赵闯 姚俊可 魏翔
中煤新集利辛发电有限公司 设备部 安徽省 亳州市）
摘要：中煤新集利辛发电有限公司一期工程2×1000MW机组，选用半容量汽动给水泵作为锅炉给水设备，使用上海汽轮机厂生产的给水泵汽轮机四台，该产品经济高效，市场占有率较高，但为了追求价格优势，保持市场竞争力，在一些重要设备的配置上有些许欠缺。本文通过该设备在现场使用中发生的某次事故，深入分析原因，提出给水泵汽轮机低压进汽调阀关键部件可靠性改造的课题，具体阐述了改造原理，给出了阀门位移传感器和控制卡冗余改造方案。本改造项目在硬件选择上，充分利旧，遵循既能方便维修，又够降低备件成本的原则，新增的冗余设备都保持了与原有设备的统一。在软件组态、校准与测试等方面，着重介绍，剖析难点，最终实现改造目的。改造后给水泵汽轮机能够长周期稳定运行，各指标完全满足电厂的使用要求，冗余功能正常，能够实现无扰切换，消除了设备隐患，提高了机组可靠性。文章结尾举一反三，对该型号给水泵汽轮机轴振监测系统进行分析，提出增加可靠性的改进建议，开阔了思路。
关键字：可靠性；阀门控制卡；冗余改造；给水泵汽轮机；位移传感器
1.引言
中煤新集利辛发电有限公司单机容量1000MW,选用上海汽轮机厂配套生产的半容量汽动给水泵，给水泵汽轮机型号为ND(Z)89/84/06,该汽轮机能采用多种汽源供汽，外切换，变参数，启动和运行方式灵活。但由于我厂该型号给水泵汽轮机关键部件冗余度配置不足，存在较大的安全隐患。本文从电厂实际案例出发，在事故的发生、原因分析、故障处理和改进措施方面着手，发现问题、解决问题、消除隐患。希望能给大家在处理同类问题时提供一些帮助。
2.选题背景和意义
2.1 背景
2017年7月8日13时22分, #2机组负荷932MW，主汽压力28MPa，主汽温度606℃，主给水流量2495t/h，分离器出口平均温度432℃， 2A、2B汽泵运行，2A\2B\2C\2E\2F磨煤机运行， 2B给水泵汽轮机转速5028r/m，入口流量1300t/h，低压调门指令、反馈均为74%。省煤器入口给水流量突然由2498t/h持续下降。 2B给水泵汽轮机调门指令升至100%，但反馈未变，VP卡校准画面发“FEEDBACK TROUBLE”反馈故障报警。
13时23分, 给水流量降至1389t/h，2A汽前泵入口流量1534t/h。2B汽前泵入口流量289t/h，2B给水泵汽轮机转速降至1908 r/m，运行操作员手动停运2F、2E磨煤机。
13时25分,分离器2C出口温度1、分离器2C出口温度2、分离器2D出口温度1、分离器2D出口温度2均升至477℃。 #2锅炉MFT动作，首出为“分离器出口蒸汽温度高”，联锁保护动作正常。
2.2 现场处理情况及采取的措施
检查#2汽机电子间内2B给水泵汽轮机低压调门VP卡（阀位控制卡）阀门位移传感器指示灯熄灭（正常状态红灯常亮）。在卡件端子处检查阀门位移传感器接线牢固无松动，测量初级线圈电压5.66V,次级线圈1电压0V, 次级线圈2电压2.04V初步判断次级线圈1线路或元件存在故障。
检查接线盒内所有接线牢固无松动，由于就地低压调门接线盒处环境温度较高，拆除贴近接线盒的电缆蛇皮管发现信号线芯烫坏，绝缘层破损粘连。
剪掉破损电缆，将接线盒处所有信号线用耐高温黄腊管防护，重新接线固定。用绝缘测试摇表测量LVDT所有线芯对地绝缘合格。
恢复接线测量初级线圈阻值245Ω电压5.66V,次级线圈1阻值770Ω电压7.13V, 次级线圈2阻值769Ω电压3.24V，阀位传感器测量回路正常。
检查低压调门VP卡状态正常无报警，对调门进行静态活动试验，0~100%指令、反馈一致，跟踪正常。
2.3 事故原因分析
2.3.1锅炉跳闸的直接原因
随着2B给水泵汽轮机低压进汽调阀故障关闭，给水流量降低，锅炉蒸发量大于给水流量，分离器出口温度持续升高至477℃触发MFT保护动作。
2.3.2锅炉跳闸的间接原因
（1）2B给水泵汽轮机轴封漏汽，调门处环境温度较高。就地虽已临时安装铁皮防护小机轴振等测点,但机组运行无法在线检查接线盒内电缆状态，同时电缆质量未达到防护要求。 2B给水泵汽轮机低压进汽调阀LVDT接线在就地接线盒处受高温热辐射烫坏接地，因设备无冗余，VP卡检测到反馈测点故障后关闭低压进汽调阀。
（2）2B给水泵汽轮机低压进汽调阀关闭后，因测点故障，DCS反馈仍保持故障前数值，运行人员不能准确判断给水泵汽轮机低压进汽调阀实际位置，导致未能及时停运2B给水泵汽轮机，给水泵RB功能没有触发。
2.3.3存在问题：
（1）2B给水泵汽轮机调门处环境温度较高，电缆质量未达到防护要求，
（2）阀门位移传感器和阀门控制卡均无冗余配置，单个故障就能造成给水泵汽轮机进汽调阀关闭。
2.4 选题的意义
根据上述事故介绍和原因分析，公司决定开展给水泵汽轮机控制系统冗余改造项目，本次改造以解决现场实际问题为出发点，以提高给水泵汽轮机关键部位的可靠性为目的，以给水泵汽轮机低压进汽调阀位移传感器和阀门控制卡的冗余配置为研究方向，本项目能够显著提高设备可靠性，对现场重要设备的长期稳定运行提供了保障。
3.研究的主要问题
根据给水泵汽轮机控制系统冗余改造项目要求，我对该项目主要任务进行了分解，以如何实现给水泵汽轮机低压进汽调阀位移传感器和阀门控制卡的冗余配置为主要研究方向，分硬件配置和软件配置两个方面进行思考，以冗余设备间如何实现无扰切换为重难点。
4.改造方案及可行性论证
如何对现有的MEH系统低压调门VP卡和LVDT进行冗余改造，如何由2块互为冗余的VP卡和两个互为冗余的LVDT构成控制回路，从而提高系统运行的安全性和可靠性，是我们整个项目的关键点。下面我们来详细介绍本次冗余改造的详细方案和过程。
4.1 改造原理图
改造前 改造后
改造前的设备状况：单个VP卡件接收一支LVDT位移信号，输出两组电压信号至低压调门油动机电液转换器线圈1和低压调门油动机电液转换器线圈2，用来控制油动机的开关。
冗余改造后的设备状况：两个VP卡件各接收一支LVDT位移信号，每个卡件输出一组电压信号至低压调门油动机电液转换器的两个线圈，用来控制油动机的开关，两个VP卡件通过专用双绞线电缆串行连接，进行内部数据的交换，备用VP卡件伺服输出复制主VP卡件输出，当主VP卡或此卡件上的现场信号发生故障时，主备卡件可实现无扰切换。
4.2 改造方案
4.2.1硬件的选择与添加
在硬件选择上，新增的阀门位移传感器和VP卡件都保持了与原有设备的统一，这样既能方便维修，又能够降低备件成本。
其中阀门位移传感器选用上汽厂配套的国产江阴产品，能够确保选用的LVDT线性范围大于机械范围，低压进汽调门的两支位移传感器经过一个特制的安装支架固定在低压进汽调阀阀体上，两支位移传感器高度一致，通过调整阀门位移传感器安装位置，确保阀门整个开关行程内LVDT测量不超出线性范围，拉杆在零位和满度的刻度线之间动作，同时阀门位移传感器拉杆与筒体不能存在碰磨现像。 冗余阀门位移传感器
VP卡跟随DCS系统选型，为艾默生OVATION系列RVP阀门定位卡。新增阀门定位卡件与原卡件安装在同一控制器内，实现冗余状态下的闭环阀位控制，两个卡件通过专用双绞线电缆串行连接，内部参数通过串行链路交换，从而提供冗余数据路径，以在驱动低压进汽调门伺服阀时相互合作。新增VP卡件接线参照原VP卡件进行，将原VP卡件输出至低压调门油动机电液转换器线圈2的信号线该接至新增VP卡件。
冗余阀门控制卡
设备改造期间，阀门位移传感器信号电缆、低压调门油动机电液转换器控制电缆、低压调门油动机关闭电磁阀控制电缆全部更换为耐高温电缆，重新规划电缆走向，进一步降低环境温度高带来的电缆损坏风险。每个热控元件均单独使用一根电缆，实现了物理意义上的冗余，所有现场接口信号均使用了带屏蔽电缆组件的铜制双绞线，电缆屏蔽统一在DCS机柜处接地。冗余改造后，新增设备测量准确，控制平稳，达到了预期目标。
4.2.2 软件组态
卡件的软件组态是本次改造的难点，也是设备冗余功能否实现的关键。根据本次改造的目的，我们将本次软件组态内容划分为以下3个方面：
（1）正确配置卡件组态，建立测点。
如何在控制器下新建分支、卡件、测点，如何更改测点通道位置，在艾默生OVATION系统随厂说明书里都有明确描述，这里就不在一一列举，需要说明的是，一定要确保将RVPSTATUS算法的阀门控制卡硬件地址填写正确，如:卡件硬件地址为487XH，则地址项应填入转换后数值，即4×4096+8×256+7×16=18544。本次改造涉及新增分支一个，卡件一个、更改测点通道位置2个，彻底实现了取样元件、控制模块、输出信号的全过程独立。
因为我们原来的单VP卡输出两个伺服阀线圈指令，原卡件的参数设置中CoilCount=2，表示使用线圈1和线圈2；更改为冗余卡件后，接线方式变更为每个VP卡输出一个伺服阀线圈指令，这时就需要将两块VP卡中的CoilCount参数设置为1，否则VP卡的伺服线圈故障诊断功能将误发，使VP卡的冗余功能无法使用。
（2）实现两块VP卡件的冗余配置。
相对于单VP卡控制来说，冗余VP卡软件组态较为复杂，为了在单个设备故障时能够实现控制方式的切换，每个卡件均需增添4个状态位用于冗余组态，分别表示质量、主备用状态、LVDT故障和解除，对应状态寄存器9、10、11、12四位；新增两个校验画面操作点用于复位和主备选择；新增6个命令寄存器状态点，分别表示冗余VP卡质量、备站活动位、冗余VP卡的主备状态、主备卡切换、主模式运行、备用模式运行，对应命令寄存器的4、5、6、8、10、11位。这些信号通过下图方式来搭建切换逻辑，使主卡故障、主卡伺服线圈故障、主卡LVDT故障的情况下均能无扰切换至备卡控制。
冗余阀门控制卡的切换逻辑
（3）建立监视画和校准程序。
为便于第一时间发现并处置给水泵汽轮机低压进汽调门VP卡和LVDT系统异常，本次改造在DCS上位机中增加阀位监控画面、阀门卡状态监测和声光报警功能，用图表框图的形式实时显示设备工作状态和详细信息，实现重要仪控设备参数可视化，方便运维和检修。
运行人员阀位监控画面 阀门卡状态监测画面
为便于给水泵汽轮机低压进汽调门手自动操作、主备阀门控制卡切换和阀门校准，修改了DCS上位机中的VP卡校准画面，添加了新加VP卡的信息，该画面显示与校准VP卡相关的参数，与该VP卡校准有关的操作均能在该画面完成，直观明了，提高了工作效率。
校准程序内组态参数的设定：对于死区内外的比例控制器增益参数原则上参照原参数设定，具体情况视阀门动作曲线确定。
4.2.3 校准
VP卡件校准的目的：确定机械行程的终点位置，设置LVDT量程和防止阀门的启动延迟。理想的校准要求LVDT的电零点与机械行程的中点相匹配，校准常数振幅相等，符号相反。
以下情况需要执行校准操作：
（1）机务阀门检修后;
（2）LVDT拆除或更换后;
（3）LVDT的次级线圈接线调换后。
校验画面
VP卡件校准前需检查CoilCount、RDNDNT、 pi Gain、top Cal Position、bottom Cal Position、demod Gain参数设置是否正确，demod Gain参数设成2048，bottom Cal Position设为-31200，top Cal Position设为31200，Download到VP卡中。卡件校验前EH油质需化验合格，阀门动作正常，热控部件安装牢固，连接可靠。
LVDT必须逐个进行校准，我们采取拔出备用的VP卡校准主状态VP卡，校准方法与单VP卡的校准相同，主VP卡校准完毕后再用同样的方法校准备用VP卡，校验完成后top Cal Position和bottom Cal Position的绝对值是相近的，demod Gain也应该接近2048。如果bottom Cal Position的绝对值大，就需要把的阀杆往上伸一下，再进行校验；如果top Cal Position的绝对值大，就把阀门位移传感器的阀杆往下伸一点，再进行校验；直到top Cal Position和bottom Cal Position的绝对值相近，且demod Gain接近2048为止。校验完成后，低压进汽调阀整个机械范围内，两个VP卡件反馈信号应一致，偏差应控制在1%以内。
4.2.4 冗余测试
VP卡由主状态到备用状态和由备用状态到主状态的切换测试
（1）如果VP卡处于主状态，下面几种情况它将切换至备用状态
a.主状态VP卡检测到伺服线圈故障，如该卡检测到输出至低压调门油动机电液转换器线圈的信号开路或短路，我们可采取拆线或短接的方式进行测试。
b.主状态VP卡检测到LVDT位置反馈信号发现强烈移动或高阶微分。主状态VP卡从上一次扫描到下一次扫描（10毫秒）间检测到位置反馈变化超过一定的限值，该限值通过阀门校验画面中min2ndry参数来进行设定，现设定值为10.0。
c.主状态VP卡检测到阀门指令与实际反馈的偏差超过设定值，该设定值通过阀门校验画面中posErrDelta参数来进行设定，建议设定值为5.0。
d.主状态VP卡故障，停止运行。
（2)如果VP卡处于备用状态，下面几种情况它将切换至主状态
a.串行信号状态和主状态VP卡的活动状态都指示主卡不活动。
b.主状态VP卡有某个错误条件，包括线圈问题、硬件错误和LVDT位置反馈信号的过度微分。
c.备用状态VP卡检测到位置反馈间差值超过LVDT跟踪，并且主状态VP卡输出与伺服阀移动方向相反。
5.结论与分析
该冗余改造项目能够充分利旧，以最少的投入实现了重要信号从就地设备到控制模块的全过程独立，既避免了单独设备、单一测点给系统带来的风险，又不至于使整个系统过于复杂。设备冗余改造后，单一VP卡件故障、单一LVDT反馈故障均不影响阀门控制，卡件能自动进行主、备用切换，目前改造设备运行稳定，充分保证了给水泵汽轮机重要进汽设备的可靠性。该项目已应用于中煤新集利辛发电有限公司一期工程四台汽动给水泵中。
6.MEH输入模件冗余改造项目
根据国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求》，第9.4.3条：“所有重要的主、辅机保护保护信号应遵循从取样点到输入模件全程相对独立的原则”的要求，为防止热工保护失灵，我在工作中对全厂重要主、辅机保护进行了排查，检查发现给水泵汽轮机MTSI系统（艾默生CSI6500）两个轴位移测点配置在一块卡件内，同轴两个轴振测点配置在同一卡件内，轴位移与轴振信号均为给水泵汽轮机的保护信号，该设计不符合第9.4.3条的要求。
经调研咨询发现，同类型机组普遍存在该问题。虽然就地取样点及测量元件做到了相对独立，但输入、输出卡件没有遵循独立原则，这需要引起我们的重视。下面就此类型隐患的整改做一下简要分析。
整改要求：将给水泵汽轮机轴位移、同轴轴振测点布置在不同的卡件上，降低卡件故障造成小机保护误动的风险，满足国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中第9.4.3条款。
在MTSI机柜备用卡槽内，每台给水泵汽轮机增加轴位移卡件一块。将两个轴位移探头信号分别送至两个轴位移卡件，再由两块轴位移卡件分别输出模拟量信号至两个DCS卡件。
将每台小机轴振X、Y相测点分卡布置，由原来的1X/1Y, 2X/2Y, 3X/3Y, 4X/4Y布置方式更改为1X/2X, 1Y/2Y, 3X/4X, 3Y/4Y的布置方式。
改造的难点：卡件通道参数的更改和设置。改造前注意做好软件备份，对照原设置逐步修改，完成后注意进行复查和通道试验。
改造中需要注意的地方：图纸、标识、电缆号头的及时更改。清晰准确的标识方便查阅和后期现场工作，模糊甚至未经改动的电缆标识极易引起新的安全隐患。
7.结束语
本文介绍了给水泵汽轮机低压进汽调阀热控设备冗余改造项目，通过硬件、软件及应用操作方面的介绍，阐述了改造的原理及方法，在硬件配置、实际操作、组态、画面修改等方面发表了自己的见解。设备改造后给水泵汽轮机能够长周期稳定运行，各指标完全满足电厂的使用要求，冗余功能正常，能实现无扰切换，提高了机组可靠性，该项目已应用于4台同类型机组，荣获中煤新集公司优秀五小成果。希望本文能够给电厂热控人员在提高关键设备可靠性上提供一点思路。
参考文献：
[1]黄幼茹，《防止电力生产事故的二十五项重点要求》辅导教材，北京：中国电力出版社，2015:240-243
[2] 张志鹏，超超临界机组TSI测点冗余改造，中国发电自动化技术论坛文集，2018,1（1）：146-149