某50MW汽轮机组抽汽调节阀伺服控制回路故障分析

喻久亮

摘 要：本文主要讨论汽轮发电机组进汽与抽汽调节阀冗余控制策略。通过某石化企业50MW汽轮机机组DEH硬件配置与运行过程中的实际案例分析，探讨伺服控制的冗余配置方案。针对该机组在现行硬件配置下优化的可行性方案。

关键词：汽轮机 冗余伺服 LVDT

1 前言

汽轮机通过高压调节阀的开启和关闭控制其转速和功率。机组升速过程中，DEH控制系统通过转速调节回路来控制机组的转速。DEH接收来自现场的实际转速信号，此信号转速设定值进行比较后，送到转速调节回路进行PI计算，输出为各高压调节阀开度指令。该开度指令给到伺服卡，此给定信号在伺服卡内与现场油动机位置（LVDT）反馈信号进行比较，经伺服卡内的PI计算，输出控制信号（±40mA）到伺服阀，伺服阀控制进入或排出油动机油缸的流量以控制油动机的开启或关闭，从而控制机组转速。机组并网后，DEH投入功率控制回路、阀门开环控制、或CCS控制方式。

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。目前工业透平投运的机组越来越多，项目的调试设计阶段由于各方的条件限制对DEH了解不足，再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。笔者介绍某石化企业50MW机组发生的伺服控制回路故障，导致机组跳机烧瓦事故的案例，并对分析了伺服控制系统位置反馈（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。

2 某50MW机组介绍

某石化企业机组为上汽厂生产的C50-10.1/4.41型汽轮机，2003年投产。由于该机组投运时间长，且为满足国家政策需求特对其进行通流改造。改造后机组为单缸、抽汽冷凝式、一级可调整抽汽、单排汽口汽轮机。有一个高主阀，4个高调阀，1个抽汽调节阀。机组挂闸后，主汽阀和抽汽调节阀全开。通过4个高调阀控制汽轮机转速和电负荷。当需要向外供汽时，缓慢控制抽汽调节阀已达到合格的供汽压力。该抽汽调节阀未设置最小机械开度，靠DEH内阀门指令限制来保证进入低压缸的最小通流量。

通流改造期间对DEH也进行整体改造。DEH采用WOODWARD公司MicroNetTMR控制系统，该系统CPU采用了三重化冗余容错技术，确保单点故障不影响机组的正常运行。

3 调节阀伺服控制回路介绍

由于该机组含有4个高调阀（CV1、CV2、CV3、CV4）和一个抽汽调节阀（LCV）共计5个可调节阀门。WOODWARD提供伺服卡为双通道伺服卡，且每个通道能相互独立计算。DEH共配置了5块伺服卡。

伺服卡1的B通道，接收来自高调阀（CV1）LVDT1的位置反馈，与DEH的指令比较，经PI计算输出至CV1伺服阀的B线圈。伺服卡2的1通道，接收来自高调阀（CV1）LVDT2的位置反馈，与DEH的指令比较，经PI计算输出至CV1伺服阀的A线圈。两块伺服卡同时工作且相互独立。A线圈和B线圈共同作用伺服阀完成对油动机的控制，从而达到开关阀门的目的。

所以最终1号高调阀有伺服卡1和伺服卡2共同控制，其他閥门以此类推。

4 机组跳机烧瓦事故经过

2022年7月11日，机组由于抽汽调节阀突然关闭导致轴位移超限，机组打闸。后检查发现推力瓦烧毁，经过如下：

16：23：00，机组电负荷43MW，中压抽汽量5T/H，抽汽调节阀的开度70%。

16：24：05，伺服卡5检测到抽汽调节阀LVDT2由70%突变为143%。

16：24：07，伺服卡1检测到抽汽调节阀LVDT1为0%，阀门实际全关。伺服卡5检测到LVDT2的反馈仍然显示为143%。

16：24：10，轴向位移由-0.37mm变至-2.2mm，机组跳机。推力瓦温变坏点。

16：25：00，瓦温显示恢复正常，温度显示为100+℃。初步判断推力瓦烧毁。

5 事故原因分析

LVDT位移传感器，其铁芯可移动的差动变压器，它产生的电量输出与其分离式可动铁芯位移成正比。伺服卡判断阀门开度是根据现场LVDT的次1和次2线圈的反馈电压经伺服卡内部计算而来。伺服卡5检测到抽汽调节阀LVDT2的次1和次2线圈电压发生突变。16：24：05，DEH伺服卡记录次1线圈电压由4VAC突变为6.23VAC，次2线圈电压由3VAC突变为1.69VAC。导致了LVDT2的反馈由70%突变为143%。

两块伺服卡同时工作且相互独立。抽汽调节阀是由伺服卡1的A通道和伺服卡5的B通道共同控制完成。伺服卡1的A通道接收抽汽调节阀LVDT1反馈，经卡件PI计算输出驱动指令±40mA至抽汽调节阀油动机伺服阀的A线圈。伺服卡5的B通道接收抽汽调节阀LVDT2的反馈，经卡件PI计算输出驱动指令±40mA至抽汽调节阀油动机伺服阀的B线圈。A线圈和B线圈共同作用伺服阀完成对油动机进油和排油的控制，从而达到开启或关闭阀门的目的。在此次跳机事故中，伺服卡5的B通道接收了抽汽调节阀LVDT2的错误反馈信号143%，输出关闭阀门的伺服指令，致使抽汽调节阀门快速关闭，导致轴向推力突变机组跳闸。

冗余伺服控制策略紊乱。经试验发现：在任一反馈故障，如LVDT接线断路、LVDT芯杆脱落、信号干扰等情况导致的反馈故障均不会屏蔽该路的伺服指令输出。该路的伺服卡仍然按照错误的反馈信号进行计算。当伺服阀接收的两路伺服驱动指令存在方向相反时，伺服阀内部会按照伺服电流大的一组指令动作。

综上所述，此次事故直接原因是LVDT的次级反馈电压突变，导致伺服卡判断反馈错误。主要原因则是冗余伺服控制策略紊乱，无法满足现场冗余控制的需求。

6 伺服控制回路策略的讨论

1.冗余的伺服模块之间采用双网络。双网络为主备模式，一旦主网络发生故障，将无扰地切换到的备用网络上进行工作。

2.冗余模块间采用主从模式工作。在一个控制周期内，冗余模块间将完成网络诊断、控制周期同步、数据采集、故障诊断、主从竞争、控制运算、调节输出等所有工作，冗余模块之间的数据完全共享。

3.模件工作时应分为三个安全等级：

高全等级最高：双模件均无故障时，将选择工作为主模式的模件数据进行运算。

安全等级次之：当双模件均存在故障时，将选择模件间的正常信号参与运算。如：A卡的LVDT存在故障，B卡的驱动通道存在故障，则选择A卡的驱动进行输出，选择B卡的LVDT进行运算，阀门仍然可控。

安全等级最弱：当双模件的同一信号存在故障时，将采用安全的策略。当两个模块的LVDT均存在断线但至少有一个次级线圈未断线时，将选择未断线的次级线圈进行控制，由于LVDT内磁场发生了变化，控制开度有一定的误差；当所有的线圈均断线时或两支LVDT的初级均断线时，伺服输出将从阀门的维持电流以一定的速率逐步衰减，确保阀门缓慢关闭或开启。

工作为主模式的模件负责运算，并将运算结果同步到从模式的模件共同输出。模件的工作模式可能切换：当工作为主模式的模件存在伺服驱动通道故障时而从模式的模件无伺服驱动故障时，将无条件切换；当工作为主模式的模件存在故障而另外一个模件无故障时，将产生切换。由于冗余模块数据共享，除上述情况外的双模件故障均不切换，以免造成无谓的切换扰动。

4.伺服驱动安全保护和关断功能

冗余模块分别控制单独伺服阀的一个线圈，伺服阀的两个冗余线圈真实工况实际上就是共同作用。因此在异常情况下，伺服驱动应具有安全保护和关断功能，以避免异常的伺服驱动输出信号对阀门控制造成影响。

5.在下述情况下伺服驱动通道应完全关断

模件的CPU由于某种故障未能有效执行算法，应关断驱动通道；伺服驱动通道存在故障，伺服驱动断线，伺服驱动通道偏流状态，伺服驱动输出超过了限定的最大值会被认定为偏流状态。

伺服驱动通道本身存在故障损坏时，也必须关断驱动通道。

LVDT判定为故障，也必须关断驱动通道。无论对于哪种LVDT，出现断线的情况时，均应该认定为故障。对于AC LVDT，激励源（LVDT初级信号）发生了故障。LVDT信号采集通道出现了故障。LVDT铁芯松动或滑落超出限定值。对于6线制AC LVDT，工作在非线性区。对于4-20mA DC LVDT，其信号不在 （2mA，22mA）范围内。

6.阀门位置反馈信号冗余可靠性

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。DEH輸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。

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。

7 基于本项目的伺服控制回路优化

由于DEH配置为WOODWARD公司提供，无法对其伺服卡内部以及网络冗余等相关硬件配置进行优化更改。项目现场只对DEH的逻辑组态以及伺服卡的故障判断策略、位置反馈故障判断进行讨论和优化。

1.增加伺服回路故障的判断逻辑，当DEH逻辑判断伺服回路故障时，闭锁该伺服通道的驱动输出。针对WOODWARD伺服卡的性质，进行以下伺服回路的故障判断并进行了逻辑优化与相关测试，测试结果如表１：

2.增加DEH连锁逻辑：抽汽调节阀任一反馈小于25%，切除抽汽，抽汽调节阀指令全开。

3.增加DEH保护逻辑：任一抽汽调节阀反馈小于20%，则机组停机。

8 结语

上述内容针对某石化企业50MW抽汽式汽轮机组的伺服控制回路进行分析，并且对由于伺服控制回路故障导致机组跳机事件进行较为详细的分析。本文可为DEH的伺服冗余控制策略的设计或者校核提供参考。

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