600 MW機組汽輪機DEH伺服控制系統雙冗余改造

胡海軍

(廣東珠海金灣發電有限公司， 廣東珠海 519000)

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600 MW機組汽輪機DEH伺服控制系統雙冗余改造

胡海軍

(廣東珠海金灣發電有限公司， 廣東珠海 519000)

摘要：根據汽輪機DEH伺服控制系統安全設計和相關標準，提出了汽輪機DEH伺服控制系統冗余改造方案，大大減少了因伺服控制系統LVDT、伺服卡等裝置配置不當造成汽輪機閥門波動的可能性，從而提高汽輪機DEH系統的可靠性。

關鍵詞：汽輪機DEH控制系統； 雙冗余控制； 閥位反饋

汽輪機數字式電液控制系統(DEH)伺服控制系統安全可靠性不高，可能造成汽輪機控制不穩，嚴重時導致機組非計劃停運，甚至損壞汽輪機部件。目前投運的大型火電機組DEH多由汽輪機制造廠家配套提供，由于安全理念和設計思路不同，部分DEH存在一定的安全隱患，也曾多次引起保護誤動作。筆者介紹了一種國產600 MW機組DEH伺服控制系統的雙冗余改造案例，此改造大大減少了因伺服控制系統線性可變差動變送器(LVDT)、伺服卡等裝置配置不當造成汽輪機閥門波動的可能性，從而提高汽輪機DEH的可靠性。

1DEH伺服控制系統概況

某發電公司汽輪機是N600-24.4/566/566型超臨界中間再熱凝汽式汽輪機，其DEH伺服控制系統示意圖見圖1。

汽輪機運用由純電調和液壓伺服系統組成的DEH， 其控制部分和機組DCS為一體化設計，采用I/A S分散控制系統，伺服控制部分采用汽輪機制造廠FBMSVH伺服模塊。

FBMSVH伺服模塊接收DEH給出的閥門設定值信號，根據安裝在閥門(油動機)上的LVDT調制解調出行程反饋信號，通過閉環控制對油動機伺服閥(MOOG閥)發出電流信號調整閥門開度，同時輸出閥位開度反饋至DEH[1]。當汽輪機超速時，DEH發出的OPC清零指令信號至各高、中壓調節閥伺服模塊，將閥門關閉。當汽輪機跳閘時，DEH發出的跳閘清零指令信號送至所有閥門伺服模塊，將閥門關閉。伺服模塊采用±15 V直流雙路冗余電源。

FBMSVH伺服模塊通過調整電位器LVDT-S、LVDT-Z來調整LVDT輸出電壓，通過調整電位器R-S、R-Z來調整閥位輸出電流，通過設置撥碼開關S-1、S-2、S-3、S-4來設置閉環控制的比例和積分作用(見圖2)。

2改造前的伺服控制系統

改造前的伺服控制系統存在以下問題：

(1) 閥門(油動機)行程的測量使用單支LVDT，系統設計不支持雙支LVDT冗余配置。由于LVDT線圈磨損、接線松脫等原因，會造成閥門誤關閉或打開，不利機組安全運行。

(2) FBMSVH伺服模塊存在反饋信號漂移問題，使得閥門控制行程與實際行程存在偏差。當偏差較大時導致調節閥擺動，影響機組的協調控制品質。

(3) FBMSVH伺服模塊零位滿度調整繁瑣，需通過電位器及撥碼開關手動調整。

(4) 伺服控制系統硬件損壞率高。

(5) 伺服控制系統的自動化程度低，無法監視系統內各實時參數，如LVDT電壓、閥門設定值電壓、伺服閥(MOOG閥)指令電流等，沒有基本的故障自診斷功能，無法測試閥門遲緩率[2]。

(6) 汽輪機的伺服控制系統部分閥門FBMSVH伺服模塊OPC/TRIP硬接線清零功能不正常，嚴重影響機組安全運行。

3DEH伺服控制系統雙冗余改造

3.1 XDC800雙伺服控制系統

針對該機組DEH原伺服控制系統存在的問題，結合國內DEH伺服控制系統主流設計理念，該機組汽輪機閥門伺服控制回路冗余改造最終采用XDC800雙伺服控制系統。該系統為1個油動機配置2套伺服模件及端子板，分別輸出一路伺服信號到伺服閥，接收一路位移反饋信號LVDT到伺服模件，構成伺服系統冗余雙閉環回路，保證伺服系統的高可靠性。2塊伺服控制模塊接受同一閥門的2路指令信號(4～20 mA)，并根據2路LVDT反饋信號智能高選，計算伺服線圈電流的大小，實現對閥門位置的控制(見圖3)。

改造后的伺服控制系統為數字控制系統，包括1臺上位機、2臺控制處理器、3對以太網通信模塊、1塊DO模塊和20對伺服模塊及端子板，新系統采用2路24 V直流電源冗余供電。

改造后伺服控制系統的功能示意圖見圖4。

上位機通過雙絞線和xCU控制權連接， 作為系統的人機接口，可監視系統內各參數，如LVDT電壓、閥門設定值電壓、MOOG閥指令電流等。通過上位機對各伺服模塊進行參數設置調整，也可對報警邏輯等進行組態，并可實現對各油動機遲緩率的測試功能(原系統無法實現該測試)。

xCU控制器和xCC以太網通信模塊也通過雙絞線連接，控制器主要實現各邏輯控制功能，而以太網通信模塊的功能是各IO模塊和控制器之間的數據交換。以太網通信模塊、DO模塊和xSV伺服模塊都連接在內部總線上，伺服模塊和端子板則采用預制電纜連接。

xSV模塊采用數字電路設計，其核心為高性能16位單片機，因此相對原FBMSVH伺服模塊的模擬電路，有較好的穩定性，避免電位漂移。

3.2 伺服系統智能選擇

改造后的伺服控制系統采用的雙冗余閉環控制回路，汽輪機各閥門改造時都配置了雙伺服卡及端子板，現場均安裝了雙LVDT。該伺服系統的控制是智能選擇的，整個閉環控制的循環時間為10 ms，其中的A/D部分②實現DCS控制指令信號和LVDT的反饋信號的采樣。板載CPU①對采得的信號進行判斷和計算，計算結果從D/A部分③輸出，并經功放環節④驅動后即為伺服閥線圈控制電流。

在伺服閥線圈控制電流輸出的最后環節，串聯一個自殺繼電器，在模塊發生故障時可以通過控制這個繼電器，實現故障模塊的切除(見圖5)。

3.2.1 LVDT智能高選位置反饋方式

DEH的閥門執行機構是閥門位置伺服控制回路組成的閉環控制裝置，跟隨閥門移動的閥門位移傳感器將閥門的位置信號轉換為電氣信號，作為伺服控制回路的負反饋。計算機輸出的閥門位置指令信號與閥門位置反饋信號相等時，閥門被控制在某一位置。可見閥門位置反饋信號在閥門伺服控制回路中是一個非常重要的信號。該信號的可靠性直接關系到閉環控制裝置的可靠性。一般選用可靠性比較高的LVDT作為位置反饋的傳感器。通常的反饋方式有：LVDT單通道位置反饋，LVDT雙通道高選位置反饋，LVDT智能高選位置反饋以及三冗余反饋幾種方式。改造后采用的是LVDT智能高選位置反饋方式。該方式增加LVDT信號偏差大報警、自動判別并切除故障信號，信號超出正常范圍則輸出為低限值，以便高選另一個正常值等邏輯判斷能力，使兩只LVDT實現真正的雙冗余，將系統故障率降到最低。具體判斷如下：

(1) LVDT斷線判斷。

V(all)=V(滿位)-V(零位)

(1)

當V(輸入)<[V(零位)-10%V(all)]或者V(輸入)>[V(滿位)+10%V(all)]時，即LVDT電壓超出正常量程的10%時，判斷對應的LVDT斷線，自動選擇另一支LVDT信號。

(2) LVDT高選。

當兩支LVDT電壓都正常時，隨機選擇一路LVDT進行控制(假設選擇第一路LVDT電壓控制)，當|V(a)-V(b)|>0.08 V時，V=Max(V(a),V(b))，切換到第二路LVDT控制，當|V(a)-V(b)|>0.08 V時，V=Max(V(a),V(b))，再次切換到第一路LVDT控制，如果電壓沒超過0.08 V，則繼續在第二路LVDT控制。

(3) 當兩支LVDT都斷線時，V=5 V，關閉閥門。

3.2.2 DCS指令智能低選

改造后的DEH伺服系統同一閥門的兩塊伺服卡的DCS指令信號實現智能低選，此功能設計達到國內先進水平。具體判斷如下：

(1) 當伺服指令偏差值|C(a)-C(b)|<10%時(0%

(2) 當伺服指令偏差值|C(a)-C(b)|>10%時(C=Min(C(a),C(b)), 兩塊卡件均輸出C到伺服閥。

(3) 報警1，伺服指令偏差大于5%，即0.2 V時報警。

(4) 報警2，當伺服指令偏差大于10%，即0.4 V時報警。

(5) 指令范圍為4～20 mA，當指令小于2 mA時，認為斷線，此時跟蹤另外一塊卡的伺服指令。

4結語

該機組DEH伺服控制系統冗余改造后，實現了閥門控制系統的冗余切換功能，即在單側LVDT故障、接線松動、伺服卡件等故障的情況下，均可實現閥門無擾切換；同時增加了上位機，可實時監測雙路LVDT、MOOG閥電流、伺服卡等運行情況，發生故障提前告警、提前檢修；冗余模塊和端子板支持在線熱插拔，可不停機無風險對部件進行替換檢修，縮短檢修時間，降低維護風險；伺服模塊更換方便，只需將調試后備份的參數導入新的模塊即可，使得系統的可維護性得到顯著改善；提高了控制調節效果，由于消除了電位漂移現象，解決了閥門控制行程與實際行程存在偏差的問題，使得汽輪機閥門控制精度較原系統高，尤其表現在機組啟動時的轉速控制更平穩，同時機組運行時負荷控制更穩定；冗余系統配置的兩個伺服端子板都可以輸出LVDT高選后的閥門反饋信號，目前只有一個端子板的反饋信號輸出至DCS，另外一個端子板的反饋信號輸出可以專門用于試驗使用，大大降低了機組運行時進行相關試驗的風險。

參考文獻：

[1] 楊慶柏，郭永樹. DEH的執行機構[J]. 東北電力技術,1998,19(8):27-29.

[2] 朱北恒，孔長生. 火電廠熱工自動化系統試驗[M]. 北京：中國電力出版社,2005.

Dual-Redundancy Retrofit of a 600 MW Steam Turbine DEH Servo Control System

Hu Haijun

(Guangdong Zhuhai Jinwan Power Generation Co., Ltd., Zhuhai 519000, Guangdong Province, China)

Abstract：According to the design safety principles of a steam turbine DEH servo control system and related standards, a retrofit scheme was proposed for the system redundancy, which greatly reduced the possibility of the turbine valve fluctuations caused by improper configuration of the servo control system LVDT, the servo card or other devices, thus improving the reliability of the turbine DEH servo control system.

Keywords：steam turbine DEH control system; dual-redundancy control; valve position feedback

收稿日期：2015-12-24

作者簡介：胡海軍(1980—)，男，工程師，主要從事汽輪機熱控系統維護工作。E-mail: jinwanhhj@163.com

中圖分類號：TK323

文獻標志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)03-0202-04