伺服驅動式電液轉換器的故障分析與處理

杜 超 李 帥

(杭州中能汽輪動力有限公司)

伺服驅動式電液轉換器的故障分析與處理

杜 超 李 帥

(杭州中能汽輪動力有限公司)

分析汽輪機伺服驅動式電液轉換器的現場故障表現形式，分析其原因并給出了有效的解決方案。

電液轉換器 汽輪機 伺服驅動 故障解決方案

電液轉換器在現代大型化工設備中使用極其普遍，是實現數字控制和集中控制的關鍵設備，關系到控制系統的穩定性和整個生產工藝的穩定運行。汽輪機常用的電液轉換器分為磁動錯油門式和伺服驅動式兩種結構形式，這兩種控制方式代表著不同的控制方法和設計思路[1]。筆者針對某化工廠汽輪機上所用的伺服驅動式電液轉換器出現系統不穩定、帶負荷開機時出現的甩負荷現象，分析原因并給出了相應的解決措施。

1 伺服驅動式電液轉換器簡介

伺服驅動式電液轉換器(Woodward CPC Ⅱ)的工作原理[2]如圖1所示。此控制方式區別于經典磁動錯油門式的控制原理，是采用執行器伺服電機的旋轉角度控制下部開啟窗口的大小得到輸出二次油壓值，并通過壓力變送器測量輸出油壓的壓力串級控制形成控制反饋回路，經過電路板PID計算重新反饋回執行器伺服電機形成閉環控制[3]。

圖1 伺服驅動式電液轉換器工作原理

2 故障現象

電液轉換器大量應用于汽輪機電液調節控制系統中，其穩定、可靠、使用壽命長的特點非常有利于化工企業的生產管理。某化工廠的一臺汽動循環水泵機組采用電液調節作為調節系統。機組油動機采用的是單作用油缸，在閥門關閉時不需要油系統提供動力油壓。通常在現場調試中，電液轉換器很少作為故障點考慮，但在此次調試中多次出現突出的問題。

2.1 系統不穩定性突出

汽輪機空負荷試車時，轉速平穩，系統各環節均正常，油系統沒有較大的波動。汽輪機帶負荷開機后，隨著轉速的逐步提高，波動范圍也相應變大，從最初的20r/min提高到40r/min。通過調整調速器的PID能較為快速地提高系統的穩定性，最終可以正常運行。運行幾個月后停機，再次開機時發現設備無法正常開機，系統穩定性已無法滿足開機要求。從多次調試中發現，靜態時出現二次油超調振蕩明顯，在高閥位信號給定時出現了二次油信號抖動現象。

2.2 帶負荷開機時出現甩負荷情況

在少數幾次帶負荷開機時，前期負荷相對穩定，隨著轉速提升負荷逐步增大，在某一時刻出現功率轉速向下突降，水泵出口單向閥無法穩定開啟的現象。通過時刻對比分析，排除了外部進排汽參數變化引起的負荷波動。通過調取中控數據記錄，發現在低負荷低轉速工況下泵出口單向閥未開啟前也出現了振幅較小的此類波動，由于波動較小，所以在現場開機時并未發現。

3 故障分析

3.1 故障點的排除

在用戶的協助下，通過前期調取中控數據記錄已經排除了蒸汽系統對設備的影響。由于水泵為自灌泵，也排除了泵體內漏氣而產生的負荷波動問題。同時，循環水系統進出水管網壓力穩定，因而也不是管網系統所致。因此將故障范圍限定在汽動泵設備范圍內。

設備靜置數天后，油系統重新開始打油循環，由于當地氣溫較低油溫達不到運行要求溫度，在開始打油的一段時間內，油站內油液位快速下降到最低液位以下，初步判斷是由于油溫低而導致的油品粘度過大所致，待油溫提升后仍然不能滿足最低油位要求。反饋用戶后油位加至正常，同時檢查冷油器等排除系統漏油的可能性。

重新啟動汽動泵觀察發現水泵出口單向閥在未開啟前，存在水泵出口壓力小幅波動的情況。由于壓力的波動直接反映出水泵負荷是存在波動情況的，可以預見隨著轉速的提升負荷波動會進一步增大。

3.2 故障問題的發現

通過系統各環節的反復檢查，并更換油動機和電液轉換器均未使靜態發生根本改變，但調整阻尼閥能讓二次油的不穩定抖動區間發生偏移。為此，進行電液轉換器的對比性試驗。試驗使用一臺磁動錯油門式電液轉換器[4]與3臺伺服驅動式電液轉換器做性能對比。使用不帶蓄能器的調節潤滑油站作為油壓動力來源，使用離心泵作為油站的動力油泵。并且系統中設置一臺與現場完全一致的油動機進行隨動性檢查和系統耗油量匹配。通過結構匹配模擬現場調節油系統的結構構成。

試驗中發現，雖然系統中沒有蓄能器，但磁動錯油門式電液轉換器基本不受外部輸入油壓波動的影響，這一點也從資料中要求輸入油壓大于最高二次油壓150kPa得到證實。伺服驅動式電液轉換器的應用要求相對嚴格，要求進口壓力波動狀況不允許超過最小二次油壓的±5%。參與試驗的3臺伺服驅動式電液轉換器在調整過程中發現，其穩定性不僅受進口油壓波動影響，也與其內部程序卡參數相關。其程序卡軟件設置“性能趨勢和手動操作”下“比例削減(閥限制或從動模式)”的數值設置影響到二次油壓抖動性，即在高閥位信號給定時出現了二次油信號抖動現象。

4 解決措施

通過分析和對比試驗，將電液轉換器程序卡中的“比例削減(閥限制或從動模式)”值設置為1.5，消除了高閥位的二次油抖動現象。調試過程中發現在小閥位開度下，系統穩定性非常高，也沒有超調問題；而通過閥位信號給定較大行程量時，出現了較大的超調量，同時伴隨系統油壓、高壓油和二次油同步波動現象。由于設備的油動機為單作用結構，因此超調現象僅出現在開閥過程中(即從低閥位到高閥位的過程)，而再從高閥位降到低閥位時沒有超調現象發生。由此判斷一方面是由于閥位信號給定過快導致，另一方面也是系統油壓補充不夠及時所致。

在電液轉換器二次油出口位置配置阻尼閥，阻尼閥可以使振動系統中的振動通過阻尼作用使振幅快速下降。關小阻尼閥后二次油的超調有了明顯改善。這是由于給定較大的行程量時，油動機的進油使系統油壓產生了一定的波動，這讓油系統產生了系統性振蕩，因為油的不可壓縮特性，導致振蕩直接傳遞到了二次油。關小阻尼閥，一方面阻尼作用抑制了系統振蕩的傳遞，確保二次油出口的穩定性；另一方面阻尼閥降低了二次油的變化速率，在一定程度上也減緩了油動機開啟的速度，也可以認為延長了系統油壓的振蕩周期。

通過以上措施，設備故障解決，順利開機帶負荷。靜態大閥位特性很少在機組運行中出現，但改善大閥位調整特性能保證信號傳遞的可靠性，也能使機組在某些特定故障下不會出現誤動作，保證機組運行的穩定可靠。

通過對以上故障現象的分析處理，總結出新設備使用中需要注意的事項：

a. 轉速出現類似甩負荷的波動情況在油位加滿后沒有再次出現，說明是由于油泵短暫吸空導致控制油中混入空氣，使調速系統變得不穩定所致，這是設備運行保障中需要重點關注的問題。

b. 伺服驅動式電液轉換器需要穩定的進口油壓，無論是單作用油缸還是雙作用油缸，要盡可能加大蓄能器的容積，以抵消由于油動機進油導致的系統油壓波動，保證在調節過程中進口油壓的穩定性，從而消除二次油的系統波動性。

c. 在調試過程中需對電液轉換器的程序卡做匹配性調整，在靜態下需整定相關PID數據，以保證輸出信號不存在抖動，這是伺服驅動式電液轉換器的特點，需要在調試中特別關注。

d. 適當調整二次油上的阻尼閥對系統油壓有穩定作用，在蓄能器不足的情況下可以降低二次油的變化速率，緩解并減小高壓油的油壓變化量，確保電液轉換器入口油壓穩定性達到廠家要求。

e. 由于汽動泵的開機特點不同于電動泵，很多改造的汽動循環水泵的設計沒有考慮泵的功率特點。因此需要考慮泵出口單向閥未開啟時水泵功率的變化問題。這類問題可參照給水泵，在水泵進出口增加再循環管路確保水泵功率的穩定性。

5 結束語

筆者針對某化工廠汽輪機上所用的伺服驅動式電液轉換器出現系統不穩定、帶負荷開機時出現甩負荷等故障現象的分析處理，明確非汽輪機組非硬件故障的情況下，總結在機組維護與故障分析過程中新設備使用中的注意事項，保證了控制系統的穩定性和整個生產工藝的穩定運行。

[1] 曹柯.蒸汽汽輪機系統的自動控制要點及設計[J].石油化工自動化,2015,51(1): 5～8.

[2] 張燕,許斌海,安連祥,等.CPC-Ⅱ電液轉換器的性能分析[J].化工自動化及儀表,2011,38(12):1524～1526.

[3] 方群,黃增.電液伺服閥的發展歷史、研究現狀及發展趨勢[J].機床與液壓,2007,35(11):162～165.

[4] 魏建華,吳根茂.汽輪機電液控制專用電液轉換器[J].動力工程學報,1995,(2):32～34.

TH137

B

1000-3932(2017)07-0702-03

2016-12-22,

2017-04-01)

杜超(1985-)，工程師，從事汽輪機的設計工作，dc@chinen.cn。