给水泵汽轮机全环节冗余控制系统的研究与应用

摘要：针对火电机组给水泵汽轮机伺服阀、伺服卡、反馈装置等设备发生故障或伺服阀油路堵塞等问题，提出了给水泵汽轮机调节汽阀冗余控制的优化方案，介绍了给水泵汽轮机调节汽阀冗余控制的原理及实现方法。经过现场模型机、静态、动态试验表明： 给水泵汽轮机调节汽阀冗余控制方案可行，具备在线检修能力，提高了给水泵汽轮机的控制系统可靠性。

0 引言

给水泵汽轮机（以下简称“小机”）是火电厂热力循环系统的重要设备之一，小机是电厂给水系统的输送设备，其任务是保证连续可靠的向锅炉供水，其能小机故障会引发给水流量的降低，导致锅炉水冷壁超温，造成机组非停，直接影响着整个机组的安全及稳定。常规火力发电机组通常配置两台50%容量的给水泵汽轮机，两台水泵在线互为备用。伴随基建期节省投资、降本增效，越来越多的大参数机组采用单台100%全容量给水泵汽轮机的配置方式，单台小机在的可靠性也随之降低，经调研国内各大电厂以及运营阶段故障点进行分析，伺服阀、伺服卡、反馈装置等设备的故障率占比较大。因此，因此液压控制系统的优化改造是必要的，为实现小机液压系统全环节冗余，彻底消除单容量 100%小机的液压系统的故障隐患，特以此为题做一下分析：

1.原系统的基本概况

小机调节汽阀油动机为单侧油动机，从供油系统来的压力油经过滤油器后分为两路，一路到快关电磁阀，一路到电液伺服阀。METS保护采用串并联AST电磁阀配置（见图1），接受汽轮机保护系统来的信号。正常工作时快关电磁阀为失电状态，得电后阀门快关。当快关电磁阀接受到保护系统的信号后，电磁阀将控制插装阀的压力油接通回油，使插装阀打开。插装阀连接着油缸活塞的工作腔室和非工作腔室，使活塞工作腔室与非工作腔室连通，活塞两边的油压力平衡。油动机在弹簧力的作用下迅速动作，油缸工作腔室的油迅速返回到非工作腔室，加快了回油速度。

电液伺服阀接受控制系统来的电信号，根据需要将压力油通到活塞打开阀门，或将压力油从油缸中放出，使阀门关闭。控制系统接受阀门的位置反馈信号，和阀位的指令信号比较，发出指令到电液伺服阀，从而将阀门精确控制在所需要的开度。电磁阀块安装在油缸缸体上，上面安装有快关电磁阀、电液转换器（伺服阀）、逆止阀和插装式单向阀。电磁阀块通过内部油路和油缸体油路相连。

电控系统配置情况：阀油动机控制均采用单只外置六线制伸缩式位移传感器（ LVDT），一路交流原级线圈供电及二组次级交流反馈，阀位反馈信号送至 MEH伺服卡，实现阀门控制。MEH控制系统为FOXBORO I/A控制系统，MEH伺服卡采用上海汽轮机伺服卡，配置方式为单卡单LVDT方式。现配置伺服阀、LVDT、伺服卡不具备冗余功能。

2.主要问题及该改造的技术难点

（1）伺服阀、伺服卡、LVDT反馈为单路配置，任一环节故障将造成机组停机。

（2）试验块内部油路仅一路，因油质堵塞或伺服阀卡涩无检修手段。

（3）现场小机伺服控制卡为手动整定，整定准确度及效率低。

（4）冗余伺服阀系统无法在线冗余切换。

3.优化改造的思路及构想

针对以上情况，某厂对S型高压抗燃油调节型油动机进行优化。在调节型油动机原有控制基础上增设一条控制油路，两条油路同时接受MEH指令工作，通过电磁阀选择一投一备。

两侧油路互为备用，当其中一侧油路发生故障时，可在线迅速切换到另一侧油路，从而不影响油动机正常工作。

在元器件油路上设置隔离阀，当元器件发生故障时切换到另一油路控制，此时再关闭该元器件隔离阀，从而实现不停机在线更换。

在MEH控制系统中，伺服卡升级至具备智能整定及高选功能，配置双伺服阀及LVDT反馈。通过逻辑判断可实现调节阀手动/自动无扰切换。

4.方案实施内容及论证

（1）改造后油动机原理图

改造后，两条控制油路同时接收MEH指令并处于工作状态，电磁阀1处于导通状态（失电）使油路1处于工作状态，控制油动机工作；电磁阀2处于断路状态（带电）使油路2处于待命状态。一旦油路1发生故障通过电磁切换使油路2处于工作状态控制油动机工作，油路1则被隔断，可进行在线元器件更换。如图1：

（2）无扰切换试验

本次试验电磁阀对无扰切换进行验证，切换电磁阀确定工作方式为带电阻油，失电进油。经模型机试验手动/自动切换，通过两个切换电磁阀状态改变。在两路并列运行时，即电磁阀1、2同时失电，阀门可满足正常调节；当两路同时断油，阀门维持原开度。考虑同时断油后阀门无法关闭工况，阀门在全厂失电后METS保护触发AST电磁阀失电动作卸油，阀门可通过插装阀（卸荷阀）卸掉压力油，阀门也可关闭。综上结果，切换电磁阀设置合理、可实现无扰切换。

（3）电控系统配置论证

增加冗余控制油路后，电控系统也需相应增加配置。当两套控制系统同时运行时，需满足指令同时作用于伺服阀且偏差为零。因此，在回路设计上进行优化改进。

在调节阀就地安装两只外置式LVDT反馈，分别进入两组高选卡。正常运行时，高选卡1、2同时选定LVDT1作为闭环控制，两组伺服阀配套高选卡同时选择LVDT1，通过高选卡电压偏差设置LVDT2做备用，保证伺服阀输出指令一致性。

（4）运行方式

运行方式为半自动运行，即通过运行人员手动切换电磁阀1、2选择油路控制汽阀，定期工作中增加切换试验。MEH逻辑内部增设必要自动切换条件：如伺服卡故障、指令反馈偏差大。

（5）可行性方案论证

本次改造需试验的主要内容：

1.在线手/自动切换电磁阀对调节阀控制的扰动试验。

2.电控系统控制双伺服阀指令同步性及对汽阀的干扰。

3.双伺服阀热备用、并行工况汽阀状态。

5. 结语

此研究成果已应用于某公司660MW 燃煤发电机组给水泵汽轮机全环节冗余液压控制系统。此产品对于电力行业，尤其大容量超超临界机组（适用于各类型大、小机的液压控制系统）。也可应用于冶金工业、化学工业、船舶工业等行业内重要汽轮机液压控制系统，具有一定推广意义。

参考文献：

[1]上汽给水泵汽轮机控制说明.