给水泵汽轮机低压进汽调阀冗余控制优化

江西江投能源技术研究有限公司 付乐东

给水泵汽轮机调节汽阀的作用是按照给水泵汽轮机电液控制系统（Micro Electro-Hydraulic Control System，MEH） 的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。MEH系统控制给水泵汽轮机低压进汽调阀阀位，以便为给水泵汽机速度控制调整汽流。低压进汽调阀的阀位控制通过安装在MEH 机柜中的阀门定位（VP）控制系统来实现，阀门定位VP 模块在MEH 控制器和电动液压伺服阀执行机构之间提供了一个接口，通过此模块维护阀位设置点。阀门定位VP 模块发出输出控制信号，从而驱动电动液压伺服阀执行机构线圈，使用从安装在阀杆上的线性可变差分变压器（LVDT）获取的阀位测量结果形成闭合反馈回路[1]。

给水泵汽轮机调节汽阀工作时阀门定位（VP）控制系统通过阀门定位VP 模块将阀位控制指令信号送至电动液压伺服阀执行机构线圈，电动液压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。与此同时，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阀门定位VP 模块，当阀位控制指令与阀位反馈一致时，电动液压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，调节汽阀开度保持在要求的阀位。

给水泵汽轮机是火电厂热力循环系统的重要设备之一，其能否安全可靠地运行，直接影响着整个机组的安全及稳定。随着火电机组容量增大以及自动化水平的提高，提高给水稳定性、确保机组安全稳定运行至关重要。单台机组正常运行时由两台给水泵汽轮机运行向锅炉给水，给水泵汽轮机组主要由电动机驱动的前置泵与小汽轮机驱动的给水泵组成，给水泵汽轮机能否可靠地向锅炉连续供给具有足够压力、流量和相当温度的给水直接关系到锅炉设备的安全。如果任何一台给水泵汽轮机低压进汽阀故障或进汽调节不佳，将会直接影响锅炉设备及机组运行安全。

1 控制优化的必要性

某电厂2×700MW 机组MEH 控制系统为OVATION 控制系统，每台给水泵低压进汽阀控制系统包含1块阀门定位VP 卡和1支LVDT 反馈装置，当VP 卡、线圈驱动、LVDT 反馈故障时将导致低压进汽阀故障关闭或不再跟踪小机阀位指令，低压进汽阀调节系统在LVDT 断线情况下会导致阀门关闭，控制系统无冗余设计。给水泵低压进汽阀故障或调节性能不佳，容易导致小汽轮机进汽控制不良，影响机组稳定性及经济性，严重时引起小汽轮机跳闸，机组RB 甚至MFT 停机。

图1 优化改造前单VP 卡控制原理图

原MEH 系统基建配置的阀门定位VP 卡是Ovation 上一代卡件版本，目前已停产，且给水泵汽轮机低压进汽调阀控制系统内VP 卡、伺服阀、LVDT 反馈装置及其线路均已使用超过10年，电子设备及其线路性能劣化，阀门定位VP 卡发生外部或内部故障时会直接导致低压进汽调阀全关，影响机组可靠运行。

给水泵汽轮机低压进汽阀调节系统自投运以来，现场工况不稳定，LVDT 反馈装置安装处环境温度高，振动大，VP 卡所在的电子间VP 卡灰尘大，VP 卡和LVDT 反馈装置及其线路老化，发生过给水泵汽轮机低压进汽阀VP 卡、线圈驱动、LVDT反馈故障情况，导致阀门动作失常，造成给水流量异常波动，影响机组安全稳定运行[2]；甚至出现过因给水泵B 低压进汽阀LVDT 反馈杆损坏，次级Ⅰ电压信号丢失，VP 卡报断线故障，导致阀门全关动作，造成给水流量不足，机组MFT 停机事件。

2 优化策略

为防止因此给水泵低压进汽阀误动作，须用新版阀门定位VP 卡替换老版本，在此基础上再对每块VP 卡实现同版本的冗余，将单VP 单LVDT 改造成冗余的双VP 双LVDT 控制、更换新的VP 卡和LVDT 反馈装置，重新敷设电缆，实现阀门控制回路（软件及硬件）的全程冗余配置。

冗余的思想就是通过配置两套或更多的同等功能部件，并通过冗余逻辑使其协调地同步运行，使系统功能的实现得到多重保证，提高系统的容错能力。两个Ovation 阀门定位VP 卡用于主对/备用对，以控制单低压进汽调阀。低压进汽调阀装有两个LVDT，两个LVDT 对应同一个低压进汽调阀。同时，两个VP 各驱动一个低压进汽调阀的液压伺服阀中的线圈。线圈完全隔离，通过每个线圈的电流相等。阀门定位VP 卡通过串行通信，以确定主VP 和备用VP。冗余子系统的重要参数通过串行链路进行交换。这些重要参数也通过Ovation 总线进行交换，从而提供冗余数据路径。主VP 卡、线圈驱动、LVDT 反馈发生故障时，备用VP 终止其软件PI 例程并复制主VP 的伺服输出，备用VP 将迅速取而代之，维持低压进汽调阀正常运行。该子系统可以检测并响应三种故障类型。

一是VP 卡硬件故障。VP 不断进行以下内部诊断，如果诊断发生故障则停止操作，低压进汽阀故障不再跟踪小机阀位指令。VP 卡硬件故障包括微控制器RAM 故障、Ovation RAM 故障、EPROM校验故障、DA 转换器回读故障、Ovation 设备看守定时器故障。二是线圈驱动故障。如果VP 检测到短路或断开的伺服线圈，则会导致低压进汽调阀异常关闭。三是LVDT 故障。通过测量位置反馈的微分检测LVDT 故障。

图2 优化改造后冗余VP 卡控制原理图

3 优化过程

3.1 更新硬件

目前，电厂MEH 所在控制器为Ctrl44/94和Ctrl45/95，每对控制器下包含1块阀门定位VP卡，给水泵汽轮机低压进汽调阀冗余控制优化改造新增VP 卡，可利旧原控制柜卡件备用槽位，无须新增机柜。经现场调研小机上已经具备冗余LVDT的安装支架，因此只须在小机对应位置安装冗余的LVDT 即可。原MEH 系统基建配置的阀门定位VP卡是Ovation 上一代卡件版本，目前已停产，可支持的新版本阀门定位VP 卡型号为1C31194G03 1C31197G01，因此需用新版阀门定位VP 卡替换老版本，在此基础上再对每块VP 卡实现同版本的冗余。

拆除旧VP 卡和LVDT 反馈装置，确认MEH机柜内有新增VP 卡安装位置、确认低压进汽阀原LVDT 装置有新增LVDT 安装位置，新添加的LVDT 要与原来旧的LVDT 中间相隔一定位置，至少要间隔6cm，10cm 以上最佳。若2只LVDT 过于接近，初级线圈上的激励电压会彼此干扰，从而导致阀门波动。安装新的双VP 及双LVDT 反馈装置。敷设双LVDT 反馈装置电缆及双VP 之间的通讯线，更换端子排并完成设备接线。其中，LVDT的线性范围必须大于机械范围。

当阀处于任意端点时，其中一个辅助电压处于最小值。端点必须有足够大的辅助电压，以便当线路中断和辅助电压为零时，可迅速检测到足够大的电压变化。确保每个辅助电压始终为解调电压提供至少10%的正极或负极电压。LVDT 在投入冗余服务前进行校准。对于所有可能的位置，主RVP 的反馈信号应该接近于备用RVP 的反馈信号。

3.2 修改组态

在系统中新增VP 卡伺服电压故障及LVDT 断线声光报警，新增冗余VP 控制系统，并修改和增加数据库点，修改和增加冗余VP 卡控制相关逻辑，该逻辑主要监视VP 卡的状态和切换，包括：VP 卡的主/备状态，每块VP 卡的报警信息、VP 卡切换条件以及VP 卡整定逻辑。修改和增加冗余VP 卡控制调试和监控画面，监控画面可显示各LVDT 行程反馈模拟量及状态显示、VP 卡主从状态，控制调试画面设置有主从VP 卡手动切换按钮，带二次确认功能；控制调试画面可显示动液压伺服阀执行机构线圈伺服电压显示。

3.3 系统调试

优化完成并在机组EH 油条件满足后，技术人员对已完成给水泵汽轮机进汽调阀冗余控制优化后的阀门定位器VP 卡进行校准，各冗余子系统中可以作为独立系统进行校准，使用同样的命令来执行校准程序各一遍。通过运行终端模拟软件连接到阀门定位VP 卡，键入命令，执行校准。校准的目的包括确定机械行程的端点、辅助设置LVDT 以达到最佳性能、使系统能快速执行校准以防止启动延迟。

通过对逻辑进行修改及完善，使修改完VP 卡冗余逻辑后，主VP 的阀门定位VP 卡、线圈驱动、LVDT 反馈发生故障时，备用VP 终止其软件PI 例程并复制主VP 的伺服输出，备用VP 能迅速切换，保持系统正常运行。修改完善完成后模拟各种故障情况进行系统冗余性切换试验，将阀门开至任意一中间开度，拆除VP 卡任一输出指令线，模拟指令信号掉失切换试验；拆除其中一只LVDT 中任一接线，模拟LVDT 断线切换试验；拔出其中一块VP卡件，模拟VP 卡件故障切换试验，系统均能无扰切换。

通过以上试验可以证明，冗余VP 卡控制的有效性，主VP 卡、线圈驱动、LVDT 反馈发生故障时，备用VP 终止其软件PI 例程并复制主VP 的伺服输出，备用VP 将迅速取而代之，维持低压进汽调阀正常运行。

4 优化效果

给水泵汽轮机低压进汽调阀实施冗余控制优化改造后，阀位跟踪测量准确，数据明显优于改造前，具体数据见表1。

表1 给水泵汽轮机低压进汽调阀冗余控制优化前后半年故障数据对比

通过新增VP 卡及LVDT 反馈杆，能有效避免调门反馈杆故障导致阀门异常关闭情况，提高给水泵汽轮机低压进汽调阀调节稳定性，提高锅炉给水准确度，实现锅炉整体效率提高，提高了设备运行的稳定可靠性和给水调整的灵敏度，使机组运行更经济，提高电厂竞价上网的能力。

5 结语

随着我国电力工业的迅速发展，火电厂的装机容量和单机容量日益增大，电网对发电企业的要求日益严峻，热工控制系统的严谨完善，是保证大型火力发电机组安全稳定运行必备条件。MEH 系统作为大型机组的重要控制系统，其功能的完善和可靠，能直接减少火电机组的非停异停，有效保证主设备的安全。本文通过对给水泵汽轮机低压进汽调阀故障问题进行详细分析，指出单VP 控制回路存在的问题，提出了合理的给水泵汽轮机低压进汽调阀冗余控制优化方案，同时可以为汽轮机DEH 系统阀门冗余控制改造提供参考。