摘要：根据汽轮机DEH伺服控制系统系统安全设计和相关标准提出了汽轮机DEH系统伺服控制系统冗余改造方案，大大减小了因伺服控制系统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：DEH控制系统；阀门冗余控制；阀门反馈；国产双伺服控制
1 汽轮机DEH伺服控制系统概况
珠海金湾发电有限公司3、4号机组汽轮机是上海汽轮机厂生产的西屋引进型N600-24.4/566/566型超临界中间再热凝汽式汽轮机。汽轮机运用由纯电调和液压伺服系统组成的数字式电液控制系统， DEH系统控制部分和机组DCS系统一体化设计安装，为上海FOXBORO公司生产I’A S分散控制系统，伺服控制部分采用上海汽轮机厂FBMSVH伺服模块。
DEH伺服控制部分示意图见下图1，FBMSVH伺服模块接收DEH系统给出的阀门设定值信号，根据安装在阀门（油动机）上的线性可变差动变送器（简称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，同时输出阀位开度指示至DEH系统。当汽轮机超速时，DEH系统发出的OPC清零指令信号至各高、中压调阀伺服模块，将阀门关闭。当汽轮机跳闸时，DEH系统发出的跳闸清零指令信号至所有阀门伺服模块，将阀门关闭。伺服模块采用±15V直流双路冗余电源。
图1：DEH伺服控制部分系统示意图
2 汽轮机DEH伺服控制系统改造前存在问题
2.1 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；
2.2 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；
2.3 伺服控制系统的自动化程度低，无法可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，并没有基本的故障自诊断功能，无法测试阀门迟缓率；
2.4 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。
3 汽轮机DEH伺服控制系统冗余改造
金湾公司#3、4机组汽轮机阀门伺服控制回路冗余改造计划采用国产XDC800双伺服控制系统，该系统为一个油动机配置两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指令信号（4~20mA），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。
双伺服系统两个冗余回路是同时工作，不存在主、备用概念，两块伺服模件互相检测对方的控制信号和输出电流，根据控制信号与输出电流的差值来进行品质判断，发现任一故障时故障模块的伺服电流输出继电器自动断开，故障模块自动退出控制回路。此时，正常模块一般在1~2个控制周期内调整阀位保持不变。两块伺服模件都故障时，阀门指令自动归零，阀门全关。在线更换时首先拆除故障模件的伺服阀指令信号线，然后再更换故障模件。恢复时最后接上伺服阀指令信号线。
4汽轮机DEH伺服控制系统冗余改造存在问题与分析
4.1汽轮机DEH伺服控制系统频繁出现误报警
金湾公司#3机组汽轮机DEH伺服控制系统冗余改造期间，机柜上电3天后，汽轮机DEH伺服控制系统上位机频繁接受到卡件故障报警、LVDT故障报警、电源故障报警等信号。经检查确认这些报警都是误报警，分析原因为伺服系统通讯卡件超负荷运行了，导致与卡件通讯件出现通讯堵塞现象，造成报警误发。
汽轮机DEH伺服控制系统硬件配置开始设计时，考虑控制器和通讯模块故障不影响伺服模块工作，即不影响汽轮机阀门的正常控制和运行，仅仅影响DO模块的输出（报警输出），所以考虑经济性，故不对控制器和通讯模块冗余配置。为了解决汽轮机DEH伺服控制系统频繁出现误报警问题，我们首先将通讯卡件采集信息的周期时间延长，观察两周时间，汽轮机DEH伺服控制系统没有再次出现误报警情况。但机组启机并网运行后，卡件的通讯信息增多，汽轮机DEH伺服控制系统再次出现误报警情况，少的时候一周一次，多的时候一周3、4次，#3机组调停期间，通过增加通讯模块和控制器，汽轮机DEH伺服控制系统改造运行一年多了没有再次出现误报警，彻底解决伺服控制系统频繁出现误报警问题。
图2：国产XDC800双伺服控制系统
4.2汽轮机DEH伺服控制系统阀门双支LVDT断线报警设置不合理
金湾公司#3机组汽轮机DEH伺服控制系统冗余改造后进行双冗余功能以下测试：包括位移传感器（LVDT）断线检查、伺服线圈断线检查、XSV模件自杀继电器开路检查、模件/电缆插拔试验、伺服指令断线试验和伺服指令选择试验等。在进行阀门双支LVDT断线试验，阀门关闭、汽轮机DEH伺服控制系统有LVDT故障报警，阀门反馈显示为0，但是输出到DCS上显示的反馈方框是全开，与就地反馈不一致，容易造成运行人员误操作。与国产调试工程师、和研发人员沟通后，研发人员在现场直接修改硬件逻辑。修改逻辑后再次进行阀门双支LVDT断线试验，阀门关闭、汽轮机DEH伺服控制系统有LVDT故障报警，阀门反馈显示为0， DCS上阀位反馈显示为0。
4. 3 汽轮机冲转期间GV3、GV4调门开度与指令不一致
金湾公司#4机组汽轮机DEH伺服控制系统冗余改造后，,汽轮机挂闸准备冲转，运行人员在阀位限制输入指令120%后，GV1-GV4显示指令100%，GV1、GV2阀门反馈100%，而GV3、GV4阀门反馈48%，如图1所示。
图3：GV3、GV4指令反馈显示
热控人员和系统调试人员检查了GV3、GV4伺服卡件的参数设置和内部运行情况后，判断是GV3、GV4指令由0%变化到100%的过程中卡件的“指令低选”保护功能误动作，导致伺服卡件指令保持在低选动作的指令，所以 GV3、GV4接受指令100%了，而输出指令只有48%。热控人员将4号机组伺服卡件中“指令低选”的功能取消，GV3、GV4阀门全开，汽轮冲转并网过程中阀门控制正常。
伺服卡件中“指令低选”保护判断原理如下：在一个控制周期内（约10ms），伺服卡件采样DCS指令，并接收冗余伺服卡件的指令信号，判断两者间的偏差。若偏差大于5%时，发出报警；若偏差大于10%以上时，控制指令选取两者间的低值。
图4：伺服卡件低选保护动作原理示意图
图4中描述了2路冗余的DCS指令在伺服卡件采样瞬间存在的偏差，该偏差与DCS控制周期相关，一般在数十到几百毫秒左右。图中红色线为DCS A路指令，蓝色线为DCS B路指令。而由于DCS上的信号扫描周期为500 ms，而伺服卡件做出“指令低选”的判断周期（10ms）过短，在DCS上指令从0-100%快速变化时，由于伺服卡件扫描周期太快，导致了两块伺服卡接受到指令有偏差，A伺服卡首先扫描到80%指令，B伺服卡要到下个周期才扫描到82%指令，所以表1中的t2刻A卡判断为偏差大并确定低选。此时送到冗余伺服卡件的指令是低选值，这也造成了冗余伺服卡件的判断结果始终是低选值。最终阀门的实际位置也跟随了t2刻采样到的指令低值。
该情况的示列如表1（描述一个阀门两个DCS指令从0%速上升到100%两块伺服卡输出情况）
如表1所述A、B伺服卡件先后误触发了“指令低选”保护，出现自锁现象，就算A、B伺服卡件的指令偏差小于10%了，A、B伺服卡件的选择结果还是取低值，所以在t3/t4时刻，两个伺服卡件都是选择低的指令输出。
为了避免伺服卡件“指令低选”功能再次误动作，在机组运行期间我们先取消“指令低选”功能。在取消“指令低选”功能后，如果两块冗余模块间的指令不一致，对应的阀门将开启在两个指令的平均值位置；即A模块指令60%，B模块指令40%，此时实际的阀门约在50%位置。但这种两个指令出现如此大偏差的故障几率非常低，基本上不可能发生，所以取消“指令低选”功能暂不影响机组正常运行。机组调停期间再将伺服卡指令低选判断周期延长到1s，控制周期扫描时间保持10ms不变，“指令低选”功能投入，伺服系统改造后机组运行差不多一年了，经历了几次启停机都没有再次出现指令低选保护动作情况。
5 结束语
根据《火力发电厂安全性评价》、《火电厂热控系统可靠性配置与事故预控》、《火力发电厂设计技术规程》等相关标准，我公司3、4号机组DEH伺服控制系统冗余改造后，经过一段时间的运行，证明有以下优点：
1）提高了系统的可靠性。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，实现阀门无扰切换。
2）提高了系统的可维护性。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。
3）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。
参考文献：
[1] 上海国产控制技术(集团)有限公司XDC800双伺服控制系统手册
[2] 杨庆柏，郭永树.DEH的执行机构[J].东北电力技术,1998.(8);27-29
[3] 朱北恒，孔长生 火电厂热工自动化系统试验[M].中国电力出版社,2005
许斯顿 男，1985年8月生，籍贯广东雷州，工程师，工学学士，广东工业大学本科毕业，当前主要负责火电厂热控汽机侧热控设备维护。
论文作者:许斯顿
论文发表刊物:《电力设备》2018年第10期
论文发表时间:2018/8/2
标签：指令论文; 汽轮机论文; 阀门论文; 控制系统论文; 冗余论文; 模块论文; 机组论文; 《电力设备》2018年第10期论文;