试验，将电液转换器程序卡中的“比例削减(阀限制或从动模式)”值设置为1.5，消除了高阀位的二次油抖动现象。调试过程中发现在小阀位开度下，系统稳定性非常高，也没有超调问题；而通过阀位信号给定较大行程量时，出现了较大的超调量，同时伴随系统油压、高压油和二次油同步波动现象。由于设备的油动机为单作用结构，因此超调现象仅出现在开阀过程中(即从低阀位到高阀位的过程)，而再从高阀位降到低阀位时没有超调现象发生。由此判断一方面是由于阀位信号给定过快导致，另一方面也是系统油压补充不够及时所致。

在电液转换器二次油出口位置配置阻尼阀，阻尼阀可以使振动系统中的振动通过阻尼作用使振幅快速下降。关小阻尼阀后二次油的超调有了明显改善。这是由于给定较大的行程量时，油动机的进油使系统油压产生了一定的波动，这让油系统产生了系统性振荡，因为油的不可压缩特性，导致振荡直接传递到了二次油。关小阻尼阀，一方面阻尼作用抑制了系统振荡的传递，确保二次油出口的稳定性；另一方面阻尼阀降低了二次油的变化速率，在一定程度上也减缓了油动机开启的速度，也可以认为延长了系统油压的振荡周期。

通过以上措施，设备故障解决，顺利开机带负荷。静态大阀位特性很少在机组运行中出现，但改善大阀位调整特性能保证信号传递的可靠性，也能使机组在某些特定故障下不会出现误动作，保证机组运行的稳定可靠。

通过对以上故障现象的分析处理，总结出新设备使用中需要注意的事项：

a. 转速出现类似甩负荷的波动情况在油位加满后没有再次出现，说明是由于油泵短暂吸空导致控制油中混入空气，使调速系统变得不稳定所致，这是设备运行保障中需要重点关注的问题。

b. 伺服驱动式电液转换器需要稳定的进口油压，无论是单作用油缸还是双作用油缸，要尽可能加大蓄能器的容积，以抵消由于油动机进油导致的系统油压波动，保证在调节过程中进口油压的稳定性，从而消除二次油的系统波动性。

c. 在调试过程中需对电液转换器的程序卡做匹配性调整，在静态下需整定相关PID数据，以保证输出信号不存在抖动，这是伺服驱动式电液转换器的特点，需要在调试中特别关注。

d. 适当调整二次油上的阻尼阀对系统油压有稳定作用，在蓄能器不足的情况下可以降低二次油的变化速率，缓解并减小高压油的油压变化量，确保电液转换器入口油压稳定性达到厂家要求。

e. 由于汽动泵的开机特点不同于电动泵，很多改造的汽动循环水泵的设计没有考虑泵的功率特点。因此需要考虑泵出口单向阀未开启时水泵功率的变化问题。这类问题可参照给水泵，在水泵进出口增加再循环管路确保水泵功率的稳定性。

5 结束语

笔者针对某化工厂汽轮机上所用的伺服驱动式电液转换器出现系统不稳定、带负荷开机时出现甩负荷等故障现象的分析处理，明确非汽轮机组非硬件故障的情况下，总结在机组维护与故障分析过程中新设备使用中的注意事项，保证了控制系统的稳定性和整个生产工艺的稳定运行。

[1] 曹柯.蒸汽汽轮机系统的自动控制要点及设计[J].石油化工自动化,2015,51(1): 5～8.

[2] 张燕,许斌海,安连祥,等.CPC-Ⅱ电液转换器的性能分析[J].化工自动化及仪表,2011,38(12):1524～1526.

[3] 方群,黄增.电液伺服阀的发展历史、研究现状及发展趋势[J].机床与液压,2007,35(11):162～165.

[4] 魏建华,吴根茂.汽轮机电液控制专用电液转换器[J].动力工程学报,1995,(2):32～34.

TH137

B

1000-3932(2017)07-0702-03

2016-12-22,

2017-04-01)

杜超(1985-)，工程师，从事汽轮机的设计工作，dc@chinen.cn。