某核電廠1 000 MW汽輪機高壓調節閥伺服閥閥位指令與反饋偏差大原因分析及評價

張振潭,楊 剛,龍 彬

(廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001)

0 引言

某廠汽輪機為單軸、三缸、半速、凝汽式、百萬千瓦等級核電汽輪機組，并具備外部去濕和再熱裝置。汽輪機調節系統采用SIEMENS公司生產的汽輪機數字電液調節系統(DEH)。機組高壓缸配置有4組主汽門調節汽門組件，每組包含一個主汽門和一個調門，對稱地布置在高壓缸的兩側，每個閥門配置1個油動機作為液壓控制系統的執行機構。調節系統核心部件電液伺服閥是博世力士樂公司生產的4WS2EM16系列四通伺服方向閥，接收系統傳遞來的電信號，并把電信號轉換成能夠控制電液伺服閥的負載流量信號，從而使系統輸出較大的液壓功率，用以驅動相應的執行機構，同時也把閥位反饋給伺服閥，實際閉環調節，最終實現對高壓調節閥閥位進行精確、快速的控制。

某次大修結束啟機前做嚴密性試驗，設置蒸汽流量需求為30%，高壓四組閥門開始動作，動作信息如下：1#閥開度6.84%；2#閥開度8.97%，并有關小趨勢；3#閥開度9.10%；4#閥開度6.77%。其中2#閥觸發閥位指令與偏差報警。經過對該報警控制器進行下裝，下裝后重新動作閥門，閥門動作正常，閥位指示正確，報警未再發生，但存在閥位指令與偏差偏大的問題。

電液伺服閥的性能和可靠性將直接影響系統的性能和可靠性，是汽輪機調節系統中關鍵元件，因此本文深入分析該偏差產生的原因及對汽輪機調節系統的影響。

1 伺服閥工作原理

1.1 伺服閥結構及原理

雙噴嘴擋板式電液伺服閥由力矩馬達、噴嘴擋板構成的第一級電液轉換與功率放大和第二級滑閥液壓功率放大組成。力矩馬達由永久磁鐵、制線圈及將彈簧管、反饋桿、擋板、銜鐵組合在一起的銜鐵組件組成[1]。反饋桿小球插在閥芯中間的槽內。

噴嘴擋板級由1個回油節流孔、2個固定節流孔和2個噴嘴擋板可變節流孔組成。當給控制線圈輸入正或負電流信號時，在力矩馬達的固定磁通和控制磁通相互作用下，力矩馬達將輸出成比例的正或負力矩，擋板輸出一定位移，從而使2個可變節流孔液阻發生變化，噴嘴擋板級向閥芯兩端輸出相應的負載流量和負載壓力，驅動閥芯向相應的方向運動。閥芯運動將帶動反饋桿運動，產生的反饋力矩反饋到力矩馬達上，直到反饋桿反饋力矩，噴嘴擋板的液壓力矩和輸入電流信號產生的電磁力矩相平衡時，閥芯將停止運動。

1.2 伺服閥對閥位控制的原理

閥位指令與閥位反饋相減后的偏差經過放大器運算后，轉換成電流信號作用在伺服閥上，接著液壓缸流量發生變化，驅動閥門動作，產生位移信號，繼續與閥位指令作差運算，實現閉環調節[2]。

1.3 DEH系統中伺服閥控制邏輯

考慮機組安全，伺服閥設計為在失電情況下持續泄油，使閥門關閉，即保證一定的正遮蓋。同時由于制造、調整和裝配的差別，伺服閥存在機械零偏，因此，在控制線圈中不加電流時，滑閥不在零位，必須施加一定的電流才能使其恢復零位，該電流值即AP值，每次大修后重新標定。當|Y|≤Y0時，控制閥口關閉；當|Y|>Y0時，有連續液流流過某一控制邊。

伺服閥實際工作點：Y1=Y2=AP+BS+X；BS為顫振信號，1%，使閥門小幅動作，防止卡澀；X為閥位偏差信號=(指令-反饋)×20；Y1/Y2為伺服閥實際工作點。汽輪機蒸汽需求量與閥門開度的關系必須要精準地監視且反饋，避免出現卡澀現象，因此當閥門開度反饋無法跟上蒸汽需求指令時，即滿足：|X|>AP×KAP(其中KAP=0.85為比例系數)，就會出現FAP報警。

2 偏差大原因分析

通過對伺服閥工作原理的分析，發現影響指令與閥位反饋偏差偏大的因素主要有以下幾方面。

2.1 控制回路故障

若控制器兩列CPU某一點的2個計算值出現偏差，則有可能導致偏差過大，經過對控制器進行下裝，下裝后重新動作閥門，閥門動作正常，閥位指示正確，仍存在偏差大，排除控制回路故障可能性。

2.2 汽輪機調節閥輕微卡澀

大修中為驗證閥門的活動性和保護通道安全性，執行了閥門活動性試驗，無任何閥位控制器輸出故障，并且閥門活動正常，無卡澀現象。該閥快關時間：240.4 ms(A列)；240.9 ms(B列)，標準為220%±10%。同時調取快關錄波曲線觀察，閥門動作平穩無異常，排除調節閥輕微卡澀的可能性。

2.3 AP值標定偏差

大修中，執行了汽機閥門特性試驗，對AP值重新標定。首先將舊AP值、抖動值BS設置為0，然后將閥門限值分別設置成10%、30%、50%、70%，記錄AP值，同樣利用伺服閥中位自鎖機能，選取最大值20.41%作為AP值寫入程序。

新AP值標定完成后，執行再鑒定，驗證AP值準確性，再次給予閥門25%/50%/75%開度指令，Y1/Y2輸出均在新AP值±2%范圍內，新AP值合格，可補償伺服閥機械零點，排除AP值標定偏差。

2.4 機械零位漂移

該伺服閥具有中位自鎖功能，當調節閥閥位穩定后，可以得到伺服閥處于中位，即此時施加的全部電流信號恰好使伺服閥處于機械零位，即此時的平衡機械零位的實際AP值等于Y1(Y2)。

查詢大修中標定的AP=20.41%；閥位穩定后，調取CPU中運行數據得到閥位指令與偏差為-0.56%。根據公式：AP+BS+X=Y1=Y2。

Y1=Y2=20.41%+1%+(-0.56%)×20=10.21%

即實際AP=10.21%，意味著機械零位發生改變，從標定的20.41%變到10.21%左右。同時查看并網后閥門指令/反饋數據，檢查AP值與伺服閥Y1/Y2輸出，Y1/Y2輸出在只有在7%～9%波動，最大不超過10%。因此，該偏差過大產生的原因為機械零位發生漂移，導致AP值變化，而導致漂移原因為滑閥輕微卡滯，且在快速開啟的過程中導致。

3 汽輪機調節功能分析

3.1 AP值對調節功能的影響

汽機調閥有負荷調節功能和汽機保護功能，評判閥門負荷調節性能和保護功能均依據閥門動作時間。快開時間用于評估調閥的負荷調節性能，快關時間用于評估調閥的保護功能。通過調整機械零位試驗記錄不同AP電流值下，閥門的快開時間和閥門快關時間如下：根據試驗結果可以確定伺服閥不同AP值對調閥保護功能(快關)無影響。

不同伺服閥AP值設定對調閥負荷調節響應速度和響應時間存在影響：AP值為20%附近時，快開時間最小，閥門動作效應最快，同時通過曲線分析，AP值在20%±5%范圍內，伺服閥響應快，快開時間小；AP電流值降低為10%或者上升到30%附近時，閥門快開時間大概增加20 ms；綜合判斷AP電流值為10%～30%，對調閥的負荷調節功能的影響是可以接受的。目前伺服閥實際AP值在10%左右，對調節功能影響可接受。如圖1所示。

圖1 AP值對快開和快關時間影響曲線

3.2 偏差對調節功能的影響

在30%、50%、100%蒸汽流量需求平臺下做嚴密性試驗，以及升功率過程、滿功率平臺、一次調頻試驗期間、閥門活動性試驗中、日常運行中都未觸發閥位控制器輸出故障報警，并且該偏差0.56%穩定在各功率平臺，該穩定偏差不影響調節功能。

4 結語

電液伺服閥在系統中起著電液轉換和功率放大的作用，它的性能可靠性將直接影響系統的性能可靠性，是汽輪機調節系統中的關鍵元件。因此，對所有的偏差都應該予以足夠重視。本文通過對伺服閥工作原理以及偏差過大原因的分析，得出該偏差對汽輪機調節功能的影響如下。

1)伺服閥機械零位漂移導致了閥位指令與閥位反饋偏差過大，但該偏差不影響汽輪機的調節功能。

2)伺服閥的AP電流值設定對調閥保護功能(快關)無影響；對調閥負荷調節響應速度和響應時間(快開)存在影響：推薦AP值標準為(20±5)%，10%～30%為可接受范圍。

3)當發生FAP報警時，根據伺服閥中位自鎖功能，通過讀取CPU中伺服閥的實際工作點電流和偏差X值，來快速判斷機械零位是否發生變化。