汽轮机高压抗燃油系统遮断电磁阀控制回路优化

(贵州西电电力股份有限公司 黔北发电厂，贵州 金沙 551800)

1 设备概况

黔北电厂的汽轮机为东方汽轮机有限公司生产的N300-16.7/537/537型(合缸)亚临界中间再热两缸两排汽凝汽式汽轮机。该汽轮机的调节保安系统分为低压保安系统、高压抗燃油系统、高(低)压接口装置及汽轮机安全监视保护系统。

2 控制原理

汽轮机油系统高压遮断集成模块如图1所示，其模块的组成是：6YV，7YV，8YV，9YV等4个电磁阀；PS1，PS2，PS3，PS4，PS5 等5个压力控制器；2个节流孔；1个集成块。

图1 高压遮断集成模块

PS1，PS2，PS3安装在高压抗燃安全油管路上，用于监视高压安全油压。其作用是：当机组挂闸时，压力控制器组件发出高压安全油建立与否的信号给数字式电液调节系统(DEH)，作为DEH判断挂闸是否成功的一个条件；当机组遮断时，压力控制器组件发出信号给DEH，DEH给高压遮断模块失电指令，泄掉高压安全油，快关各阀门。

PS4，PS5压力控制器安装在高压安全油排油管道的两个节流孔板之间，其作用是监视4个电磁阀的动作情况。当电磁阀组件6YV或8YV中有1个故障或失电，则油压低于4.8 MPa，PS4压力控制器触点闭合，发出信号，表明HTP电磁阀组件的第一通道已经动作；当电磁阀组件7YV或9YV中有1个故障或失电，则油压高于9.6 MPa，PS5压力控制器触点闭合，发出信号，表明HTP电磁阀组件的第二通道已经动作。

在正常情况下，遮断隔离阀组件的机械遮断阀和各油动机卸荷阀处于关闭状态，汽机挂闸指令发出后4只电磁阀全部带电，高压安全油压建立。如果高压遮断模块的两个通道同时动作则会泄掉高压安全油，快关各阀门。同时，PS1，PS2，PS3压力控制器检测到安全油压低于设定值时，发信号至DEH系统，经过三取二逻辑判断后，发出汽机遮断指令。

3 异常现象

2017年7月27日14：00，“1#机控制直流系统综合故障”告警。检查直流系统故障情况发现，1#机控制直流 Ⅰ 组正极对地电压为0 V，对地电阻为0 Ω，负极对地电压226.8 V，对地电阻999.9 kΩ。同时，DEH操作员站上发出压力控制器PS5动作报警。

4 检查分析

4.1 现场检查

根据高压遮断模块控制原理分析，在测量系统正常的情况下，如果出现PS5压力控制器动作，那么7YV或9YV两个电磁阀中至少有一个未工作，致使高压安全油排油管路中两个节流孔板之间油压升高。查看模件DO通道、遮断电磁阀继电器及控制回路接线均无异常。检查220 V直流供电情况，发现直流Ⅰ组电源对7YV，9YV电磁阀供电，加载在电磁阀线圈两端的电压为226 V，测量对地电压，正端对地0 V，负端对地226 V，该组电源正端接地。

检查高压遮断模块，发现9YV电磁阀线圈无吸力，线圈绝缘层有高温融化现象，融化位置的线圈与阀体有飞弧短路情况，测量其线圈电阻值为开路。其他3只电磁阀线圈插头也有高温老化现象。于是使用红外成像仪检测其温度，检测结果是：6YV线圈105 ℃，如图2所示；7YV线圈121 ℃；8YV线圈109 ℃。根据现场情况判断后得知，电磁阀线圈发热量大，且长期处于高温状态下运行，一旦烧坏便引起直流接地。

图2 电磁阀线圈温度热成像

现场测量的电磁阀线圈温度均在100 ℃以上，最高温度甚至达到121 ℃。这样的温度是设备缺陷造成还是电磁阀正常工作时产生的热量，需要通过试验去证实。

4.2 线圈温升试验

黔北电厂使用的高压遮断电磁阀为Parker公司生产的D1VW20BVZP75XB510型电磁阀，参数是：Ue=220 V；In=0.11 A；R=1 650 Ω；Pe=30 W。

根据电磁阀温升公式[1]

(1)

式中：T为线圈温升；R1为冷态电阻；R2为热态电阻；T1为冷态环境温度；T2为热态环境温度。

计算得出电磁阀温升约为57 ℃。

通过试验得到表1中的温升数据。

表1 线圈温升试验数据

计算得出的数据与试验结果相吻合。在正常情况下使用时加上环境温度，线圈能达到110 ℃。考虑到现场直流母线电压为230 V DC，所以受各方面因素影响，该电磁阀在现场正常工作时的温度完全能够达到120 ℃以上。因此，线圈产生的高温并不是设备缺陷引起的，而是正常情况下所产生的热量造成的。

4.3 降温分析

该电磁阀的绝缘等级为B级，线圈允许的最高温度为130 ℃。电磁阀长期在接近最大温度值的高温下运行，不但会降低线圈的使用寿命，还会使电磁阀控制电缆绝缘层老化，严重时会造成线圈烧坏或电缆短路。如果两个通道的电磁阀同时烧坏就会造成保护误动而停机。降低温度有以下两种办法。

1)选择温升较低的其他型号电磁阀。由于遮断模块只适配于该接口的电磁阀，而其他品牌相同接口的电磁阀执行的标准、参数也与现使用的电磁阀基本一致，所以，通过更换电磁阀实现降温难度较大。

5 实施方法

5.1 分压电阻接入方式

从安全方面考虑，如只串入1个电阻，该电阻损坏或线路出现故障就可能导致电磁阀失电，为保证控制其可靠性，使用冗余电阻，如图3所示。

图3 控制回路图

5.2 电磁阀动作试验

降低线圈温度的前提是必须保证电磁阀正确动作。

直流螺线管电磁铁吸力公式[2]为

(2)

式中：N为线圈匝数；I为电流强度；μ0为真空磁导率；δ为气隙长度；S为磁路截面积。

由式(2)可得出电磁力与线圈电流和匝数乘积的平方成正比，而线圈功耗P与线圈电压U和电流I成正比。降低电压，电流随之减小，能够满足功耗降低、线圈温升降低的要求，但是电流下降后电磁力同样会降低。

为确定该型号电磁阀的动作和返回电压、电流值，特随机抽取6只电磁阀，每只电磁阀分别在80 ℃，85 ℃，90 ℃和试验环境下的温升最高温度92 ℃这4个温度点上，做3次动作和返回试验。动作和返回需要的最大电压及电流值见表2。

表2 电磁阀动作、返回试验数据

从试验数据得出，电磁阀动作电流在0.07 A左右，返回电流在0.02 A左右。当线圈温度从80 ℃升高至92 ℃期间，动作电压最高达到151 V，返回电压最高达到43 V。为保证其动作的可靠性，在电磁阀动作时采用220 V电压进行驱动。动作后维持吸合电压必须高于60 V。

5.3 控制回路优化

电磁阀的结构决定了在电磁阀动作后铁芯吸合磁路变短，磁阻变小，维持吸合状态的电压自然较低。同时，我们从动作试验中得到其动作和返回的电压参数，所以可以采取高电压吸合、低电压保持的方法，既能降低线圈的温度，又能保证吸合力。

在控制回路中增加11R6，11R7两个继电器。因电磁阀启动需要额定电压，所以采用继电器常闭(NC)接点与电阻并联方式。在电磁阀启动时继电器接点闭合旁路电阻，回路用220 V电压驱动电磁阀线圈。电磁阀动作后继电器接点断开，电阻投入运行，回路用较小的电压保持电磁阀动作状态，如图4所示。

图4 控制回路图

在DEH系统中新增逻辑组态，如图5所示。用汽机挂闸和遮断电磁阀试验信号作为继电器的动作条件。汽机挂闸前或6YV，8YV试验时保持220 V启动电压，挂闸成功或电磁阀试验成功1 min后，动作11R6继电器，电磁阀线圈电压切为低电压运行；汽机挂闸前或7YV，9YV试验时保持220 V启动电压，挂闸成功或电磁阀试验成功1 min后，动作11R7继电器，电磁阀线圈电压切为低电压运行，如图6所示。这样既能让汽机正常挂闸，又能保证机组运行中高压遮断电磁阀试验正常进行。

图5 DEH逻辑图

图6 切换原理图

5.4 分压电阻选择

6 实施效果

控制回路优化后，经过长时间运行，电磁阀工作正常，定期试验时动作可靠。现场测温后得知，在35 ℃的环境温度下，电磁阀线圈温度在65 ℃左右，如图7所示。与优化前相比，在同等环境温度下，电磁阀线圈温度降低约40 ℃，降温效果明显。这样既提高了机组安全性，又延长了电磁阀线圈寿命。

图7 回路优化后电磁阀线圈温度热成像

[1] 中华人民共和国工业和信息化部.工业过程控制系统用电磁阀：JB/T 7352—2010 [S].北京：机械工业出版社，2010.

[2] 娄路亮，王海洲.电磁阀设计中电磁力的工程计算方法[J].导弹与航天运载技术，2007(1):41-45.