MAN透平機(jī)組電液伺服系統(tǒng)冗余改造

陸振岳，艾 軍

引言

近年來在鋼鐵和石化等能源領(lǐng)域，日益強(qiáng)調(diào)并采取措施提高動力機(jī)組(透平、鼓風(fēng)機(jī)組、壓縮機(jī)組等)的安全性。目前,大多數(shù)的安全措施集中在了電子控制部分，例如采用雙冗余或三冗余的CPU和控制模板,甚至冗余傳感器等。但是，由于機(jī)組控制是一個整體，即使電控部分冗余度再高，電液伺服驅(qū)動部分仍然是機(jī)組控制系統(tǒng)中的單點(diǎn)，并且由于此環(huán)節(jié)是電子信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械液壓信號的接口、電液結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)精密、對油質(zhì)要求高等特點(diǎn)，電液伺服系統(tǒng)恰好是非常容易出故障的環(huán)節(jié)。所以，提高電液伺服驅(qū)動部分的可靠性對提高動力機(jī)組安全性和整個鋼鐵生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的安全穩(wěn)定性都有重大意義。

梅鋼新三號透平鼓風(fēng)機(jī)組是梅鋼高爐冶煉產(chǎn)線中關(guān)鍵的動力設(shè)備，如果意外停機(jī)，將對高爐煉鐵乃至整個鋼鐵產(chǎn)線造成重大損失。2015年，梅鋼的新三號機(jī)組的電液伺服驅(qū)動發(fā)生過故障，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，給梅鋼造成了重大損失。 因此提高動力機(jī)組運(yùn)行的可靠性，確保新三號機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行成為梅鋼的重要課題。

動力機(jī)組的電液伺服冗余系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和系統(tǒng)精密的固有特性，冗余措施要兼顧電子和液壓兩個方面，實(shí)施難度大，在國際范圍內(nèi)成功實(shí)施的工程案例較少見，在國內(nèi)更是罕見。在該改造項(xiàng)目中，將冗余擴(kuò)展到電液伺服領(lǐng)域，對提高各大行業(yè)動力機(jī)組的整體可靠性具有積極的探索意義。

1　改造前系統(tǒng)

改造前的電液伺服驅(qū)動部分由電子控制系統(tǒng)信號(4～20 mA)、福伊特位閥(WayValve)、反饋裝置(MLDT)組成,還包括機(jī)組的供油和排油管路。位閥接收控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的閥位指令 (4～20 mA),位閥進(jìn)行指令與閥位反饋比較,輸出控制油控制動力油缸。雖然系統(tǒng)控制效果良好，但是所有部件都是一套，任何部件故障系統(tǒng)會造成機(jī)組停機(jī)。改造前伺服系統(tǒng)主要參數(shù)如下：

機(jī)組：Turbo；

額定功率：54.6 MW；

額定轉(zhuǎn)速：3675 r/min;

供油壓力：19 bar;

油缸行程：250 mm;

油缸缸徑：220 mm;

推桿直徑：50 mm;

伺服機(jī)構(gòu)：WSR-E60106。

系統(tǒng)原理如圖 1所示。

圖 1 改造前伺服系統(tǒng)示意圖

2　改造方案

2.1　方案概述

經(jīng)過調(diào)研,國際上主要有兩種透平電液伺服驅(qū)動冗余方案。

方案一：雙線圈電液轉(zhuǎn)換器方案。美國伍德沃德公司 (Woodward Inc.)推出的雙線圈電液轉(zhuǎn)換器在正常工作時，兩個線圈共同工作，平均分配電流，共同驅(qū)動電液轉(zhuǎn)換器的扭矩電機(jī),帶動后級液壓放大油路驅(qū)動油動機(jī)。當(dāng)一路線圈故障時，驅(qū)動電流完全轉(zhuǎn)移到另外的線圈上，繼續(xù)驅(qū)動電液轉(zhuǎn)換器。這種線圈冗余結(jié)構(gòu)雖然一定程度上提高了系統(tǒng)可靠性，但是仍然存在兩個明顯的弱點(diǎn)：（1）扭矩電機(jī)是仍然是單點(diǎn)環(huán)節(jié)，如果故障，仍然會造成系統(tǒng)停機(jī)。（2）扭矩電機(jī)力量小，只負(fù)責(zé)電液信號轉(zhuǎn)換，后級必須配置先導(dǎo)類液壓滑閥(例如油動機(jī)的錯油門滑閥)才能驅(qū)動最終的動力油缸。而錯油門滑閥由于結(jié)構(gòu)精密、控制油壓低、流量小等原因恰好是許多電液伺服機(jī)構(gòu)磨損、卡澀、甚至漏油的故障點(diǎn)。所以雙線圈電液轉(zhuǎn)換器方案不能徹底解決梅鋼徹底伺服驅(qū)動冗余的問題。

方案二：冗余電液伺服方案。相對與雙線圈電液轉(zhuǎn)換器方案的不徹底，德國福伊特公司(Voith Inc.)推出了徹底的冗余電液伺服解決方案。福伊特冗余方案采用兩套完全獨(dú)立伺服控制環(huán)節(jié)，即電液伺服位閥(Way Valve)、閥位反饋裝置(MLDT)、閥位控制指令信號和供電是完全獨(dú)立的兩套裝置，然后兩套裝置的出口控制油路再進(jìn)行液壓冗余表決，從而驅(qū)動動力油缸。這樣，整套系統(tǒng)中電液伺服完全冗余,解決了系統(tǒng)單點(diǎn)故障問題。而且，福伊特位閥是低壓大流量結(jié)構(gòu)，直接驅(qū)動動力油缸，消除了中間容易出故障的錯油門滑閥結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了可靠性。并且，福伊特公司將此方案做成了一套整體裝置，方便用戶安裝的同時也保證了系統(tǒng)質(zhì)量。

2.2　改造方案

2.2.1概述

改造方案采用福伊特公司的WSM裝置(WSM是Voith公司專門設(shè)計(jì)的一體式冗余裝置,包括兩套完全獨(dú)立電液伺服位閥(Way Valve)、液壓冗余表決部件、以及必要的儀表和手動切換裝置等)、并配置兩套油動機(jī)位置反饋裝置(MLDT)、并且從控制器引出雙路閥位控制指令，供電系統(tǒng)也改造為完全獨(dú)立的兩路 24VDC供電。兩套電液伺服位閥接收獨(dú)立的控制指令 (4～20 mA),兩路出口控制油路再進(jìn)行液壓冗余表決,直接驅(qū)動油缸。系統(tǒng)從控制指令、電液伺服位閥、油缸位置傳感器、系統(tǒng)供電完全冗余，任何部件故障不停機(jī)。

改造方案還包括了一套獨(dú)立的冗余裝置監(jiān)控系統(tǒng)，用以判斷兩套位閥的工作狀態(tài)，在必要時自動切斷故障位閥的進(jìn)油，同時還可以更好地監(jiān)控冗余裝置。監(jiān)控系統(tǒng)以PLC為核心,配備專門設(shè)計(jì)的雙路供油切斷閥及專門設(shè)計(jì)的切斷液壓集成塊，不僅可以顯示每路供油壓力、控制油壓力及冗余表決后的控制油壓，而且可以在需要的時候切斷供油油路，并且具有報(bào)警等功能。此監(jiān)控系統(tǒng)以 PLC控制器為核心，獨(dú)立運(yùn)行，是冗余裝置的重要輔助系統(tǒng)，即使此PLC故障或失電，也不會影響機(jī)組冗余伺服裝置工作。改造后的系統(tǒng)原理如圖 2所示。

圖 2 改造后的系統(tǒng)示意圖

2.2.2Voith WSM冗余裝置

系統(tǒng)的主要部件是福伊特 WSM 裝置，包括兩套完全獨(dú)立電液伺服位閥(Way Valve)、液壓冗余表決部件、以及必要的儀表和手動切換裝置等,外觀如圖 3所示。

圖 3 冗余裝置WSM外觀

WSM液壓參數(shù)如下：

伺服機(jī)構(gòu)：WSM-60215；

供油壓力：25 bar；

供油流量：90 L/min；

排油流量：240 L/min。

2.2.3油動機(jī)位置反饋裝置

油動機(jī)位置反饋采用兩支冗余的德國巴魯夫公司 (Balluff Inc.)的MLDT油缸位置傳感器。采用MLDT傳感器而不是普通的拉桿式 LVDT傳感器是因?yàn)镸DLT采用磁致伸縮原理，能夠通過電磁原理產(chǎn)生機(jī)械變形波，提供油動機(jī)絕對位置信息、精度高、而且傳感器底部集成信號調(diào)理電路，直接輸出4～20 mA，安裝方便。

為了保證安裝精度，方案專門設(shè)計(jì)了雙冗余MLDT的安裝支架，方便了安裝并提高可靠性。MLDT主要參數(shù)如下，外觀如圖4所示。

傳感器型號：BTL7-E500-M0300-B-S3；

磁環(huán)型號：BTL-P-1013-4R；

量程：300 mm；

供電：24 VDC；

反饋信號4～20 mA。

圖4　雙冗余MLDT外觀

2.3.4冗余裝置監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用以西門子 PLC為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，采集兩路供油油壓、兩路控制油壓和冗余表決后的油壓，顯示在 HMI觸摸屏上。監(jiān)控裝置還可以在必要的時候單獨(dú)控制每路電磁閥。系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了液壓集成塊，方便地實(shí)現(xiàn)了電磁閥的安裝、油路控制和必要的液壓參數(shù)采集功能。冗余系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)是冗余電液伺服系統(tǒng)的重要組成部分，在必要時，可以切斷故障位閥的供油，這樣即使存在冗余電液伺服系統(tǒng)判斷不到的故障點(diǎn)，監(jiān)控裝置也可以通過判斷，自動切斷故障位閥，切換到正常位閥工作。

3　項(xiàng)目施工

因?yàn)樗欧C(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)精密，并且MLDT位置傳感器對安裝精度要求高，所以工程施工是此項(xiàng)目的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為保證項(xiàng)目成功，從設(shè)備安裝的多個方面采取了措施。

油路管道改造方面，根據(jù)現(xiàn)有的液壓管路，合理布局，精確的設(shè)計(jì)改造后油路,并考慮管道的振動等因素，加裝中間軟管,減小振動對可靠性的影響。同時，為了方便安裝WSM冗余裝置和液壓集成裝置，專門設(shè)計(jì)了裝置安裝支架，安裝支架及油路管道設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　油路布置及安裝支架設(shè)計(jì)

冗余裝置支架基礎(chǔ)安裝方面,考慮到透平機(jī)組長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)組底座的振動大，所以沒有把冗余裝置安裝到汽機(jī)底座，而是安裝到建筑物平臺上，并進(jìn)行加固，保證系統(tǒng)的可靠性。

油缸位置反饋(MLDT)為控制系統(tǒng)提供精確的位置反饋，同時要經(jīng)受長期的機(jī)組本體振動，所以安裝的精度和可靠性要求也很高。改造方案專門設(shè)計(jì)了MLDT安裝支架，精確配合梅山三號機(jī)的油缸和拉桿位置，保證改造后的控制精度和可靠性。

除上述方面，安裝過程還考慮了如油路清潔等多方面因素，進(jìn)行管道清洗等。改造前后的機(jī)組外觀如圖6和圖7所示。

圖6　改造前的機(jī)組外觀

圖7　改造后的機(jī)組外觀

4　改造結(jié)果

改造后的系統(tǒng)經(jīng)過靜態(tài)和動態(tài)試驗(yàn),伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)在靜態(tài)冗余測試和動態(tài)冗余測試都實(shí)現(xiàn)了兩路伺服系統(tǒng)的無擾切換，能夠保證任何部件故障，機(jī)組正常運(yùn)行,消除了原系統(tǒng)中的單點(diǎn)環(huán)節(jié),并實(shí)現(xiàn)了故障時無擾切換,測試結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。表1是冗余試驗(yàn)結(jié)果記錄,圖8是改造后的調(diào)門曲線。

改造后的機(jī)組投入運(yùn)行并帶負(fù)荷向高爐送風(fēng)，投入實(shí)際生產(chǎn)，至今運(yùn)行良好。

表1　切換試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8　改造后的調(diào)門曲線

5　結(jié)論

梅鋼新三號機(jī)的伺服系統(tǒng)冗余的成功改造有兩個重要意義：

首先，改造后的伺服系統(tǒng)徹底消除了原來系統(tǒng)的單點(diǎn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了Voith閥、反饋裝置、指令信號和供電系統(tǒng)任一部件故障不停機(jī)，提高了系統(tǒng)的可靠性,為梅鋼高爐的安全穩(wěn)定生產(chǎn)做出了貢獻(xiàn)。

其次，即使在國際范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)徹底的伺服驅(qū)動冗余的項(xiàng)目也很少，在國內(nèi)更是鮮有耳聞。梅鋼新三號機(jī)的項(xiàng)目的成功，為探索伺服驅(qū)動環(huán)節(jié)冗余，提高機(jī)組可靠性，積累了第一手的寶貴工程經(jīng)驗(yàn),無論是對鋼鐵和石化領(lǐng)域動力機(jī)組最終用戶還是對透平制造商都有重大的借鑒意義。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]Voith Inc.,Way Valve Module Type：C-60215 Installation and Operation Manual,2014.11

[2]MAN Turbo AG,Operating Instructions MAN Turbo Live-Steam/Low-Pressure Ac-tuator,MAN Turbo AG,2009.9

[3]胡壽松.自動控制原理(第五版)[M].北京：科學(xué)出版社.