600 MW机组汽轮机DEH伺服控制系统双冗余改造

胡海军

(广东珠海金湾发电有限公司， 广东珠海 519000)



600 MW机组汽轮机DEH伺服控制系统双冗余改造

胡海军

(广东珠海金湾发电有限公司， 广东珠海 519000)

摘要：根据汽轮机DEH伺服控制系统安全设计和相关标准，提出了汽轮机DEH伺服控制系统冗余改造方案，大大减少了因伺服控制系统LVDT、伺服卡等装置配置不当造成汽轮机阀门波动的可能性，从而提高汽轮机DEH系统的可靠性。

关键词：汽轮机DEH控制系统； 双冗余控制； 阀位反馈

汽轮机数字式电液控制系统(DEH)伺服控制系统安全可靠性不高，可能造成汽轮机控制不稳，严重时导致机组非计划停运，甚至损坏汽轮机部件。目前投运的大型火电机组DEH多由汽轮机制造厂家配套提供，由于安全理念和设计思路不同，部分DEH存在一定的安全隐患，也曾多次引起保护误动作。笔者介绍了一种国产600 MW机组DEH伺服控制系统的双冗余改造案例，此改造大大减少了因伺服控制系统线性可变差动变送器(LVDT)、伺服卡等装置配置不当造成汽轮机阀门波动的可能性，从而提高汽轮机DEH的可靠性。

1DEH伺服控制系统概况

某发电公司汽轮机是N600-24.4/566/566型超临界中间再热凝汽式汽轮机，其DEH伺服控制系统示意图见图1。

汽轮机运用由纯电调和液压伺服系统组成的DEH， 其控制部分和机组DCS为一体化设计，采用I/A S分散控制系统，伺服控制部分采用汽轮机制造厂FBMSVH伺服模块。

FBMSVH伺服模块接收DEH给出的阀门设定值信号，根据安装在阀门(油动机)上的LVDT调制解调出行程反馈信号，通过闭环控制对油动机伺服阀(MOOG阀)发出电流信号调整阀门开度，同时输出阀位开度反馈至DEH[1]。当汽轮机超速时，DEH发出的OPC清零指令信号至各高、中压调节阀伺服模块，将阀门关闭。当汽轮机跳闸时，DEH发出的跳闸清零指令信号送至所有阀门伺服模块，将阀门关闭。伺服模块采用±15 V直流双路冗余电源。

FBMSVH伺服模块通过调整电位器LVDT-S、LVDT-Z来调整LVDT输出电压，通过调整电位器R-S、R-Z来调整阀位输出电流，通过设置拨码开关S-1、S-2、S-3、S-4来设置闭环控制的比例和积分作用(见图2)。

2改造前的伺服控制系统

改造前的伺服控制系统存在以下问题：

(1) 阀门(油动机)行程的测量使用单支LVDT，系统设计不支持双支LVDT冗余配置。由于LVDT线圈磨损、接线松脱等原因，会造成阀门误关闭或打开，不利机组安全运行。

(2) FBMSVH伺服模块存在反馈信号漂移问题，使得阀门控制行程与实际行程存在偏差。当偏差较大时导致调节阀摆动，影响机组的协调控制品质。

(3) FBMSVH伺服模块零位满度调整繁琐，需通过电位器及拨码开关手动调整。

(4) 伺服控制系统硬件损坏率高。

(5) 伺服控制系统的自动化程度低，无法监视系统内各实时参数，如LVDT电压、阀门设定值电压、伺服阀(MOOG阀)指令电流等，没有基本的故障自诊断功能，无法测试阀门迟缓率[2]。

(6) 汽轮机的伺服控制系统部分阀门FBMSVH伺服模块OPC/TRIP硬接线清零功能不正常，严重影响机组安全运行。

3DEH伺服控制系统双冗余改造

3.1 XDC800双伺服控制系统

针对该机组DEH原伺服控制系统存在的问题，结合国内DEH伺服控制系统主流设计理念，该机组汽轮机阀门伺服控制回路冗余改造最终采用XDC800双伺服控制系统。该系统为1个油动机配置2套伺服模件及端子板，分别输出一路伺服信号到伺服阀，接收一路位移反馈信号LVDT到伺服模件，构成伺服系统冗余双闭环回路，保证伺服系统的高可靠性。2块伺服控制模块接受同一阀门的2路指令信号(4～20 mA)，并根据2路LVDT反馈信号智能高选，计算伺服线圈电流的大小，实现对阀门位置的控制(见图3)。

改造后的伺服控制系统为数字控制系统，包括1台上位机、2台控制处理器、3对以太网通信模块、1块DO模块和20对伺服模块及端子板，新系统采用2路24 V直流电源冗余供电。

改造后伺服控制系统的功能示意图见图4。

上位机通过双绞线和xCU控制权连接， 作为系统的人机接口，可监视系统内各参数，如LVDT电压、阀门设定值电压、MOOG阀指令电流等。通过上位机对各伺服模块进行参数设置调整，也可对报警逻辑等进行组态，并可实现对各油动机迟缓率的测试功能(原系统无法实现该测试)。

xCU控制器和xCC以太网通信模块也通过双绞线连接，控制器主要实现各逻辑控制功能，而以太网通信模块的功能是各IO模块和控制器之间的数据交换。以太网通信模块、DO模块和xSV伺服模块都连接在内部总线上，伺服模块和端子板则采用预制电缆连接。

xSV模块采用数字电路设计，其核心为高性能16位单片机，因此相对原FBMSVH伺服模块的模拟电路，有较好的稳定性，避免电位漂移。

3.2 伺服系统智能选择

改造后的伺服控制系统采用的双冗余闭环控制回路，汽轮机各阀门改造时都配置了双伺服卡及端子板，现场均安装了双LVDT。该伺服系统的控制是智能选择的，整个闭环控制的循环时间为10 ms，其中的A/D部分②实现DCS控制指令信号和LVDT的反馈信号的采样。板载CPU①对采得的信号进行判断和计算，计算结果从D/A部分③输出，并经功放环节④驱动后即为伺服阀线圈控制电流。

在伺服阀线圈控制电流输出的最后环节，串联一个自杀继电器，在模块发生故障时可以通过控制这个继电器，实现故障模块的切除(见图5)。

3.2.1 LVDT智能高选位置反馈方式

DEH的阀门执行机构是阀门位置伺服控制回路组成的闭环控制装置，跟随阀门移动的阀门位移传感器将阀门的位置信号转换为电气信号，作为伺服控制回路的负反馈。计算机输出的阀门位置指令信号与阀门位置反馈信号相等时，阀门被控制在某一位置。可见阀门位置反馈信号在阀门伺服控制回路中是一个非常重要的信号。该信号的可靠性直接关系到闭环控制装置的可靠性。一般选用可靠性比较高的LVDT作为位置反馈的传感器。通常的反馈方式有：LVDT单通道位置反馈，LVDT双通道高选位置反馈，LVDT智能高选位置反馈以及三冗余反馈几种方式。改造后采用的是LVDT智能高选位置反馈方式。该方式增加LVDT信号偏差大报警、自动判别并切除故障信号，信号超出正常范围则输出为低限值，以便高选另一个正常值等逻辑判断能力，使两只LVDT实现真正的双冗余，将系统故障率降到最低。具体判断如下：

(1) LVDT断线判断。

V(all)=V(满位)-V(零位)

(1)

当V(输入)<[V(零位)-10%V(all)]或者V(输入)>[V(满位)+10%V(all)]时，即LVDT电压超出正常量程的10%时，判断对应的LVDT断线，自动选择另一支LVDT信号。

(2) LVDT高选。

当两支LVDT电压都正常时，随机选择一路LVDT进行控制(假设选择第一路LVDT电压控制)，当|V(a)-V(b)|>0.08 V时，V=Max(V(a),V(b))，切换到第二路LVDT控制，当|V(a)-V(b)|>0.08 V时，V=Max(V(a),V(b))，再次切换到第一路LVDT控制，如果电压没超过0.08 V，则继续在第二路LVDT控制。

(3) 当两支LVDT都断线时，V=5 V，关闭阀门。

3.2.2 DCS指令智能低选

改造后的DEH伺服系统同一阀门的两块伺服卡的DCS指令信号实现智能低选，此功能设计达到国内先进水平。具体判断如下：

(1) 当伺服指令偏差值|C(a)-C(b)|<10%时(0%

(2) 当伺服指令偏差值|C(a)-C(b)|>10%时(C=Min(C(a),C(b)), 两块卡件均输出C到伺服阀。

(3) 报警1，伺服指令偏差大于5%，即0.2 V时报警。

(4) 报警2，当伺服指令偏差大于10%，即0.4 V时报警。

(5) 指令范围为4～20 mA，当指令小于2 mA时，认为断线，此时跟踪另外一块卡的伺服指令。

4结语

该机组DEH伺服控制系统冗余改造后，实现了阀门控制系统的冗余切换功能，即在单侧LVDT故障、接线松动、伺服卡件等故障的情况下，均可实现阀门无扰切换；同时增加了上位机，可实时监测双路LVDT、MOOG阀电流、伺服卡等运行情况，发生故障提前告警、提前检修；冗余模块和端子板支持在线热插拔，可不停机无风险对部件进行替换检修，缩短检修时间，降低维护风险；伺服模块更换方便，只需将调试后备份的参数导入新的模块即可，使得系统的可维护性得到显著改善；提高了控制调节效果，由于消除了电位漂移现象，解决了阀门控制行程与实际行程存在偏差的问题，使得汽轮机阀门控制精度较原系统高，尤其表现在机组启动时的转速控制更平稳，同时机组运行时负荷控制更稳定；冗余系统配置的两个伺服端子板都可以输出LVDT高选后的阀门反馈信号，目前只有一个端子板的反馈信号输出至DCS，另外一个端子板的反馈信号输出可以专门用于试验使用，大大降低了机组运行时进行相关试验的风险。

参考文献：

[1] 杨庆柏，郭永树. DEH的执行机构[J]. 东北电力技术,1998,19(8):27-29.

[2] 朱北恒，孔长生. 火电厂热工自动化系统试验[M]. 北京：中国电力出版社,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

作者简介：胡海军(1980—)，男，工程师，主要从事汽轮机热控系统维护工作。E-mail: jinwanhhj@163.com

中图分类号：TK323

文献标志码：A

文章编号：1671-086X(2016)03-0202-04