天鐵動力6#TRT靜葉伺服控制系統(tǒng)改造

呂晶

（天津天鐵冶金集團動力廠，河北涉縣056404）

天鐵動力6#TRT靜葉伺服控制系統(tǒng)改造

呂晶

（天津天鐵冶金集團動力廠，河北涉縣056404）

針對天鐵動力6#高爐煤氣余壓發(fā)電機組（6#TRT）靜葉伺服控制系統(tǒng)靜葉不同步，造成機組連接板斷裂事故，分析了其發(fā)生原因，通過改造液壓系統(tǒng)和自控伺服系統(tǒng)，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，消除了由于靜葉不同步而引起的設(shè)備故障現(xiàn)象，提高了機組運行周期，提升了發(fā)電效率，取得了較好的經(jīng)濟效益。

余壓發(fā)電；靜葉；伺服控制；同步；改造

1 引言

天鐵集團2 800 m3高爐配備了一臺額定功率為15 600 kW的TRT發(fā)電機組（下稱6#TRT）。TRT高爐煤氣余壓發(fā)電機組，利用高爐煤氣爐頂煤氣壓力和溫度，推動透平機旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動發(fā)電機發(fā)電。在運行過程中出現(xiàn)了靜葉不同步現(xiàn)象，造成機組連接板斷裂等項設(shè)備故障，嚴(yán)重影響設(shè)備安全運行。針對以上現(xiàn)象，對靜葉不同步的原因進(jìn)行分析，提出了改造靜葉伺服控制系統(tǒng)方案，由此解決了靜葉不同步問題，提高了機組的運行周期，降低了機組故障率，增加了發(fā)電量，取得了較高的經(jīng)濟效益。

2 工作原理

2.1 靜葉機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

靜葉調(diào)節(jié)是TRT透平機重要的執(zhí)行機構(gòu)，靜葉的開度大小和精度是保證TRT發(fā)電機組發(fā)電量和高爐爐頂壓力穩(wěn)定的關(guān)鍵，靜葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由伺服電動機、調(diào)節(jié)缸、連接板、導(dǎo)向桿等部件組成。調(diào)節(jié)缸由上下兩個部分組成，通過導(dǎo)向桿、導(dǎo)向滑座、支撐底座與透平機相連。導(dǎo)向桿是正常落于導(dǎo)向滑座內(nèi)孔上。調(diào)節(jié)缸驅(qū)動由液壓油缸驅(qū)動，驅(qū)動介質(zhì)為12 MPa的液壓油，靜葉伺服缸結(jié)構(gòu)原理見圖1。

2.2 靜葉伺服控制系統(tǒng)原理

6#TRT控制系統(tǒng)是根據(jù)高爐頂壓壓力的給定值和反饋值計算出靜葉開度的目標(biāo)值，然后作為本系統(tǒng)定值送入伺服放大器，伺服放大器將給定值與位移傳感器檢測到的靜葉實際開度進(jìn)行比較，求出偏差，在對偏差值進(jìn)行PID運算，然后輸送到電液比例閥。

圖1 靜葉伺服缸結(jié)構(gòu)圖

改造前靜葉伺服控制系統(tǒng)是利用一套電液比例閥控制兩個油缸，通過兩個油缸的伸縮來調(diào)節(jié)靜葉開度，從而達(dá)到自動控制高爐頂壓的目的。另外還設(shè)置了2個電磁閥，通過電液換向器對靜葉開關(guān)控制。當(dāng)伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可利用電磁閥對靜葉進(jìn)行控制。該系統(tǒng)在一側(cè)伺服油缸上裝有一組閥位傳感器，輸出4～20 mA模擬量信號，用于檢測和控制靜葉開度，該控制系統(tǒng)流程見圖2。

圖2 6#TRT原有靜葉控制系統(tǒng)

3 故障現(xiàn)象及原因分析

3.1 故障現(xiàn)象

該設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)透平機兩側(cè)伺服缸動作不同步，最大動作幅度誤差可達(dá)20 mm左右，靜葉調(diào)節(jié)缸兩側(cè)的滑道也隨之變形，靜葉曲柄滑塊與滑道的內(nèi)摩擦力增大，曲柄滑塊有不同程度的磨損，靜葉關(guān)閉后間隙增大而且不均勻，設(shè)備運行一段時間后，調(diào)節(jié)缸變形、連接板斷裂、固定連接板和調(diào)節(jié)缸之間的螺栓或定位銷斷裂，調(diào)整高爐頂壓的精度下降，開機過程中轉(zhuǎn)速難以控制，嚴(yán)重影響了6#TRT和高爐正常運行。由于機組故障率高，TRT機組運行周期很短，影響了發(fā)電量的同時也增加了人力物力的消耗。

3.2 原因分析

針對出現(xiàn)的設(shè)備故障現(xiàn)象，結(jié)合原有設(shè)備結(jié)構(gòu)特點，分析原因如下：

（1）控制系統(tǒng)只有一個閉環(huán)控制，2個并聯(lián)的伺服缸，只由一套比例閥控制，設(shè)計不合理。

（2）兩個伺服缸負(fù)荷不會絕對平衡。在TRT運行過程中，由于煤氣中含有的水分和各種雜質(zhì)，靜葉活動部位容易結(jié)垢、積灰，使伺服缸驅(qū)動力矩增大，力矩的不平衡也隨之增大。

（3）兩個伺服缸的供油和回油管路沿程阻力不可能完全一致，動力油的流速會有偏差。

（4）兩個伺服缸的容積、截面積存在制造誤差，運行期間，由于受力不均，還有可能造成滑竿變形。

（5）兩個伺服缸活塞與缸壁之間的間隙不會完全一樣，泄漏率不會相同。

（6）在后期的摸索改造過程中，將調(diào)節(jié)缸導(dǎo)向桿一側(cè)設(shè)計為圓形閉口，而另一側(cè)為扁形開口，雖然能克服一些不平衡的外應(yīng)力，但兩側(cè)的摩擦阻力會不等，也會造成靜葉不同步。

4 改造內(nèi)容

4.1 提出改造方案

（1）將原有的閥臺更換成精度更高的比例閥，將5#TRT的液壓伺服系統(tǒng)更換至6#TRT使用，比例閥的調(diào)節(jié)精度有所提高。但運行不到3個月，還是出現(xiàn)了同樣的故障，該方案不可行。

（2）利用TRT機械部分改造的機會，將靜葉伺服控制系統(tǒng)徹底改造，將原來靜葉伺服控制系統(tǒng)改為兩套控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分為主系統(tǒng)和副系統(tǒng)，每個系統(tǒng)各帶有2個比例閥，分別對靜葉伺服缸進(jìn)行同步控制。通過控制系統(tǒng)的PID運算和起跳點等參數(shù)的設(shè)置，使靜葉伺服缸達(dá)到同步控制。

4.2 液壓系統(tǒng)改造措施

將油缸的油路系統(tǒng)改為閉環(huán)控制，使靜葉動作幅度較大時，液壓油壓力不損失，節(jié)能降耗，消除液壓脈動，使壓力穩(wěn)定；在普通移傳感器的基礎(chǔ)上增加一路位移傳感器、雙路反饋系統(tǒng)，監(jiān)測油缸同步真實趨勢，提高伺服器的同步的一致性；增加手動液壓系統(tǒng)，便于PV值調(diào)節(jié)；增加伺服機構(gòu)前端的截止閥，便于檢修。

增加兩套比例閥后，可以解決一套比例閥控制室的一些缺陷，但也存在一些新的問題，由于現(xiàn)在的設(shè)計是分別控制兩邊的伺服油缸，而油缸間由剛性接部件連接，所以如果兩邊的油缸有一些不同步，即出現(xiàn)油缸液壓湍流和頻振，斜拉力增大引起高頻剪切。尤其出現(xiàn)比例閥卡住，或者人為的操作失誤，可能會出現(xiàn)不同步，甚至產(chǎn)生較大故障。為此對液壓系統(tǒng)進(jìn)行如下改造：

（1）當(dāng)一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，靜葉無法控制，所以增設(shè)另外一套系統(tǒng)，和第一條系統(tǒng)冗余配置。

（2）將液壓油路進(jìn)行一些調(diào)整，在原有系統(tǒng)中增加2個比例閥，在兩側(cè)的伺服油缸上各加2個傳感器，分別檢測兩套系統(tǒng)的同步性。

（3）2個比例閥后面再加4個截止閥，遠(yuǎn)程操作時，第二套冗余系統(tǒng)處備用狀態(tài)，所有控制閥都處于打開的狀態(tài)。

（4）當(dāng)主控制系統(tǒng)鎖位時，不必解鎖，這是為了防止冗余系統(tǒng)的比例閥泄露導(dǎo)致的油缸跑位。冗余系統(tǒng)比例閥下面的這4個截止閥必須全部關(guān)上。4.3 自控伺服系統(tǒng)改造措施

當(dāng)一組伺服控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，靜葉需要關(guān)閉，才能滿足高爐和TRT生產(chǎn)工藝要求，由此增加了一套伺服控制系統(tǒng)，和原有系統(tǒng)冗余配置，通過西門子S7-200PLC及相關(guān)的連鎖保護(hù)來實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的切換。當(dāng)靜葉出現(xiàn)鎖位的情況時，要先使主控制系統(tǒng)打到現(xiàn)場狀態(tài)，再給冗余系統(tǒng)一個DI信號后，通過控制信號SP和冗余系統(tǒng)的反饋信號PV3、PV4調(diào)整操作伺服油缸A、伺服油缸B。改造后的靜葉伺服控制系統(tǒng)見圖3。

圖3 改造后的液壓伺服控制系統(tǒng)

由于冗余系統(tǒng)在故障條件下使用，超差鎖定將取消，報警的顯示也會取消（基本的報警設(shè)備電控箱面板有顯示）。但出現(xiàn)SP、PV丟失的故障，此時必須要鎖位，否則油缸伺服器會向反方向出現(xiàn)偏差。PV3、PV4兩個閥位反饋值通過一進(jìn)兩出隔離器分別在微機和數(shù)顯表顯示。

主控制系統(tǒng)和冗余控制系統(tǒng)操作不能同時在自動狀態(tài)操作。如果處于自動狀態(tài)，主系統(tǒng)中SP跟PV1、PV2比較，冗余系統(tǒng)中SP跟PV3、PV4比較，SP可以是相同的，PV1、PV2與PV3、PV4不可能設(shè)置的完全相同，這就可能發(fā)生震蕩的現(xiàn)象。主系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)來實現(xiàn)切換，保證主系統(tǒng)和副系統(tǒng)不能同時在自動狀態(tài)下運行。副系統(tǒng)增設(shè)2個按鈕，用于在自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時手動將靜葉關(guān)閉。主系統(tǒng)還將保留手操閥控制，便于檢修調(diào)試使用。

4.4 相關(guān)參數(shù)的設(shè)定

由于現(xiàn)在的設(shè)計是分別控制兩邊的伺服油缸，而油缸間由剛性部件連接，所以如果兩邊的油缸有一些不同步，即出現(xiàn)油缸液壓湍流和頻振產(chǎn)生，斜拉力增大引起高頻剪切。尤其出現(xiàn)比例閥卡住，或者人為的操作失誤，可能會使兩側(cè)靜葉出現(xiàn)不同步，甚至產(chǎn)生較大故障。

目前的控制邏輯中有SP（設(shè)定值）、PV（反饋值）超差鎖定設(shè)為15%，0.5 s延遲；PV1和PV2超差鎖定設(shè)定為3%，0.5 s延遲；SP、PV1、PV2有一組數(shù)據(jù)丟失則靜葉鎖定。這些鎖位條件在滿足故障解決的情況下可以自動解鎖。在控制信號為0%時，無超差鎖定。

在生產(chǎn)過程中，透平機靜葉鎖位后，需要把靜葉調(diào)至全關(guān)的位置才能滿足工藝要求，如果比例閥出現(xiàn)問題或者SP、PV1、PV2丟失，可以啟動第二套控制器來實現(xiàn)全關(guān)和控制，由此解決了用兩個手操閥控制兩個油缸不同步，而損壞連接板的風(fēng)險性。

5 結(jié)論

通過對6#TRT靜葉伺服系統(tǒng)改造，透平機兩側(cè)靜葉角度偏差可控制在±1.0%以內(nèi)，設(shè)備運行半年來，沒有出現(xiàn)過連接板斷裂、緊固螺絲或定位裂松動等故障，故障率降低，發(fā)電效率得到提升，提高了經(jīng)濟效益。另一方面，增加了一套冗余的靜葉控制系統(tǒng)，提高了設(shè)備運行的安全性。調(diào)整高爐頂壓的精度也有所提高，基本控制在±2 kPa以內(nèi)，保證了高爐穩(wěn)定生產(chǎn)。

Revamp on Stator Blade Servo Control System of Tiantie Power Plant TRT 6

LV Jing
(Power Plant,Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She County,Hebei Province 056404,China)

The paper analyzes the cause of the incident of connection plate breakage due to the asynchrony of stator blade at the servo control system of TRT 6 unit set of Tiantie Power Plant.The hydraulic system and automatic servo system are modified and relevant parameters set.The equipment failure caused by stator blade asynchrony is eliminated.The running cycle of unit set is increased and power generation efficiency improved.Good economic benefit has been gained.

TRT;stator blade;servo control;synchrony;revamp

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.06.011

2014-06-15

2014-07-05

呂晶（1981—），男，工程師，主要從事電氣自動化技術(shù)管理工作。