胡軼群,廖榮澤,黃文生,黃 雁,李太安,程 誠(chéng)
(國(guó)能廣投柳州發(fā)電有限公司,廣西 柳州 545600)
給水泵汽輪機(jī)是火電廠熱力循環(huán)系統(tǒng)的重要設(shè)備之一,其能否安全可靠的運(yùn)行,直接影響著整個(gè)機(jī)組的安全及穩(wěn)定。傳統(tǒng)的大型火力發(fā)電機(jī)組通常配置兩臺(tái)50%容量的給水泵汽輪機(jī),當(dāng)其中一臺(tái)給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),可通過另外一臺(tái)進(jìn)行給水調(diào)節(jié),或者降低機(jī)組負(fù)荷,將故障的汽動(dòng)給水泵組退出運(yùn)行。伴隨著節(jié)省投資、降低維護(hù)成本及提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的需要,越來越多的高參數(shù)大容量機(jī)組采用單臺(tái)100%全容量給水泵汽輪機(jī)的配置方式[1-2]。配置單臺(tái)給水泵汽輪機(jī)的機(jī)組如果出現(xiàn)給水泵汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)故障,將無法對(duì)給水流量進(jìn)行調(diào)節(jié),嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行甚至導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)。
某電廠2*350 MW機(jī)組為輔機(jī)單列布置,配置單臺(tái)100%全容量給水泵汽輪機(jī),無啟動(dòng)備用電泵。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)曾出現(xiàn)過給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥電液伺服閥卡澀等故障問題,為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥的電液伺服閥是非常精密的調(diào)節(jié)設(shè)備,易受油質(zhì)影響而出現(xiàn)異常[3-5],伺服卡等部件為電子產(chǎn)品,亦存在電子元器件老化等問題[6-7]。為提高給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性,解決電液伺服閥、伺服卡故障導(dǎo)致機(jī)組無法正常運(yùn)行的問題,提出給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥冗余控制的解決方案。
給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥的作用是按照MEH(Micro Electro-Hydraulic Control System給水泵汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng))指令改變進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量,以調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速,使鍋爐的給水流量符合機(jī)組運(yùn)行要求。調(diào)節(jié)汽閥由調(diào)節(jié)閥、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、油動(dòng)機(jī)組成,其控制回路部分主要包括伺服卡、電液伺服閥以及位移傳感器等[8-9]。
伺服卡為MEH的部件,安裝在MEH機(jī)柜中,是用于汽輪機(jī)閥門伺服控制的專用模塊,可輸出伺服指令、接受現(xiàn)場(chǎng)閥門行程反饋信號(hào)以及接受快關(guān)信號(hào)等。電液伺服閥是一種接受模擬電信號(hào)后,相應(yīng)輸出調(diào)制的流量和壓力的液壓控制閥。伺服閥整定時(shí)需要設(shè)置一定的機(jī)械0位偏置,這個(gè)偏置應(yīng)調(diào)整為使調(diào)閥趨向于關(guān)閉的方向,如果在運(yùn)行中突然發(fā)生失電則靠機(jī)械偏置將滑閥偏移使調(diào)閥關(guān)閉[10]。位移傳感器通常采用線性可變差動(dòng)變壓器式傳感器(Linear Variable Differential Transformer,LVDT),屬于直線位移傳感器。LVDT主要由外殼、線圈、芯桿等組成,外殼由支座固定在油動(dòng)機(jī)的油缸上,芯桿的一端通過連接板與活塞桿相連,當(dāng)油缸活塞產(chǎn)生位移時(shí),芯桿也同步位移,這樣LVDT就將油動(dòng)機(jī)的行程轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電氣信號(hào)[11-12]。
油動(dòng)機(jī)工作時(shí)MEH調(diào)節(jié)器通過伺服卡將閥位控制指令信號(hào)送至電液伺服閥,伺服閥將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成使伺服閥閥芯動(dòng)作的液壓信號(hào),進(jìn)而改變油缸動(dòng)力油的通路,使油缸活塞產(chǎn)生位移輸出,通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使調(diào)節(jié)閥開度改變。以此同時(shí),LVDT的芯桿與活塞同步動(dòng)作,將活塞位移轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)反饋到伺服卡,當(dāng)閥位控制指令與閥位反饋一致時(shí),伺服閥閥芯回到零位,油缸活塞處于壓力平衡,活塞停止移動(dòng),調(diào)節(jié)閥開度保持在要求的閥位。
電控部分冗余控制功能的實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜,只需要將原來的單伺服卡更換為兩塊具有冗余功能的伺服卡(需要控制系統(tǒng)支持)。不同控制系統(tǒng)的冗余模式或冗余控制原理可能有所不同,本文以和利時(shí)MACS分散控制系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。伺服閥冗余電控部分使用和利時(shí)K系列硬件K-SV01伺服卡,該伺服卡具有單機(jī)、冗余兩種工作模式。在該冗余控制系統(tǒng)中,一塊伺服卡對(duì)應(yīng)一個(gè)伺服閥,在冗余工作模式下冗余伺服卡之間用專用冗余電纜進(jìn)行連接,兩卡互為熱備工作,伺服卡切換時(shí)間≤10 ms。伺服卡冗余工作原理如圖1所示。原調(diào)節(jié)汽閥油動(dòng)機(jī)配有兩支LVDT,兩路LVDT行程反饋均接入同一塊伺服卡,實(shí)現(xiàn)LVDT的主備冗余。伺服卡冗余配置之后,為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)伺服卡的LVDT冗余就需要再增加兩支LVDT,使每塊伺服卡均接入兩路LVDT信號(hào)。
圖1 伺服卡冗余工作原理圖
在該冗余控制系統(tǒng)中,每個(gè)伺服閥配置了一個(gè)隔離電磁閥,當(dāng)控制器組態(tài)邏輯判斷該路伺服控制回路出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出該隔離電磁閥的關(guān)閉指令,同時(shí)伺服卡進(jìn)行主備切換,系統(tǒng)切換到另外一套伺服閥進(jìn)行控制。通過隔離電磁閥的自動(dòng)關(guān)閉切斷故障回路的油路,并可關(guān)閉油路上的手動(dòng)截止閥,對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行隔離維修,同時(shí)保證給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥的正常調(diào)節(jié)。
液壓部分的冗余改造需要拆除原油動(dòng)機(jī)上的伺服閥組件,由于空間緊湊,雙伺服組件與油動(dòng)機(jī)液壓缸采用分離設(shè)置,遠(yuǎn)離高溫區(qū),更便于維護(hù)修理。冗余改造后的調(diào)節(jié)汽閥油動(dòng)機(jī)采用獨(dú)立雙通道液壓控制,兩個(gè)液壓控制通道相互獨(dú)立,互不干擾。每個(gè)通道配有電液伺服閥、隔離電磁閥、手動(dòng)隔離閥,在伺服閥進(jìn)油通路上設(shè)置高壓精密濾芯。每個(gè)通道的電液伺服閥配置一個(gè)隔離電磁閥,伺服閥或伺服卡故障時(shí)可通過隔離電磁閥動(dòng)作迅速切斷本條控制油路,且不影響另一條正常油路,故障油路切除時(shí),對(duì)調(diào)節(jié)汽閥當(dāng)前開度無擾,不影響調(diào)速系統(tǒng)的控制功能。每個(gè)液壓控制通道配置有手動(dòng)截止閥,當(dāng)單臺(tái)伺服閥或隔離電磁閥故障時(shí),可隔離油路進(jìn)行檢查更換,不影響調(diào)節(jié)汽閥控制功能。伺服閥冗余液壓控制原理如圖2所示。
圖2 伺服閥冗余液壓控制原理圖
電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件,也是功率放大元件。在電液伺服系統(tǒng)中,電液伺服閥將電氣部分與液壓部分連接起來,實(shí)現(xiàn)電液信號(hào)的轉(zhuǎn)換與液壓放大,是電液伺服系統(tǒng)控制的關(guān)鍵元件。常見的電液伺服閥種類包括噴嘴擋板式、射流式、直接驅(qū)動(dòng)式等類型,其中噴嘴擋板式電液伺服閥在發(fā)電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制中使用較為普遍。電液伺服閥具有精度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)態(tài)性能高等特點(diǎn),傳統(tǒng)的電液伺服閥結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,加工精度高,對(duì)液壓油的質(zhì)量和清潔度要求高。
為提高單列輔機(jī)的可靠性,除了將給水泵汽輪機(jī)電液伺服閥冗余配置外,對(duì)伺服閥也重新進(jìn)行選型,將原來使用的MOOG G761電液伺服閥更換為MOOG D633直動(dòng)式伺服閥,以降低伺服閥對(duì)油液污染的敏感程度。G761伺服閥為兩級(jí)液壓放大雙噴嘴擋板閥,D633伺服閥是帶電反饋閥芯位置閉環(huán)控制的直接驅(qū)動(dòng)式伺服閥(DDV)。DDV閥用集成電路實(shí)現(xiàn)閥芯位移的閉環(huán)控制,閥芯的驅(qū)動(dòng)裝置是永磁直線力馬達(dá)。它與兩級(jí)液壓放大雙噴嘴擋板閥最大的區(qū)別在于該伺服閥從結(jié)構(gòu)上取消了噴嘴擋板前置級(jí),用大功率直線力馬達(dá)替代了小功率的力矩馬達(dá),用集成塊與微型位置傳感器替代了工藝復(fù)雜的力反饋桿與彈簧管,從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu),提高了抗污染能力,提高了可靠性[13-15]。
基于以上調(diào)節(jié)汽閥冗余控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)雙伺服閥同步工作模式及雙伺服閥主備工作模式。調(diào)節(jié)汽閥冗余控制系統(tǒng)為一個(gè)伺服卡對(duì)應(yīng)一個(gè)伺服閥,但不同的工作模式具有不同的特點(diǎn)。
同步工作模式下,兩塊伺服卡為單機(jī)工作模式,各自獨(dú)立工作,兩個(gè)伺服閥同時(shí)接收所對(duì)應(yīng)的伺服卡輸出指令,兩個(gè)伺服閥同時(shí)工作,共同作用于油動(dòng)機(jī)油缸。同步工作模式的不足之處在于當(dāng)任一伺服閥故障時(shí),MEH系統(tǒng)難以準(zhǔn)確判斷故障的發(fā)生,因?yàn)樵摴ぷ髂J较?,任一伺服閥故障,在另一個(gè)正常伺服閥的作用下調(diào)節(jié)汽閥仍然可以正常動(dòng)作,單一伺服閥故障無外在表現(xiàn),故在實(shí)際應(yīng)用中沒有對(duì)此種工作模式進(jìn)行驗(yàn)證。
主備工作模式下,兩塊伺服卡為冗余工作模式,主卡輸出控制指令,另外一塊卡為熱備用狀態(tài),輸出指令為“0”。主卡對(duì)應(yīng)的伺服閥作用于油動(dòng)機(jī)油缸起調(diào)節(jié)作用,備用伺服閥的閥芯處于復(fù)歸狀態(tài)的中間位。兩塊冗余伺服卡的主從狀態(tài)可以通過操作員手動(dòng)切換,也可以由MEH系統(tǒng)進(jìn)行故障判斷后自動(dòng)切換。伺服卡、伺服閥的故障判斷及隔離電磁閥的動(dòng)作條件均通過相應(yīng)的控制邏輯來實(shí)現(xiàn)。由于此種模式可較好的實(shí)現(xiàn)故障判斷,自動(dòng)閉鎖,為伺服閥的在線故障處理提供了必要條件,后續(xù)主要針對(duì)此種工作模式的控制邏輯及試驗(yàn)情況進(jìn)行討論。
通過調(diào)研,在實(shí)際應(yīng)用中也有采用伺服閥三重冗余的系統(tǒng),但此種冗余結(jié)構(gòu)僅通過增加伺服閥冗余數(shù)量來提高可靠性,并未考慮伺服閥故障的自動(dòng)判斷及隔離,無法實(shí)現(xiàn)伺服閥故障的在線處理,且難以與雙路冗余伺服卡進(jìn)行匹配,因此未考慮采用伺服閥三重冗余系統(tǒng)作為改造方案。
控制邏輯的設(shè)計(jì)主要考慮如何實(shí)現(xiàn)冗余系統(tǒng)的故障自動(dòng)判斷及故障伺服閥的隔離閉鎖。當(dāng)MEH系統(tǒng)判斷出主伺服卡出現(xiàn)相關(guān)故障時(shí),將自動(dòng)完成伺服卡主備切換,當(dāng)系統(tǒng)判斷出伺服閥故障時(shí),除了對(duì)伺服卡進(jìn)行主備切換,同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉故障通道的隔離電磁閥,對(duì)故障通道進(jìn)行隔離閉鎖。
該冗余系統(tǒng)使用的電液伺服閥為DDV閥,雖然DDV閥具有閥芯位置反饋信號(hào),但難以通過閥芯位置來判斷其是否為故障狀態(tài),DDV閥自身也無其他的故障判斷手段。因此,我們根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),通過調(diào)節(jié)汽閥的閥位反饋與指令的偏差進(jìn)行判斷,當(dāng)偏差超過±5%時(shí),即認(rèn)為主伺服閥的控制作用失效,主伺服閥或控制回路出現(xiàn)異常。
伺服卡主備自動(dòng)切換條件為:主伺服卡通訊故障;主伺服卡伺服通道故障;主伺服卡兩路LVDT行程反饋均故障;調(diào)節(jié)汽閥閥位指令與反饋偏差大于5%(伺服卡主備切換后2秒內(nèi)偏差不大于10%,卡件不會(huì)再次切換)。
隔離電磁閥的控制邏輯包括:手動(dòng)操作隔離電磁閥動(dòng)作或復(fù)位;給水泵汽輪機(jī)機(jī)為運(yùn)行狀態(tài)并且隔離電磁閥對(duì)應(yīng)伺服卡為主卡時(shí),發(fā)生伺服卡控制回路故障或者調(diào)節(jié)汽閥指令與反饋偏差大于5%時(shí),隔離電磁閥得電動(dòng)作;在當(dāng)前伺服卡由備卡切換至主卡3秒內(nèi),隔離電磁閥不能動(dòng)作(閥位指令與反饋偏差大導(dǎo)致伺服卡主備切換后,為當(dāng)前伺服閥留出3秒調(diào)節(jié)時(shí)間)。
DCS畫面顯示及操作的主要功能包括:操作畫面設(shè)置有隔離電磁閥控制按鈕,帶二次確認(rèn)功能;操作畫面可顯示伺服閥閥芯位置反饋;操作畫面可顯示伺服卡主從狀態(tài);閥門整定畫面設(shè)置有主從伺服卡手動(dòng)切換按鈕,帶二次確認(rèn)功能;閥門整定畫面可顯示各LVDT行程反饋模擬量及狀態(tài)顯示。
靜態(tài)冗余控制試驗(yàn)主要是在給水泵汽輪機(jī)停運(yùn)狀態(tài)下進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn),以便驗(yàn)證改造后的調(diào)節(jié)汽閥冗余控制系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。進(jìn)行試驗(yàn)前,應(yīng)首先調(diào)整DDV閥的機(jī)械0位偏置,使DDV閥失電時(shí)油動(dòng)機(jī)可以逐漸關(guān)閉。進(jìn)行DDV閥的機(jī)械0位調(diào)整時(shí),應(yīng)注意屏蔽另一路DDV閥的調(diào)節(jié)作用,否則該路DDV閥失電后,無法觀察出其機(jī)械0位對(duì)油動(dòng)機(jī)的動(dòng)作方向的影響。隨后進(jìn)行基本功能試驗(yàn),具體包括:手動(dòng)操作切換伺服卡、手動(dòng)操作隔離電磁閥、手動(dòng)調(diào)整調(diào)節(jié)汽閥開度,觀察設(shè)備動(dòng)作是否正常。最后進(jìn)行故障切換試驗(yàn),主要包括模擬LVDT故障、伺服卡故障、伺服閥故障以及閥位指令和反饋偏差大于5%等。以上相關(guān)試驗(yàn)均正常后,方可進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。
動(dòng)態(tài)冗余控制功能試驗(yàn)是在給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)開展的試驗(yàn),首次動(dòng)態(tài)試驗(yàn)存在一定風(fēng)險(xiǎn),務(wù)必做好相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)控制措施。根據(jù)鍋爐給水系統(tǒng)的工藝特點(diǎn),動(dòng)態(tài)冗余控制功能試驗(yàn)分為機(jī)組并網(wǎng)前及并網(wǎng)后兩個(gè)階段。
機(jī)組并網(wǎng)前給水泵汽輪機(jī)的汽源來自于輔助蒸汽,由高壓調(diào)節(jié)汽閥控制。由于指令函數(shù)的差異,在無四段抽汽的情況下低壓調(diào)節(jié)汽閥開度遠(yuǎn)高于高壓調(diào)節(jié)汽閥,對(duì)進(jìn)汽量無調(diào)節(jié)作用。機(jī)組并網(wǎng)帶一定負(fù)荷后,給水泵汽輪機(jī)汽源由四段抽汽提供,高壓調(diào)節(jié)汽閥逐漸關(guān)閉,低壓調(diào)節(jié)汽閥開度逐步降低并控制給水泵轉(zhuǎn)速。由于正常工況下給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速由低壓調(diào)節(jié)汽閥控制,故本次冗余控制改造僅針對(duì)低壓調(diào)節(jié)汽閥。并網(wǎng)前的低壓調(diào)節(jié)汽閥僅隨動(dòng),無調(diào)節(jié)作用,因此試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)也較低。機(jī)組并網(wǎng)前試驗(yàn)無異常后再進(jìn)行并網(wǎng)后的試驗(yàn),將整個(gè)試驗(yàn)過程的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。
4.2.1 并網(wǎng)前伺服閥冗余切換試驗(yàn)
并網(wǎng)前試驗(yàn)分別在3000 r/min穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和3000~3200 r/min區(qū)間升、降速三種工況進(jìn)行,以驗(yàn)證在不同工況下伺服閥切換對(duì)系統(tǒng)的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示:手動(dòng)切換伺服卡主備狀態(tài)對(duì)調(diào)節(jié)汽閥的控制無影響,分別模擬伺服卡斷指令、伺服閥失電等故障,低壓調(diào)節(jié)汽閥開度變化最大至5%,伺服卡切換及隔離電磁閥動(dòng)作正常,給水泵轉(zhuǎn)速變化在2 r/min內(nèi),給水流量無明顯變化。并網(wǎng)前切換試驗(yàn)歷史趨勢(shì)如圖3、圖4所示。
圖3 并網(wǎng)前穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)的伺服閥冗余切換
圖4 并網(wǎng)前升降轉(zhuǎn)速過程中伺服閥冗余切換
4.2.2 并網(wǎng)后伺服閥冗余切換試驗(yàn)
并網(wǎng)后試驗(yàn)時(shí)給水泵汽輪機(jī)由四段抽汽供汽,負(fù)荷145 MW,低壓調(diào)門閥門開度53%。手動(dòng)切換伺服卡主備狀態(tài),低壓調(diào)節(jié)汽閥開度,小機(jī)轉(zhuǎn)速,給水流量等均無明顯變化?,F(xiàn)場(chǎng)就地拔出伺服閥航空插頭,模擬伺服閥斷電、斷信號(hào)故障,伺服卡切換及隔離電磁閥動(dòng)作正常,切換過程中低壓調(diào)門開度最大波動(dòng)6%,小機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)10 r/min,給水流量最大波動(dòng)約5 t/h。并網(wǎng)后切換試驗(yàn)歷史趨勢(shì)如圖5所示。
圖5 并網(wǎng)后伺服閥冗余切換
通過以上實(shí)驗(yàn)可以證明,伺服閥故障的自動(dòng)判斷及隔離的有效性,為伺服閥等關(guān)鍵部件故障的處理提供了可能。故障伺服閥切換隔離后,其故障的更換處理按照相應(yīng)的作業(yè)工序開展即可,文中不在過多敘述。
給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥冗余控制切換試驗(yàn)分別在小汽輪機(jī)冷態(tài)、機(jī)組并網(wǎng)前及機(jī)組帶負(fù)荷后的工況下開展,模擬了LVDT故障、伺服卡故障、伺服閥故障等情況的冗余切換試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,調(diào)節(jié)汽閥冗余控制切換對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的擾動(dòng)較小,在可接受范圍內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)伺服閥故障的自動(dòng)判斷及隔離,實(shí)現(xiàn)伺服卡、伺服閥等關(guān)鍵部件故障的在線處理,冗余控制改造達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥冗余控制的成功實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高了給水系統(tǒng)的控制可靠性,尤其是對(duì)給水泵汽輪機(jī)單臺(tái)配置的發(fā)電機(jī)組具有極其重要的意義,可以有效降低由于伺服閥、伺服卡故障導(dǎo)致機(jī)組非停的概率。該技術(shù)可推廣至給水泵汽輪機(jī)單臺(tái)配置的發(fā)電機(jī)組,也可以應(yīng)用在供熱機(jī)組旋轉(zhuǎn)隔板油動(dòng)機(jī)控制或其他對(duì)可靠性要求較高的液動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等。