JP4802834B2 - サーボ弁制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、３重系構成のタービン制御装置に用いられるサーボ弁制御回路に関する。

従来のタービン制御装置は、３個のコントローラＡ，Ｂ，Ｃで入口案内翼調整弁（以下、ＩＧＶ調節弁という）を制御する３重系構成となっており、ＩＧＶ調節弁開度指令と
ＩＧＶ調節弁開度検出器からの出力信号の偏差を個々のサーボアンプの信号増幅により調節弁開度を操作するサーボコイルへ電流を流すようになっている。ＩＧＶ調節弁は３重系コイルサーボ弁であり、３個のコントローラＡ，Ｂ，Ｃの個々のサーボアンプ出力電流の総和により駆動される。サーボ弁異常発生時で１系のみが異常の場合は、異常である１系コントローラをサーボ弁から切り離して２系運転を行う。

そこで、〔特許文献１〕に記載の従来技術では、複数コイルサーボ弁の故障制御系を、運転中に復帰させる切り換えを複数コイルサーボ弁の安定動作を損なわずに行うようにしている。復帰用のコントローラからは復帰当初は、バンプレスト復帰手段によってサーボ弁位置検出フィードバック値が制御指令値として出力される。その結果、サーボアンプに入力される制御指令値とサーボ弁位置検出フィードバック値の偏差は零となり、サーボアンプからサーボコイルには駆動電流が供給されないので、復帰前と同じ状態を保持できる。これにより、コントローラ復帰時に他の２つの系でバランスしている制御指令値に追従することによるサーボアンプ出力の飽和を防ぐようにしている。

特開２００５−１０５９１２号公報

しかしながら、〔特許文献２〕に記載の従来の技術では、サーボ弁の異常発生時におけるコントローラの切り換え、復帰時における制御指令値追従機能に重点が置かれており、異常発生時の故障部位の究明は行われていない。このため、ユーザが復旧を行う場合に故障原因が特定できなく、復旧作業が遅れるという問題があった。

本発明の第１の目的は、３重系コイルサーボ弁回路において、異常が発生した場合にその１系を切り離し、切り離す際に他系ならびにモデル信号の偏差により故障原因を明らかにできるサーボ弁制御回路を提供することにある。

本発明の第２の目的は、３重系コイルサーボ弁回路において、異常が発生した場合に、ユーザーの復旧対応を迅速にでき、制御装置としての信頼性を高めることのできるサーボ弁制御回路を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のサーボ弁制御回路は、サーボ弁の開度を操作する３重系サーボコイルに流す電流値を制御する３系のコントローラと、サーボ弁の実開度を検出するサーボ弁開度検出器からのサーボ弁の実開度信号とコントローラからのサーボ弁開度指令値の偏差を増幅しサーボコイルに電流を供給するサーボアンプと、サーボ弁の実開度及びサーボアンプの出力値を入力して異常検出判定を行う３系の異常検出回路でサーボ弁回路異常と判定された場合にコントローラとサーボコイルを切り離す切離回路を備え、異常検出回路は、３重系コイルサーボ弁回路正常時のサーボコイル信号出力モデルの算出値と前記サーボアンプの信号値との第２の偏差により正常と異常の判定を行う。

又、前記異常検出回路は、サーボコイル信号出力モデルの算出値と前記サーボアンプの信号値の極性及び前記第２の偏差とサーボアンプの飽和値との比較によりサーボアンプの故障の有無を判定するものである。

本発明によれば、サーボ弁駆動回路の故障はサーボアンプ出力が飽和する異常で発生するが、サーボ駆動回路が正常な場合にもサーボ出力が飽和する場合があり、正常時のサーボアンプ出力モデルを作成し、信号レベルの妥当性を検証しているので、異常時と正常時を判定することができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。図１に本実施例に係るコンバインド発電プラント設備の全体構成図を、図２にサーボ弁回路の全体構成図を、図３にサーボ弁異常検出回路を、図４にサーボアンプ飽和時のサーボアンプ出力挙動について示す。

コンバインド発電プラント設備は、図１に示すように構成されている。ガスタービン１には圧縮機２が設置され、ガスタービン１と圧縮機２の間には燃焼器３が設置されている。燃焼器３には燃料が供給されるようになっており、圧縮機２で圧縮された空気と混合されて燃焼し、燃焼された燃焼ガスはガスタービン１に供給され、膨張して動翼を回転させる。

圧縮機２から供給される圧縮空気は、圧縮機２の第１段の翼の前段に設けられたＩＧＶ（入口案内翼）９により吸気量が調整される。吸気された空気は、多段の動翼および静翼を通りエネルギが与えられ、加減速を繰り返して圧縮される。吸気量を制御するＩＧＶ
（入口案内翼）９はＩＧＶ調節弁５によって制御されている。ＩＧＶ調節弁５は３重系コイルサーボ弁（以下、主弁又はサーボ弁ともいう）であり、サーボ弁制御回路８０によって３重系コントローラで制御されている。

ガスタービン１は、圧縮機２を及び圧縮機２に隣接する発電機４を駆動し、上述したように空気を圧縮し、発電を行う。ガスタービン１を駆動した後の湿り気を帯びた排ガスはＨＲＳＧ（廃熱回収ボイラ）６に導入され、余剰熱の回収が行われる。廃熱回収ボイラ６で回収された余剰熱により、蒸気を生成して蒸気タービン７に供給する。蒸気タービン７にて動翼が回転され、隣接する発電機１０を駆動させる。蒸気タービン７から排気される蒸気は、隣接する復水器８で凝縮され、ポンプ１１を通り再び廃熱回収ボイラへ運ばれる。

図２にはサーボ弁制御回路８０の全体構成を示す。サーボ弁制御回路８０は、開度検出器回路と、サーボ駆動回路と、コントローラで構成されている。開度検出器回路は、開度検出器１４と、整流器１５と、アナログインプットカード１９で構成される。主弁はサーボ弁１３であり、サーボ駆動回路は、サーボアンプ１６と、アナログインプットカード
２０で構成される。コントローラは、ＣＰＵカード３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃで構成されている。

サーボ弁の開度は、各ＣＰＵカード３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃからアナログアウトプットカード１８を介して出力される開度指令２７，２８，２９と、サーボ弁開度検出器１４から整流器１５を介してフィードバックされるサーボ弁実開度の偏差１７を、個々のサーボアンプ１６により信号増幅させてサーボ弁コイル１２に電流を流し、３個のサーボ弁コイル１２の電流総和によって調節される。ここで、開度検出回路では開度値不正で、サーボバルブでは機械的要因ならびにコイル断線で、サーボ駆動回路ではアンプ飽和で、コントローラではＣＰＵ停止といように異常検出項目が設定されている。

Ａ，Ｂ，Ｃ系の異常検出回路２４，２５，２６は、サーボ弁開度検出器１４から整流器１５を介してアナログインプットカード１９から入力されるサーボ弁実開度と、アナログインプットカード２０を介して入力されるサーボアンプ１６の出力値により後述する異常検出判定を行い、異常と判定された場合は、Ａ，Ｂ，Ｃ系の操作端切離２１，２２，２３に信号を出力して、各ＣＰＵカード３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃとサーボ弁コイル１２を切離回路３６によって切り離す。

他方、サーボ弁開度検出器１４から整流器１５，アナログインプットカード１９を介してＡ，Ｂ，Ｃ系の追従不良検出回路３０，３１，３２に入力されるサーボ弁実開度信号から、ソフトウェア回路にてＡ，Ｂ，Ｃ系３系の内２系が追従していないと判定されると、デジタルアウトプットカード３４を介して２ out of ３ハードウエア回路３５に信号が出力され、２ out of ３ハードウエア回路３５で再度判定されて、最終的にはソフトウエアならびにハードウエアの多数決理論が成り立つとトリップ（プラント停止）となる。

図３は、図２に示すＡ系の異常検出回路２４の詳細を示している。異常検出回路２４，２５，２６はそれぞれ同様に構成されている。

サーボ弁開度検出器の断線の検出方法について説明する。サーボ弁開度検出器１４からのＡ系サーボ弁実開度信号３７をモニターリレー４８に入力してＡ系サーボ弁開度検出器１４の断線診断を行う。モニターリレー４８にて断線と判定された場合は、開度検出器断線を示す信号６２をＯＲ回路６１を介して、図２に示すＡ系操作端切離２１に信号を出力して、Ａ系ＣＰＵカード３３ＡとＡ系サーボ弁コイル１２は切離回路３１によって切り離される。

次に、サーボアンプ異常飽和検出について説明する。Ａ系サーボ弁開度検出器１４からのＡ系サーボ弁実開度信号３７とＡ系コントローラからの開度指令値３８の偏差４６をサーボアンプモデル特性曲線４９に入力し、モデル化した出力値であるサーボアンプモデル出力を演算してその出力値とＡ系サーボアンプの実出力３９との偏差５５をモニターリレー５７に入力し、Ａ系サーボアンプ実出力３９の異常判定を行う。

又、Ａ系サーボアンプ実出力３９をモニターリレー５８に入力し、サーボ出力の飽和判定を行う。又、ＰＬＵ動作４０又は解列４１の場合には過渡的にサーボアンプが飽和するため、ＰＬＵ動作４０又は解列４１がＯＲ回路４７，ＮＯＴ回路５０から出力される条件を、サーボアンプ異常検出のインターロックとして加えている。

これらの判定の結果、サーボ出力異常６３，サーボ出力飽和６４，ＰＬＵ，解列除外
６５が成立する場合は、ＡＮＤ回路５９ならびにタイマー回路６０，ＯＲ回路６１を経てサーボアンプ出力飽和異常６７でＡ系操作端切離２１となり、Ａ系コントローラであるＡ系ＣＰＵカード３３ＡとＡ系サーボ弁コイル１２は切離回路３１によって切り離される。

次に他系との偏差が大かどうかの検出、すなわちＡ系逸脱かどうかの検出について説明する。サーボ弁開度検出器１４からのＡ系サーボ弁実開度３７とサーボ弁開度検出器１４からのＢ系サーボ弁実開度４２の偏差をモニターリレー５１に入力して、Ｂ系と比較することでＡ系の逸脱検出を行う。又、サーボ弁開度検出器１４からのＡ系サーボ弁実開度
３７とサーボ弁開度検出器１４からのＣ系サーボ弁実開度４３の偏差をモニターリレー
５２に入力して、Ｃ系と比較することでＡ系の逸脱検出を行う。ここで、Ａ系逸脱とは、Ａ系だけが偏差大であり、Ｂ系とＣ系の偏差は小さい場合をいう。

又、Ｂ系逸脱検出４４がＮＯＴ回路５３から出力する条件であり、Ａ系の逸脱検出を行うために他系Ｂ系との偏差大信号が出力されていないことを確認し、Ｃ系逸脱検出４５がＮＯＴ回路５４から出力する条件であり、Ａ系の逸脱検出を行うために他系Ｃ系との偏差大信号が出力されていないことを確認する。

これらの判定の結果、Ｂ系と偏差大６９，Ｃ系と偏差大７０，Ｂ系逸脱無７１，Ｃ系逸脱無７２が成立する場合は、ＡＮＤ回路５６，ＯＲ回路６１を経て他系との偏差大（Ａ系逸脱検出）６６により、Ａ系操作端切離２１となり、Ａ系コントローラのＡ系ＣＰＵカード３３ＡとＡ系サーボ弁コイル１２は切離回路３１によって切り離される。

サーボアンプ異常飽和検出回路は、サーボ弁開度検出器１４からのＡ系サーボ弁実開度３７と、Ａ系コントローラからの指令値３８と、Ａ系サーボアンプ実出力３９と、サーボアンプモデル特性曲線４９と、モニターリレー５７と、モニターリレー５８とで構成されている。図４は、サーボアンプ異常飽和検出回路で検出されるサーボアンプが故障で飽和した場合と、サーボアンプが正常であるが飽和した場合のタイムチャートを示している。

サーボ弁駆動回路のサーボアンプ飽和は、サーボアンプ出力モデルを作成して、モデル出力と実信号との偏差を求めて故障時と正常時を判定する。

サーボアンプが故障して飽和する場合は、図４（ａ）に示すように、サーボアンプ出力１００が開側にサーボアンプの飽和値１０２となった時、サーボ弁開度検出器１４からの開度１０４がコントローラからの開度指令１０３に対し開方向となる。一方、サーボアンプモデル出力１０１は開度指令１０３に追従するため閉指令となる。この結果、サーボアンプ出力１００とサーボアンプモデル出力１０１とは逆極性で偏差は飽和値１０２以上となるので、その偏差により故障と判定できる。

サーボアンプが正常であるが飽和する場合は、図４（ｂ）に示すように、サーボアンプ出力１００とサーボアンプモデル出力１０１の誤差が発生するが、故障が発生していないため信号レベルは正常で、両者は同極性であるため偏差の最大値１０５はサーボアンプの飽和値１０２未満となり正常と判定できる。

このように、本実施例のサーボ弁異常検出回路を用いることにより、開度検出器の断線検出，サーボアンプ異常飽和検出，他系との偏差大検出の異常検出ができ、特にサーボアンプ飽和異常検出に関してはその故障要因を細分化することで、サーボアンプの信号レベルの妥当性を検証することができ、上記異常検出項目を警報表示として外部出力することでより明確になる。

本実施形態によれば３重系コントローラで制御する３コイルサーボ弁回路において、サーボ弁異常回路異常発生時においてその故障部位を検出でき、プラントの連続運転が可能である効果がある。又、サーボバルブ回路異常発生時に故障部位に対して異常検出し、コントローラ１系異常時には操作端を切り離し２系運転できる。又、サーボ駆動回路においてサーボアンプ出力が飽和状態の場合、サーボアンプモデルを設けサーボアンプモデル信号と実サーボ信号の偏差値によりサーボアンプが故障か正常かを判別できる。

本発明の一実施例である３コイルサーボ弁回路が適用されているコンバインド発電プラント設備の全体構成図である。 本実施例の３コイルサーボ弁回路の構成図である。 本実施例のサーボ弁異常検出回路の論理回路図である。 サーボアンプ飽和時のサーボアンプ出力，サーボ弁の開度指令と実開度のタイムチャートを示す図である。

符号の説明

１…ガスタービン、２…圧縮機、３…燃焼器、４，１０…発電機、５…ＩＧＶ調節弁
（サーボ弁）、６…廃熱回収ボイラ、７…蒸気タービン、８…復水器、９…ＩＧＶ（入口案内翼）、１１…ポンプ、１２…サーボ弁コイル、１３…サーボ弁、１４…開度検出器、１５…整流器、１６…サーボアンプ、１８…アナログアウトプットカード、１９，２０…アナログインプットカード、２１…Ａ系操作端切離、２２…Ｂ系操作端切離、２３…Ｃ系操作端切離、２４…Ａ系異常検出回路、２５…Ｂ系異常検出回路、２６…Ｃ系異常検出回路、３３Ａ…Ａ系ＣＰＵカード、３３Ｂ…Ｂ系ＣＰＵカード、３３Ｃ…Ｃ系ＣＰＵカード、３４…デジタルアウトプットカード、３５…２アウトオブ３ハードウエア回路。

Claims (1)

1. ＩＧＶ調節弁であるサーボ弁の開度を操作する３重系サーボコイルに流す電流値を制御する３系のコントローラと、サーボ弁の実開度を検出するためのサーボ弁開度検出器と、該サーボ弁開度検出器からのサーボ弁の実開度信号と前記コントローラからのサーボ弁開度指令値の偏差を増幅し前記サーボコイルに電流を供給するサーボアンプと、前記サーボ弁開度検出器からのサーボ弁の実開度及びサーボアンプの実出力を入力して異常検出判定を行う３系の異常検出回路と、該異常検出回路でサーボ弁回路異常と判定された場合に前記コントローラと前記サーボコイルを切り離す切離回路を備え、前記異常検出回路は、他系とのサーボ弁開度検出器からのサーボ弁の実開度の偏差から逸脱検出を行い、故障した１系を抽出するために他の２系が故障していない条件から故障した１系の特定を行う他系との偏差大検出と、サーボアンプ出力モデルの出力とサーボアンプの実出力との極性と偏差によりサーボアンプが故障して飽和する場合とサーボアンプが正常で飽和する場合を判定するサーボアンプ異常飽和検出とを有するサーボ弁制御回路。

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