探析提高三菱701F4 燃机高旁气动调阀执行器的可靠性

1 前言

随着电网光伏、风电等绿电比重大幅提高，燃机在电网中调峰作用越来越重要，我公司的燃机顶晚峰启停成为常态。机组频繁启停，旁路系统的可靠工作尤其重要，三菱 701F4 燃机的高旁调阀气动执行器采用HORA公司PA-N2160系列双膜片式直行程调节型[1]气动执行器，配套西门子单作用定位器，气动执行器与调阀阀杆通过夹持式卡套连接成一体。1967 年成立的德国霍尔特 [2] 调节阀有限公司为电站、水务等工业自动化提供了大量的调阀和配套的执行器，精确调节液体和气体介质的流量和压力，西门子气动执行器定位器在电站的自动化控制领域广泛应用。我公司现场使用的仪用空气压力大约 0.5MPa，每台调阀配置一只减压稳压自动排污过滤器，排除仪用空气的油水和杂物，保持气压稳定。停机状态下为保证调阀完全关闭，DCS 系统发出 -5% 的指令，对应的直流电流约 3.6mA。旁路调阀刚开启时调阀开度较小，阀门前后的压差大，蒸汽流速高，管路震动大，容易引起调阀气源连接管路接头松动，定位器紧固螺丝松脱等。

2 高旁调阀气动执行器的工作原理

高旁调阀气动执行器由电信号回路、气源管路和机械部件连接组成。机械连接：高旁减压调阀的阀杆通过合金夹板和气动执行器的输出轴的伸出端连为一体，合金夹板螺栓固定，夹板侧边装有直径 8mm、长度约 50mm 的拨杆，带动定位器的反馈装置，随着调阀的开启和关闭，定位器反馈装置的拨杆带动拐臂做扇形运动。气路连接：0.5MPa 的仪用空气直接与西门子定位器的进气口和气气放大器的进气口连接。高旁调阀气动执行器的定位器单作用控制，定位器有两个接气口，一路接仪用空气进气，另一路输出控制气源（与指令大小相对应的压力控制气源），控制气源接入气气放大器的“控制信号”接气口；气气放大器放大定位器控制气源的通流量，提高气动执行器的响应速度，气气放大器有三个接气口，“IN”端接仪用空气，“CONTROL”端接来自定位器的控制气源，“OUT”端接双膜片气动执行器的下缸进气口，气气放大器输出与指令相对应压力值的大流量气源，带动气动执行器输出杆动作。电信号连接：DCS 系统的指令信号（ .DC）接定位器的指令端子，DCS 的指令也作为定位器的工作电源。定位器反馈信号接入 DCS 系统 AI 卡件 [3] 的测量通道，反馈信号需要 DCS 系统卡件提供直流 24V 方可工作，如果 DCS 系统不需要阀门开度指示，反馈板可以取消。需要注意的是有些品牌定位器在 DCS 系统发出 -5% 的指令（对应的输出直流电流约 3.6mA）时会发出故障报警，应根据 DCS 系统的输出信号选择合适的定位器。特别提醒，所有品牌的气动执行器用定位器指令端子不能直接接入直流 24V 电源，否侧可能会过电压烧损定位器内部控制板。现场试验测得，当 DCS 系统发出指令电流 20mA.DC 时，定位器的指令端口电压约 9V。为了顺利调试阀门行程和其他各参数，调试阀门时，我们一般将 DCS 系统的指令电流强制为12mA.DC，调试完成后释放指令信号。

高旁调阀气动执行器的动作过程：DCS 系统AO 卡件发出的阀门指令传送至西门子定位器，当指令为0%时，进入执行器气缸的气源压力为0MPa，调阀在弹簧力的作用下关闭。指令不为0%时，西门子定位器将接受的指令电信号转换为仪用空气压力控制信号，定位器输出控制气源去控制气气放大器输出气源的压力大小，调阀开启与指令要求的位置，定位器反馈装置的拐臂感应调阀开度，定位器不断比较指令与反馈（开度）的偏差，调整阀门开度，直到偏差趋向 0。由定位器内的反馈板处理后输出与阀门开度相对应的直流电流（4\~20）mA 阀位信号，传送至DCS 系统，西门子定位器的反馈板不参与定位器的闭环控制。

3 高旁调阀气动执行器的故障分类及原因

我厂的燃机高旁系统由 HORA 单控气动执行器和一体化西门子定位器等部件组成，机组刚投运时基本能满足自动控制的需要，经过一段时间的使用，高旁系统的气动调阀执行器故障频发，严重时导致机组不能按时启动、难以正常停机。统计燃机投产近 5 年来高旁调阀发生的故障，分析故障的原因主要是机组启停时，高旁调阀前后的蒸汽压差大，调阀阀芯的通流面积小，经过的高温高压蒸汽流速高，高旁管道内蒸汽流速变化快，引起高旁调阀剧烈震动，大管路长时间的高频率高强度震动引起高旁调阀紧固螺丝松动、控制气源管路连接件松脱、西门子定位器内部元器件接触不良等。按发生故障的分类，主要有以下三种。

（1）气路，气源管路连接接头松动，气动元件密封失效，阀门失控。仪用空气与定位器的气源通过不锈钢仪表管相连，高旁管路震动带动定位器、仪表管共振，引起气动元件接头松动、断裂，引发气气放大器内部控压弹簧变形，密封失效，导致放大器输出的气源压力不稳，调阀开度晃动，严重时，调阀在弹簧力的作用下关闭。

（2）电路，调阀控制精度下降甚至失控，定位器开度异常晃动，定位器无法顺利完成调阀重新整定。定位器反馈装置的核心传感器是一个 3 个引脚（ 0^～10^⋅ ）KΩ 的可变电位器，随着阀门的开度输出相应的电阻值，高旁管路震动，也引起可变电位器内部的动、静触点反复碰撞，动、静触点之间接触电阻发生变化，一段时间后，出现了可变电位器的中间引脚与电位器触点断续接通，电阻变化不连续，阀位反馈装置失效。故障表现：一类故障表现为阀门未动作，但阀门开度大幅晃动，另一类故障表现为阀门在某个开度抖动，或者阀门开关不受指令信号控制。

（3）机械故障，长期管路震动，气动执行器手轮不能进行手动、自动切换，连接件松动。主要原因时执行器的手、自动切换装置内部啮合齿轮损坏，手轮不能带动执行器的阀杆，高强度震动也使气动执行器与阀门阀杆之间的夹板松动，反馈装置拨杆弯曲，定位器反馈装置的塑料锥形螺栓变形，锥形螺栓套接的张紧弹簧失效等，最终阀位反馈装置不能准确感应调阀的位置变化。

4 提高高旁调阀气动执行器可靠性的方法

分析发生的故障，我们采用了以下方法改进高旁调

气路，改变气动执行器定位器与仪用空气的连接方式。拆除原先硬质不锈钢仪表管，仪 用空气和定位器控制单元、仪用空气和气气放大器之间用不锈钢柔性气源管连接，减轻调阀 开启时剧烈震动拉拽气源管，杜绝了长期震动引起气源管接头松动、连接件断裂。仪用空气 的进气总管加装自动排污的过滤器，清除仪用空气内含的油水和杂质。

电路，采用磁感应式位置反馈装置的定位器，费希尔定位器代替西门子定位器。定位器的反馈装置和控制单元分开布置，反馈装置安装在调阀基座上，控制单元固定在震动较小、环境温度较低的场所。分体布置，减轻了连接在调阀基座上定位器重量，杜绝了调阀震动对定位器控制单元的伤害；定位器的反馈装置和控制单元之间软性电缆连接，消除震动和高温对控制单元的影响；控制单元与气气放大器之间用不锈钢柔性气源管连接，消除震动。

定位器反馈装置，拆除原定位器反馈装置拨杆，自制费希尔定位器反馈装置磁条连接件，将磁条与调阀阀杆固定，阀门开关过程中带动磁条移动。在调阀基座上选择合适的位置固定反馈装置和磁条，保证移动的磁条始终在反馈装置感应凹槽的中间，不远离、不擦碰，相对位置符合要求。用费希尔定位器磁条磁场的变化代替西门子定位器的（ 0^～10^⋅ ）KΩ 的可变电位器感受阀门位置的变化，杜绝了反馈装置和调阀之间力的传递和机械连接件的传动间隙。西门子定位器反馈装置是将阀门阀杆的直行程变化转换为反馈装置拐臂的角行程，需要进行正弦校正，费希尔定位器将阀杆的直行程变化转换为同方向磁条移动的磁场变化，不需要进行线性化处理，改进后，反馈装置感应阀位的变化更换灵敏、更加精确。

5 结束语

我们在 #2 燃机高旁调阀按照上述方法实施了费希尔定位器分体改造；#1 燃机高旁调阀采用旧型号的一体化费希尔 6200 定位器，只将气路改成软性连接。改进后使用至今，未发生调阀控制失灵、开度异常的现象，取得了预期的效果。

5.1 高旁调阀气动执行器未改造前频繁出现故障，主要原因是西门子定位器的反馈装置感受阀门行程变化的（ ⋅0^～10^⋅ ）KΩ 可变电位器，不能经受长时间的剧烈震动。今年上半年西门子公司推出了一款磁感应式气动执行器定位器，安装方式和旧型号定位器一样，可以直接替换，我们在#1 机组中旁减温水调阀上试用一台，效果有待观察。

5.2 西门子定位器换用费希尔定位器，反馈装置的转换连接件非常关键，紧固后的磁条在使用过程中不能偏移、抖动、松动，磁条与反馈装置凹槽的相对位置符合费希尔厂家的规定，磁条的起点和终点的标记位与调阀的全关、全开位匹配，磁条的可用行程长度应略大于阀门的实际行程。

5.3 部分厂家出品的定位器 DCS 系统指令低于 0（电流信号低于 4mA .DC）时会发故障报警。例如我公司三菱diasys 控制系统高旁调阀关闭后，指令发出 -5 ，电流信号约等于3.6mA.DC，经测试，西门子定位器和费希尔定位器在此工况下正常使用；ABB 定位器会发出控制回路异常的报警，阀门自动向“断指令信号预设阀位”移动，指令电流低于 4.0mA.DC 时，定位器不能进入参数编辑和行程整定模式。为了顺利整定调阀行程位置，修改定位器内部参数，调阀重新整定时我们预先将 DCS 系统指令强制为 50（电流信号等于 12mA. .DC），阀门调试完成后恢复。重要设备的气动调阀还需要预先设置好断信号、断气源后调阀紧急情况下动作方向和位置[4]。

5.4 整定阀门行程参数前，要检查气动调阀执行器整个气路是否有泄漏，压力测试合格后才开始整定。如果新出品的费希尔定位与老版本的 475 手操器 HART 协议无法连接时，建议使用艾默生公司新出品的trex 手操器 [5]，按照厂家提供的设置步骤完成整定。

两台燃机高旁调阀改造后，近两年除了发生反馈装置支架松动引起开度偏移的小故障，工作基本正常，平时维护人员认真检查设备，细心排查问题，及时消除隐患，提高旁路系统工作的可靠性，保证机组的安全稳定运行。

参考文献：

[1] 国家标准 GB/T4213-2024《气动控制阀》，P6。

[2]《HORA 阀门说明书》，P2。

[3]《400MW 级燃机热控设备检修运行维护调试规程》，P21。

[4]《防止电力身材事故的二十五项重点要求》2023 版，P96。

[5]《费希尔 DVC6200 中文操作手册（2019 版）》，P38。

作者简介：张东良（1970.11-），汉，男，江苏丹阳人，本科，工程师研究方向是：火电热控。