给水泵汽轮机调节汽阀冗余控制的实现及应用

胡轶群，廖荣泽，黄文生，黄 雁，李太安，程 诚

(国能广投柳州发电有限公司，广西 柳州 545600)

0 引言

给水泵汽轮机是火电厂热力循环系统的重要设备之一，其能否安全可靠的运行，直接影响着整个机组的安全及稳定。传统的大型火力发电机组通常配置两台50%容量的给水泵汽轮机，当其中一台给水泵汽轮机调节系统出现故障时，可通过另外一台进行给水调节，或者降低机组负荷，将故障的汽动给水泵组退出运行。伴随着节省投资、降低维护成本及提高机组经济性的需要，越来越多的高参数大容量机组采用单台100%全容量给水泵汽轮机的配置方式[1-2]。配置单台给水泵汽轮机的机组如果出现给水泵汽轮机调速系统故障，将无法对给水流量进行调节，严重影响机组的安全稳定运行甚至导致机组非计划停运。

某电厂2*350 MW机组为辅机单列布置，配置单台100%全容量给水泵汽轮机，无启动备用电泵。机组正常运行时曾出现过给水泵汽轮机调节汽阀电液伺服阀卡涩等故障问题，为机组的安全稳定运行带来严重影响。汽轮机调节汽阀的电液伺服阀是非常精密的调节设备，易受油质影响而出现异常[3-5]，伺服卡等部件为电子产品，亦存在电子元器件老化等问题[6-7]。为提高给水泵汽轮机调节系统的可靠性，解决电液伺服阀、伺服卡故障导致机组无法正常运行的问题，提出给水泵汽轮机调节汽阀冗余控制的解决方案。

1 给水泵汽轮机调节汽阀控制原理

给水泵汽轮机调节汽阀的作用是按照MEH(Micro Electro-Hydraulic Control System给水泵汽轮机电液控制系统)指令改变进入汽轮机的蒸汽流量，以调节给水泵转速，使锅炉的给水流量符合机组运行要求。调节汽阀由调节阀、传动机构、油动机组成，其控制回路部分主要包括伺服卡、电液伺服阀以及位移传感器等[8-9]。

伺服卡为MEH的部件，安装在MEH机柜中，是用于汽轮机阀门伺服控制的专用模块，可输出伺服指令、接受现场阀门行程反馈信号以及接受快关信号等。电液伺服阀是一种接受模拟电信号后，相应输出调制的流量和压力的液压控制阀。伺服阀整定时需要设置一定的机械0位偏置，这个偏置应调整为使调阀趋向于关闭的方向，如果在运行中突然发生失电则靠机械偏置将滑阀偏移使调阀关闭[10]。位移传感器通常采用线性可变差动变压器式传感器(Linear Variable Differential Transformer，LVDT)，属于直线位移传感器。LVDT主要由外壳、线圈、芯杆等组成，外壳由支座固定在油动机的油缸上，芯杆的一端通过连接板与活塞杆相连，当油缸活塞产生位移时，芯杆也同步位移，这样LVDT就将油动机的行程转换成相应的电气信号[11-12]。

油动机工作时MEH调节器通过伺服卡将阀位控制指令信号送至电液伺服阀，伺服阀将电信号转换成使伺服阀阀芯动作的液压信号，进而改变油缸动力油的通路，使油缸活塞产生位移输出，通过传动机构使调节阀开度改变。以此同时，LVDT的芯杆与活塞同步动作，将活塞位移转换成电气信号反馈到伺服卡，当阀位控制指令与阀位反馈一致时，伺服阀阀芯回到零位，油缸活塞处于压力平衡，活塞停止移动，调节阀开度保持在要求的阀位。

2 给水泵汽轮机调节汽阀冗余控制功能的实现

2.1 电控部分的冗余控制原理

电控部分冗余控制功能的实现并不复杂，只需要将原来的单伺服卡更换为两块具有冗余功能的伺服卡(需要控制系统支持)。不同控制系统的冗余模式或冗余控制原理可能有所不同，本文以和利时MACS分散控制系统为例进行介绍。伺服阀冗余电控部分使用和利时K系列硬件K-SV01伺服卡，该伺服卡具有单机、冗余两种工作模式。在该冗余控制系统中，一块伺服卡对应一个伺服阀，在冗余工作模式下冗余伺服卡之间用专用冗余电缆进行连接，两卡互为热备工作，伺服卡切换时间≤10 ms。伺服卡冗余工作原理如图1所示。原调节汽阀油动机配有两支LVDT，两路LVDT行程反馈均接入同一块伺服卡，实现LVDT的主备冗余。伺服卡冗余配置之后，为了实现每个伺服卡的LVDT冗余就需要再增加两支LVDT，使每块伺服卡均接入两路LVDT信号。

图1 伺服卡冗余工作原理图

在该冗余控制系统中，每个伺服阀配置了一个隔离电磁阀，当控制器组态逻辑判断该路伺服控制回路出现故障时，系统自动发出该隔离电磁阀的关闭指令，同时伺服卡进行主备切换，系统切换到另外一套伺服阀进行控制。通过隔离电磁阀的自动关闭切断故障回路的油路，并可关闭油路上的手动截止阀，对故障点进行隔离维修，同时保证给水泵汽轮机调节汽阀的正常调节。

2.2 液压系统的冗余控制结构

液压部分的冗余改造需要拆除原油动机上的伺服阀组件，由于空间紧凑，双伺服组件与油动机液压缸采用分离设置，远离高温区，更便于维护修理。冗余改造后的调节汽阀油动机采用独立双通道液压控制，两个液压控制通道相互独立，互不干扰。每个通道配有电液伺服阀、隔离电磁阀、手动隔离阀，在伺服阀进油通路上设置高压精密滤芯。每个通道的电液伺服阀配置一个隔离电磁阀，伺服阀或伺服卡故障时可通过隔离电磁阀动作迅速切断本条控制油路，且不影响另一条正常油路，故障油路切除时，对调节汽阀当前开度无扰，不影响调速系统的控制功能。每个液压控制通道配置有手动截止阀，当单台伺服阀或隔离电磁阀故障时，可隔离油路进行检查更换，不影响调节汽阀控制功能。伺服阀冗余液压控制原理如图2所示。

图2 伺服阀冗余液压控制原理图

2.3 电液伺服阀的特点及选择

电液伺服阀既是电液转换元件，也是功率放大元件。在电液伺服系统中，电液伺服阀将电气部分与液压部分连接起来，实现电液信号的转换与液压放大，是电液伺服系统控制的关键元件。常见的电液伺服阀种类包括喷嘴挡板式、射流式、直接驱动式等类型，其中喷嘴挡板式电液伺服阀在发电厂汽轮机转速控制中使用较为普遍。电液伺服阀具有精度高、响应快、结构紧凑、动态性能高等特点，传统的电液伺服阀结构比较复杂，加工精度高，对液压油的质量和清洁度要求高。

为提高单列辅机的可靠性，除了将给水泵汽轮机电液伺服阀冗余配置外，对伺服阀也重新进行选型，将原来使用的MOOG G761电液伺服阀更换为MOOG D633直动式伺服阀，以降低伺服阀对油液污染的敏感程度。G761伺服阀为两级液压放大双喷嘴挡板阀，D633伺服阀是带电反馈阀芯位置闭环控制的直接驱动式伺服阀(DDV)。DDV阀用集成电路实现阀芯位移的闭环控制，阀芯的驱动装置是永磁直线力马达。它与两级液压放大双喷嘴挡板阀最大的区别在于该伺服阀从结构上取消了喷嘴挡板前置级，用大功率直线力马达替代了小功率的力矩马达，用集成块与微型位置传感器替代了工艺复杂的力反馈杆与弹簧管，从而简化了结构，提高了抗污染能力，提高了可靠性[13-15]。

2.4 冗余工作模式的选择

基于以上调节汽阀冗余控制系统的结构及功能，该系统可实现双伺服阀同步工作模式及双伺服阀主备工作模式。调节汽阀冗余控制系统为一个伺服卡对应一个伺服阀，但不同的工作模式具有不同的特点。

同步工作模式下，两块伺服卡为单机工作模式，各自独立工作，两个伺服阀同时接收所对应的伺服卡输出指令，两个伺服阀同时工作，共同作用于油动机油缸。同步工作模式的不足之处在于当任一伺服阀故障时，MEH系统难以准确判断故障的发生，因为该工作模式下，任一伺服阀故障，在另一个正常伺服阀的作用下调节汽阀仍然可以正常动作，单一伺服阀故障无外在表现，故在实际应用中没有对此种工作模式进行验证。

主备工作模式下，两块伺服卡为冗余工作模式，主卡输出控制指令，另外一块卡为热备用状态，输出指令为“0”。主卡对应的伺服阀作用于油动机油缸起调节作用，备用伺服阀的阀芯处于复归状态的中间位。两块冗余伺服卡的主从状态可以通过操作员手动切换，也可以由MEH系统进行故障判断后自动切换。伺服卡、伺服阀的故障判断及隔离电磁阀的动作条件均通过相应的控制逻辑来实现。由于此种模式可较好的实现故障判断，自动闭锁，为伺服阀的在线故障处理提供了必要条件，后续主要针对此种工作模式的控制逻辑及试验情况进行讨论。

通过调研，在实际应用中也有采用伺服阀三重冗余的系统，但此种冗余结构仅通过增加伺服阀冗余数量来提高可靠性，并未考虑伺服阀故障的自动判断及隔离，无法实现伺服阀故障的在线处理，且难以与双路冗余伺服卡进行匹配，因此未考虑采用伺服阀三重冗余系统作为改造方案。

3 给水泵汽轮机调节汽阀冗余控制逻辑设计

控制逻辑的设计主要考虑如何实现冗余系统的故障自动判断及故障伺服阀的隔离闭锁。当MEH系统判断出主伺服卡出现相关故障时，将自动完成伺服卡主备切换，当系统判断出伺服阀故障时，除了对伺服卡进行主备切换，同时自动关闭故障通道的隔离电磁阀，对故障通道进行隔离闭锁。

该冗余系统使用的电液伺服阀为DDV阀，虽然DDV阀具有阀芯位置反馈信号，但难以通过阀芯位置来判断其是否为故障状态，DDV阀自身也无其他的故障判断手段。因此，我们根据现场经验，通过调节汽阀的阀位反馈与指令的偏差进行判断，当偏差超过±5%时，即认为主伺服阀的控制作用失效，主伺服阀或控制回路出现异常。

3.1 伺服卡主备自动切换逻辑

伺服卡主备自动切换条件为：主伺服卡通讯故障；主伺服卡伺服通道故障；主伺服卡两路LVDT行程反馈均故障；调节汽阀阀位指令与反馈偏差大于5%(伺服卡主备切换后2秒内偏差不大于10%，卡件不会再次切换)。

3.2 隔离电磁阀的控制逻辑

隔离电磁阀的控制逻辑包括：手动操作隔离电磁阀动作或复位；给水泵汽轮机机为运行状态并且隔离电磁阀对应伺服卡为主卡时，发生伺服卡控制回路故障或者调节汽阀指令与反馈偏差大于5%时，隔离电磁阀得电动作；在当前伺服卡由备卡切换至主卡3秒内，隔离电磁阀不能动作(阀位指令与反馈偏差大导致伺服卡主备切换后，为当前伺服阀留出3秒调节时间)。

3.3 DCS画面显示及操作的主要功能

DCS画面显示及操作的主要功能包括：操作画面设置有隔离电磁阀控制按钮，带二次确认功能；操作画面可显示伺服阀阀芯位置反馈；操作画面可显示伺服卡主从状态；阀门整定画面设置有主从伺服卡手动切换按钮，带二次确认功能；阀门整定画面可显示各LVDT行程反馈模拟量及状态显示。

4 给水泵汽轮机调节汽阀冗余控制功能试验

4.1 静态冗余控制功能试验

静态冗余控制试验主要是在给水泵汽轮机停运状态下进行的相关试验，以便验证改造后的调节汽阀冗余控制系统能否实现相关功能。进行试验前，应首先调整DDV阀的机械0位偏置，使DDV阀失电时油动机可以逐渐关闭。进行DDV阀的机械0位调整时，应注意屏蔽另一路DDV阀的调节作用，否则该路DDV阀失电后，无法观察出其机械0位对油动机的动作方向的影响。随后进行基本功能试验，具体包括：手动操作切换伺服卡、手动操作隔离电磁阀、手动调整调节汽阀开度，观察设备动作是否正常。最后进行故障切换试验，主要包括模拟LVDT故障、伺服卡故障、伺服阀故障以及阀位指令和反馈偏差大于5%等。以上相关试验均正常后，方可进行动态试验。

4.2 动态冗余控制功能试验

动态冗余控制功能试验是在给水泵汽轮机运行状态开展的试验，首次动态试验存在一定风险，务必做好相关风险控制措施。根据锅炉给水系统的工艺特点，动态冗余控制功能试验分为机组并网前及并网后两个阶段。

机组并网前给水泵汽轮机的汽源来自于辅助蒸汽，由高压调节汽阀控制。由于指令函数的差异，在无四段抽汽的情况下低压调节汽阀开度远高于高压调节汽阀，对进汽量无调节作用。机组并网带一定负荷后，给水泵汽轮机汽源由四段抽汽提供，高压调节汽阀逐渐关闭，低压调节汽阀开度逐步降低并控制给水泵转速。由于正常工况下给水泵汽轮机转速由低压调节汽阀控制，故本次冗余控制改造仅针对低压调节汽阀。并网前的低压调节汽阀仅随动，无调节作用，因此试验风险也较低。机组并网前试验无异常后再进行并网后的试验，将整个试验过程的风险降至最低。

4.2.1 并网前伺服阀冗余切换试验

并网前试验分别在3000 r/min稳定转速和3000～3200 r/min区间升、降速三种工况进行，以验证在不同工况下伺服阀切换对系统的影响。试验结果显示：手动切换伺服卡主备状态对调节汽阀的控制无影响，分别模拟伺服卡断指令、伺服阀失电等故障，低压调节汽阀开度变化最大至5%，伺服卡切换及隔离电磁阀动作正常，给水泵转速变化在2 r/min内，给水流量无明显变化。并网前切换试验历史趋势如图3、图4所示。

图3 并网前稳定转速时的伺服阀冗余切换

图4 并网前升降转速过程中伺服阀冗余切换

4.2.2 并网后伺服阀冗余切换试验

并网后试验时给水泵汽轮机由四段抽汽供汽，负荷145 MW，低压调门阀门开度53%。手动切换伺服卡主备状态，低压调节汽阀开度，小机转速，给水流量等均无明显变化。现场就地拔出伺服阀航空插头，模拟伺服阀断电、断信号故障，伺服卡切换及隔离电磁阀动作正常，切换过程中低压调门开度最大波动6%，小机转速波动10 r/min，给水流量最大波动约5 t/h。并网后切换试验历史趋势如图5所示。

图5 并网后伺服阀冗余切换

通过以上实验可以证明，伺服阀故障的自动判断及隔离的有效性，为伺服阀等关键部件故障的处理提供了可能。故障伺服阀切换隔离后，其故障的更换处理按照相应的作业工序开展即可，文中不在过多叙述。

5 结论

给水泵汽轮机调节汽阀冗余控制切换试验分别在小汽轮机冷态、机组并网前及机组带负荷后的工况下开展，模拟了LVDT故障、伺服卡故障、伺服阀故障等情况的冗余切换试验。试验结果表明，调节汽阀冗余控制切换对系统参数的扰动较小，在可接受范围内，可以实现伺服阀故障的自动判断及隔离，实现伺服卡、伺服阀等关键部件故障的在线处理，冗余控制改造达到了预期目标。

给水泵汽轮机调节汽阀冗余控制的成功实现进一步提高了给水系统的控制可靠性，尤其是对给水泵汽轮机单台配置的发电机组具有极其重要的意义，可以有效降低由于伺服阀、伺服卡故障导致机组非停的概率。该技术可推广至给水泵汽轮机单台配置的发电机组，也可以应用在供热机组旋转隔板油动机控制或其他对可靠性要求较高的液动调节机构等。