CN103939154A - 一种汽轮机调门冗余控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮机调门冗余控制系统及其控制方法，采用冗余的分散控制单元、冗余的阀门定位器模件结合对汽轮机调门进行控制；分散控制单元成对出现，实时计算汽轮机调门当前阀位指令信号送至阀门定位器模件；阀门定位器模件成对出现，同时采集两个不同汽轮机调门阀位反馈信号，结合分散控制单元送来的阀位指令信号，计算出当前调门伺服阀指令信号并输出驱动这两个调门对应的油动机伺服阀的两个线圈，实现对汽轮机调门闭环控制，对每一个汽轮机调门对应油动机伺服阀的两个线圈分别采用成对出现的两个阀门定位器模件共同进行控制，极大提高汽轮机阀门控制的安全性；可实现在线不停机无扰更换阀门定位器模件。

Description

一种汽轮机调门冗余控制系统及其控制方法

  

技术领域

本发明涉及机电设备控制技术领域，特别涉及一种汽轮机调门冗余控制方法。 

背景技术

汽轮机是一种应用非常广泛的重要原动机设备，由于汽轮机是一种采用高温高压工质的高速回转设备，保障其安全稳定运行的控制方法有重要意义。汽轮机运行的重要被控参数：汽轮机转速、汽轮机机前压力和汽轮机输出功率均通过控制调门开度大小来实现，因此汽轮机调门控制方法和系统是汽轮机调节保护系统的核心。 

对于控制稳定性和精度要求高的大型汽轮机，目前国内外均采用分散控制系统实现，分散控制系统的电源、分散控制单元等均实现了双路互为备用的冗余配置，但汽轮机调门控制均未实现冗余，每个调门由且仅由一个阀门定位器模件控制，存在安全性隐患，一旦阀门定位器模件故障，对应的汽轮机调门可能失控，且阀门定位器模件发生故障时无法实现在线不停机无扰更换而只能停机更换。 

发明内容

技术问题：本发明针对现有汽轮机调门控制技术的不足，提出一种汽轮机调门冗余控制系统及其控制方法，真正实现了对汽轮机调门的冗余控制，极大提高汽轮机阀门控制的安全性；还可以进行在线不停机无扰更换阀门定位器模件，减少非计划停机；且相对于传统控制方法改动少，几乎不增加成本，易于改造。 

技术方案：该方法根据汽轮机调门控制精度和安全性要求高的特点，遵循危险分散的冗余设计原则，分析国内外现有汽轮机调门控制方法的不足，兼顾汽轮机调门控制的可靠性、可维护性和经济性针对性地建立了一种汽轮机调门冗余控制系统及其控制方法。 

一种汽轮机调门冗余控制系统，其特征在于：包括调门控制机柜、液压执行机构， 

所述调门控制机柜包括冗余电源、分散控制单元和与分散控制单元一一对应的阀门定位器模件；所述冗余电源包括两个电源模块和一个电源冗余切换模块，由电源冗余切换模块切换其中一个电源模块为系统提供冗余电源；

所述液压执行机构包括伺服阀、伺服油动机； 

所述分散控制单元成对出现，互为备用；分散控制单元将汽轮机调门当前阀位指令信号送至对应的阀门定位器模件；所述阀门定位器模件成对出现，每块阀门定位器模件同时采集两个不同汽轮机调门阀位反馈信号，结合分散控制单元送来的阀位指令信号，驱动这两个调门对应的伺服油动机的伺服阀动作，通过伺服机构液压调节这两个调门的开度。

每一个汽轮机调门对应的伺服油动机的伺服阀分别由两块阀门定位器模件共同进行控制驱动。阀门定位器模件单个模件即可实现对两个汽轮机调门的控制，可以进行对单个模件的不停机在线无扰更换。阀门定位器模件既可以支持带两路阀位反馈的汽轮机调门，也支持只带单一阀位反馈的汽轮机调门，此时只需将单一阀位反馈信号使用信号复制器复制成两路相同信号送至两个阀门定位器模件。 

所述液压执行机构还包括多个阀位传感器，由阀位传感器分别感应各伺服油动机位置同时反馈至各调门定位器模件。 

所述液压执行机构还包括卸荷阀，故障情况下由卸荷阀接收快关信号迅速卸油关闭调门。 

还包括一监控调门控制机柜运行的监控系统。 

一种汽轮机调门冗余控制方法，其特征在于，该方法采用冗余的分散控制单元、冗余的阀门定位器模件结合控制算法实现对汽轮机调门的冗余控制； 

所述冗余分散控制单元成对出现互为备用，实时计算出汽轮机调门当前阀位指令送至阀门定位器；所述阀门定位器模件成对出现，每一个模件配置两组独立的模拟量、开关量输入和输出通道，并通过组态配置和两个独立的闭环控制回路，同时采集两个不同汽轮机调门阀位反馈和状态，采用冗余分散控制单元送来的阀位指令，通过比例积分组态好的算法计算出当前激励电流并输出驱动这两个调节门对应的油动机伺服阀的两个激励线圈从而实现对汽轮机调门闭环控制，而对每一个汽轮机调门对应油动机伺服阀的两个激励线圈分别采用两个阀门定位器模件共同进行控制。

冗余阀门定位器模件单个模件即可实现对两个汽轮机调门的控制，可以进行对单个模件的不停机在线无扰更换。 

成对出现的冗余阀门定位器模件内闭环控制回路为可组态式的，可以选择纯比例算法也可以选择比例加积分算法，适应不同容量和形式的汽轮机；且控制回路参数自适应，能根据对侧阀门定位器模件状态动态调整比例和积分系数，提高不同阀门定位器模件配置状态下阀位闭环控制的稳定性并减小稳态偏差。 

冗余阀门定位器模件既可以支持带两路冗余阀位反馈的汽轮机调门，也支持只带单一阀位反馈的汽轮机调门，此时只需将单一阀位反馈信号使用信号复制器复制成两路相同信号送至两个阀门定位器模件。 

有益效果：采用本发明中公开的汽轮机调门冗余控制方法，具有以下有益的效果： 

⑴    真正实现对汽轮机调门的冗余控制，极大提高汽轮机阀门控制的安全性；

⑵    可实现在线不停机无扰更换阀门定位器模件，减少非计划停机；

⑶    相对于传统汽轮机控制方法改动少，几乎不增加成本，易于改造。

附图说明

图1是本发明实施例提供的汽轮机调门冗余控制系统整体结构图； 

图2是本发明实施例提供的汽轮机调门冗余控制原理图；

图3是本发明中采用的汽轮机阀门定位器模件工作原理示意图；

图4是本发明中采用的汽轮机阀门定位器模件配合提供两路冗余阀位反馈信号汽轮机调门工作原理示意图；

图5是本发明中采用的汽轮机阀门定位器模件配合提供单一阀位反馈信号汽轮机调门工作原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图和实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

实施例：某大型汽轮机，带有两个高压调门，汽轮机控制系统需通过调节这两个调门的开度实现对重要被控变量即汽轮机转速、汽轮机机前压力和汽轮机功率的精确控制，完成汽轮机的冲转到额定转速到并网带初负荷到负荷自动调节到停机的整个工作过程。 

如图1所示，本发明提出的汽轮机调门冗余控制系统中主要包括调门控制机柜、液压执行机构和监控系统。 

所述调门控制机柜由柜体、冗余电源、冗余分散控制单元、冗余阀门定位器模件等组成；所述冗余电源包括两个电源模块V1、V2和一个电源冗余切换模块，为系统提供冗余电源。 

所述液压执行机构包括伺服阀、伺服油动机、卸荷阀和阀位传感器，接收阀门定位器模件输出伺服阀指令，通过伺服机构液压调节以控制调门开度，卸荷阀用于故障情况下接收快关信号迅速卸油关闭调门，油动机位置反馈由阀位传感器反馈输入至调门定位器模件。 

监控系统包括工控机、分散控制单元和阀门定位器模件组态软件和网络交换机等，监控系统与所属分散控制单元通过冗余网络连接，完成对冗余分散控制单元和冗余阀门定位器模件实时监视。 

所述冗余分散控制单元K1、K2成对出现互为备用，所述阀门定位器模件M1、M2成对出现，结合冗余分散控制单元K1、K2送来的阀位指令信号，计算出当前调门伺服阀指令信号并输出驱动这两个调门D1、D2对应的油动机伺服阀的两个伺服阀线圈X1、X2，从而实现对汽轮机调门闭环控制。 

如图2所示，本发明提出的汽轮机调门冗余控制方法中采用冗余的分散控制单元、冗余的阀门定位器模件结合独有的控制算法实现对汽轮机调门的冗余控制；所述冗余分散控制单元K1、K2成对出现互为备用，在其中用户根据需要预置算法实时计算出汽轮机调门D1和调门D2当前阀位指令通过I/O总线送至阀门定位器模件M1和阀门定位器模件M2；所述阀门定位器模件M1、M2成对出现，每个模件均有两路输入和输出，由阀门定位器模件M1、M2输出伺服阀指令1和伺服阀指令2，每个阀门定位器模件控制两个汽轮机调门D1、D2对应的伺服阀的其中一个伺服阀线圈X1或伺服阀线圈X2，从而实现同时独立控制两个汽轮机调门的开度，而对每一个汽轮机调门D1或调门D2对应油动机伺服阀的两个伺服阀线圈分别采用两个阀门定位器模件M1、M2共同进行控制。 

如图3所示，本发明的汽轮机调门冗余控制方法中采用的冗余阀门定位器模件，每一个模件配置两组独立的模拟量、开关量输入和输出通道并通过组态配置和两个独立的闭环控制回路，同时采集两个不同汽轮机调门阀位反馈和状态，采用冗余分散控制单元送来的阀位指令，通过组态好的算法计算出当前激励电流并输出驱动这两个调节门对应的油动机伺服阀的两个激励线圈从而实现对汽轮机调门闭环控制，单个模件即可实现对两个汽轮机调门的控制。例如图2中阀门定位器模件M1采集调门D1阀位反馈信号S1和调门D2阀位反馈信号S1，输出伺服阀指令1控制汽轮机调门D1的伺服阀线圈X1控制调门D1开度，输出伺服阀指令2控制汽轮机调门D2的伺服阀线圈X1控制调门D2开度。对应地，阀门定位器模件M2采集调门D1阀位反馈信号S2和调门D2阀位反馈信号S2，输出伺服阀指令1控制汽轮机调门D1的伺服阀线圈X2控制调门D2开度，输出伺服阀指令2控制汽轮机调门D2的伺服阀线圈X2控制调门D2开度。 

结合图2和图3可知，采用本发明提出的汽轮机调门冗余控制方法，当某个阀门定位器模件故障时，可以进行对单个模件的不停机在线无扰更换。例如阀门定位器模件M1故障时，阀门定位器模件M2仍然可以同时控制调门D1和调门D2，因此可以在线不停机无扰更换阀门定位器模件M1。 

如图3所示，本发明提出的汽轮机调门冗余控制方法中采用的冗余阀门定位器模件，其中组态的闭环控制回路为可组态式的，可以根据分散控制单元输入的调门控制模式指令选择纯比例算法也可以选择比例加积分算法，适应不同容量和形式的汽轮机；且控制回路参数自适应，参数自适应调整器能根据阀门定位器模件状态动态调整比例和积分系数，提高不同阀门定位器模件配置状态下阀位闭环控制的稳定性并减小稳态偏差。参数自适应调整器的一种简单实现是在阀门定位器模件成对运行时设置控制器较小的比例增益和积分增益，而在阀门定位器模件单个运行时设置控制器较大的比例增益和积分增益。 

结合图2图3可知，与传统汽轮机调门控制方法相比，本方法未增加硬件设备，只需将阀门定位器模件的接线和程序稍作修改，几乎不增加成本，易于改造。 

结合图4所示，本发明提出的汽轮机调门冗余控制方法中冗余阀门定位器模件支持带两路冗余阀位反馈的汽轮机调门，也支持只带单一阀位反馈的汽轮机调门。 

结合图5所示，本发明提出的汽轮机调门冗余控制方法中冗余阀门定位器模件也支持只带单一阀位反馈的汽轮机调门，此时使用4~20mA信号复制器将单一阀位反馈信号复制成两路相同信号送至两个阀门定位器模件。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。 

Claims (8)

1.一种汽轮机调门冗余控制系统，其特征在于：包括调门控制机柜、液压执行机构，

所述调门控制机柜包括冗余电源、分散控制单元和与分散控制单元一一对应的阀门定位器模件；所述冗余电源包括两个电源模块和一个电源冗余切换模块，由电源冗余切换模块切换其中一个电源模块为系统提供冗余电源；

所述液压执行机构包括伺服阀、伺服油动机； 

所述分散控制单元成对出现，互为备用；分散控制单元将汽轮机调门当前阀位指令信号送至对应的阀门定位器模件；所述阀门定位器模件成对出现，每块阀门定位器模件同时采集两个不同汽轮机调门阀位反馈信号，结合分散控制单元送来的阀位指令信号，驱动这两个调门对应的伺服油动机的伺服阀动作，通过伺服机构液压调节这两个调门的开度。

2.根据权利要求1所述的一种汽轮机调门冗余控制系统，其特征在于，每一个汽轮机调门对应的伺服油动机的伺服阀分别由两块阀门定位器模件共同进行控制驱动。

3.根据权利要求1所述的一种汽轮机调门冗余控制系统，其特征在于，所述液压执行机构还包括多个阀位传感器，由阀位传感器分别感应各伺服油动机位置同时反馈至各调门定位器模件。

4.根据权利要求1所述的一种汽轮机调门冗余控制系统，其特征在于，所述液压执行机构还包括卸荷阀，故障情况下由卸荷阀接收快关信号迅速卸油关闭调门。

5.根据权利要求1所述的一种汽轮机调门冗余控制系统，其特征在于，还包括一监控调门控制机柜运行的监控系统。

6.一种汽轮机调门冗余控制方法，其特征在于，采用冗余的分散控制单元、冗余的阀门定位器模件结合对汽轮机调门进行冗余控制；

所述分散控制单元成对出现互为备用，实时计算汽轮机调门当前阀位指令信号送至所述阀门定位器模件；

所述阀门定位器模件成对出现，每一个阀门定位器模件配置两组独立的模拟量、开关量输入、输出通道，并通过组态配置和两个独立的闭环控制回路，同时采集两个不同汽轮机调门阀位反馈信号，结合分散控制单元送来的阀位指令信号，计算出当前调门伺服阀指令信号并输出驱动这两个调门对应的油动机伺服阀的两个激励线圈，实现对汽轮机调门闭环控制，

对每一个汽轮机调门对应油动机伺服阀的两个激励线圈分别采用成对出现的两个阀门定位器模件共同进行控制。

7.根据权利要求6所述的一种汽轮机阀门冗余控制方法，其特征在于，采用单个的阀门定位器模件对两个汽轮机调门进行控制。

8.根据权利要求6所述的一种汽轮机阀门冗余控制方法，其特征在于，成对出现的阀门定位器模件内的闭环控制回路为可组态式，采用纯比例算法或比例加积分算法，根据对侧的阀门定位器模件状态动态调整比例或/和积分系数。