论文部分内容阅读
摘 要：针对传统数字电液控制（DEH）系统故障诊断方法的延后问题及独立诊断系统的实用性较差的问题，本文基于大量的历史运行数据总结伺服阀堵塞故障、伺服阀线圈故障、线性可变差动传感器（LVDT）故障等DEH系统常见的故障表征，并以此得出各类的诊断规则。通过构建多个故障的诊断模块并植入机组DEH系统，实现了汽轮机多种DEH故障的提前预警。该系统已在实际机组投入运行，效果良好，具有一定的推广应用价值。
关键词：数字电液控制系统 故障诊断 伺服阀 线性差动变压器 线圈故障
中图分类号：U226 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0088-03
Online Fault Diagnosis Method of DEH System Based on Operating Data
LI Haidong1 CHEN Lili1 LI Jianpeng1 LIU Dongxu2*
（1. Huaneng Group Xindian Power Generation Co.， Ltd.， Zibo， Shandong province， 255400 China;
2. Harbin Wohua Intelligent Power Equipment Co.， Ltd.， Harbin， Heilongjiang province， 150001 China）
Abstract： Aiming at the delay problem of the traditional Digital Electric Hydraulic control system（DEH） fault diagnosis method and the poor practicability of the independent diagnosis system， this paper summarizes the fault characteristics of common faults in the DEH system such as servo valve blockage fault， servo valve coil fault， linear variable differential sensor （LVDT） fault， etc.， and draws various diagnostic rules based on a large amount of historical operating data. For this problems， this paper summarizes the historical operation rules to obtain the characteristics of common DEH faults. By constructing multiple fault diagnosis modules and implanting the DEH system of the unit， the early warning of various DEH faults of the steam turbine is realized. The system has been put into operation in the actual unit， the effect is good， and it has certain popularization and application value.
Key Words： DEH; Fault Diagnosis; Servo valve; LVDT; Coil fault
DEH是發电厂汽轮机重要电调控制系统，长期运行过程中一旦出现故障，轻则会出现负荷剧烈波动，重则可能会危及机组安全可靠运行[1]。
造成汽轮机DEH故障的原因很多，如信号电缆屏蔽层未接地造成的TSI参数消失[2]、LVDT的线圈磨损造成阀门异常动作[3]、BC板/VP卡故障[4-5]等。因此，大量学者开展DEH故障的相关研究工作。一方面，很多学者开展DEH控制系统故障机理研究工作[6]。朱伟等系统分析了汽轮机调节系统常见故障及应对措施[7]。对此，也有部分学者对汽轮机DEH故障诊断方法进行研究[8-9]。沈正华等系统的分析了造成油动机卡涩故障的原因，并给出了相应的解决方案[10]。张江丰等提出了利用视频图像实时监控LVDT动作状态，弥补人工巡检的不足[11]。然而，这类DEH系统故障方法大多是在问题暴露或发生后进行的，处理方式较为被动，极易因为失去最佳处理时机导致缺陷扩大化、复杂化。因此，还有学者试图构建DEH故障诊断系统[12]。但这种系统并未与机组DCS相融合，而是作为一个系统独立存在，在实际运行中存在诸多不便。
本文针对传统汽轮机DEH诊断方法延迟问题以及现有DEH诊断系统操作不便的问题，通过大量机组运行数据总结得出常见DEH故障的表征，并建立了基于机组DCS的故障诊断系统，用以辅助运行人员维护机组。
1 DEH故障诊断机理分析
1.1 故障诊断原理
DEH故障严重威胁汽轮机的安全运行，常见DEH故障包括伺服阀堵塞、伺服阀线圈故障、LVDT开/关向过线性区、LVDT故障等。此类故障会降低调阀的调节精度，影响机组出力，严重时甚至会造成机组跳机。在传统DEH系统故障诊断时，一部分研究是基于机组测量信号，如负荷，阀门开度、阀杆行程等。这种测量信号是故障已经产生，进而引起的连锁反应，其本身已经具有一定的延迟特性，利用此类信号进行故障诊断时也不可避免的引入了延迟问题。实际上，各类故障都会引起DEH控制信号参数的变化，如伺服阀电压值、传入伺服阀的功放电压值等等，这些信号在故障发生的早期就会产生异常变化。因此，基于DEH控制信号的故障诊断方法能够减小延迟，其实用性更强。 如图1所示，VPC卡阀门指令回送值、LVDT高选值、LVDT电压值和功放至伺服阀电压值S1、S2等参数随着跟随DEH指令要求变化，在正常状态下，各参数都在合理范围内变化且相互之间存在一定的关联性。当出现故障时，DEH控制模块内各参数将会出现异常波动。因此，可以对DEH控制系统故障处理判断情况进行总结，得出DEH故障的诊断准则。
1.2 故障诊断准则
通过对大量机组运行数据总结研究，得出如下DEH控制系统故障准则：
（1）伺服阀堵塞故障同时满足以下条件。
①阀位指令回送值与LVDT高选值偏差超过±0.5V;
②S值>1或S值<1持续5s以上。
（2）伺服阀线圈故障满足以下任一条件。
①S1与S2值偏差超过±0.3V;
②S1或S2>4V或<-4V。
（3）LVDT开向过线性区同时满足以下条件。
①阀位指令回送值≥4.98V，且LVDT高选值≥4.99V;
②S值>1。
（4）LVDT关向过线性区同时满足以下条件。
①阀位指令回送值≤0.1V，且LVDT高选值≤0V;
②S值<1。
（5）LVDT故障包括LVDT1故障或LVDT2故障。
LVDT1故障满足以下任一条件：
①“阀位指令回送值与LVDT2偏差不超过±0.2V”且“LVDT1与LVDT2偏差超过0.5V，且LVDT1=5V”;
②“LVDT1波动，LVDT2不波动”且“S值不波动”。
LVDT2故障满足以下任一条件：
①“阀位指令回送值与LVDT1偏差不超过±0.2V”且“LVDT1与LVDT2偏差超过0.5V，且LVDT2=5V”;
②“LVDT2波动，LVDT1不波动”且“S值波动”。
2 DEH故障诊断系统设计
2.1 故障诊断模块构建
以#1高调门LVDT开向过线性区故障诊断模块为例，判断逻辑如图2所示。图2上方对VPC卡阀门指令回送电压值、LVDT高选电压值判断，下方是对传入伺服阀的功放电压值S1、S2判断，所有判断结果传入后方的八输入或模块（Qor8），同时满足上述四个判断条件后表示#1高调门开向过线性区。其他故障诊断模块设计同理。
2.2 故障诊断模块构建
从上文可以看出，基于运行数据总结得出的诊断准则并构建的逻辑模块设计简单，不存在较大的运算量，非常适合应用到机组DCS系统中。此外，移植到DCS中的另一个优点是便于运行人员的快速反应。图3为故障诊断系统界面，在监视画面中共有六项报警按钮，如果发生故障，报警按钮则会闪烁。报警项目中包含所有判断测点目录。此外，发生报警的测点会自动记录报警发生时间。
综上所述，该故障诊断系統可以将DEH阀门线性位移传感器、伺服阀等早期故障在DCS画面直观显示并报警，提高故障提前发现的概率，有助于在故障发生的早期开展检修工作。同时，也大大简化了运行人员日常监控和维护工作。
该系统已在实际机组中投入使用，在实际运行中收到良好效果，多次指导完成消缺工作。
3 结语
本文通过总结大量机组故障数据，得出了VPC卡阀门指令回送值、LVDT高选值、LVDT电压值和功放至伺服阀电压值等参数与多类故障间的关联性，依此建立各故障的诊断模型，设计了一套DEH阀门线性位移传感器、伺服阀在线故障诊断程序逻辑，做到问题早发现早处理，因此具有一定的推广应用价值。
参考文献
[1] 张庄.汽轮机供油控制系统开发及油动机故障诊断[D].大连：大连理工大学，2019.
[2] 李朝戬.汽轮机监测系统与数字式电液控制系统信号传送故障分析及解决措施[J].热力发电，2006（5）：69.
[3] 朱珂，高生辉，张福仲，等.亚临界600MW机组汽轮机调节阀线性可变差动变送器故障分析及改进[J].热力发电，2011，40（1）：79-81.
[4] 柯立勇.1000MW汽轮机DEH系统故障处理分析[J].山东工业技术，2016（3）：15，12.
[5] 孙博，范金涛，张安伟.600MW机组DEH系统故障探究与维护策略思考[J].科技创新导报，2018，15（15）：39-40.
[6] 郭伯春，肖胜.汽轮机阀门状态诊断系统设计与实现[J].华电技术，2016，38（3）：38-40，78.
[7] 朱伟，马骁，崔阳，于志远，等.汽轮机调节系统故障检测及诊断技术应用分析[J].科技创新导报，2015，12（14）：64-65，67.
[8] 肖林海.汽轮机DEH系统参数优化及故障查询研究[D].兰州：兰州理工大学，2011.
[9] 朱德宇.汽轮机阀位控制卡冗余设计及可靠性分析[D].上海：上海交通大学，2017.
[10] 沈正华，严祖林.高压油动机故障的分析及处理[J].浙江电力，2002，21（2）：67-68.
[11] 张江丰，尹峰，苏烨，等.基于视频处理的汽轮机调节阀LVDT故障自动监控技术[J].热力发电，2017，46（12）：18-23.
[12] 王清.基于FMEA和FTA的故障诊断技术及其在DEH系统中的应用[D].华北电力大学（北京），2004.
关键词：数字电液控制系统 故障诊断 伺服阀 线性差动变压器 线圈故障
中图分类号：U226 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0088-03
Online Fault Diagnosis Method of DEH System Based on Operating Data
LI Haidong1 CHEN Lili1 LI Jianpeng1 LIU Dongxu2*
（1. Huaneng Group Xindian Power Generation Co.， Ltd.， Zibo， Shandong province， 255400 China;
2. Harbin Wohua Intelligent Power Equipment Co.， Ltd.， Harbin， Heilongjiang province， 150001 China）
Abstract： Aiming at the delay problem of the traditional Digital Electric Hydraulic control system（DEH） fault diagnosis method and the poor practicability of the independent diagnosis system， this paper summarizes the fault characteristics of common faults in the DEH system such as servo valve blockage fault， servo valve coil fault， linear variable differential sensor （LVDT） fault， etc.， and draws various diagnostic rules based on a large amount of historical operating data. For this problems， this paper summarizes the historical operation rules to obtain the characteristics of common DEH faults. By constructing multiple fault diagnosis modules and implanting the DEH system of the unit， the early warning of various DEH faults of the steam turbine is realized. The system has been put into operation in the actual unit， the effect is good， and it has certain popularization and application value.
Key Words： DEH; Fault Diagnosis; Servo valve; LVDT; Coil fault
DEH是發电厂汽轮机重要电调控制系统，长期运行过程中一旦出现故障，轻则会出现负荷剧烈波动，重则可能会危及机组安全可靠运行[1]。
造成汽轮机DEH故障的原因很多，如信号电缆屏蔽层未接地造成的TSI参数消失[2]、LVDT的线圈磨损造成阀门异常动作[3]、BC板/VP卡故障[4-5]等。因此，大量学者开展DEH故障的相关研究工作。一方面，很多学者开展DEH控制系统故障机理研究工作[6]。朱伟等系统分析了汽轮机调节系统常见故障及应对措施[7]。对此，也有部分学者对汽轮机DEH故障诊断方法进行研究[8-9]。沈正华等系统的分析了造成油动机卡涩故障的原因，并给出了相应的解决方案[10]。张江丰等提出了利用视频图像实时监控LVDT动作状态，弥补人工巡检的不足[11]。然而，这类DEH系统故障方法大多是在问题暴露或发生后进行的，处理方式较为被动，极易因为失去最佳处理时机导致缺陷扩大化、复杂化。因此，还有学者试图构建DEH故障诊断系统[12]。但这种系统并未与机组DCS相融合，而是作为一个系统独立存在，在实际运行中存在诸多不便。
本文针对传统汽轮机DEH诊断方法延迟问题以及现有DEH诊断系统操作不便的问题，通过大量机组运行数据总结得出常见DEH故障的表征，并建立了基于机组DCS的故障诊断系统，用以辅助运行人员维护机组。
1 DEH故障诊断机理分析
1.1 故障诊断原理
DEH故障严重威胁汽轮机的安全运行，常见DEH故障包括伺服阀堵塞、伺服阀线圈故障、LVDT开/关向过线性区、LVDT故障等。此类故障会降低调阀的调节精度，影响机组出力，严重时甚至会造成机组跳机。在传统DEH系统故障诊断时，一部分研究是基于机组测量信号，如负荷，阀门开度、阀杆行程等。这种测量信号是故障已经产生，进而引起的连锁反应，其本身已经具有一定的延迟特性，利用此类信号进行故障诊断时也不可避免的引入了延迟问题。实际上，各类故障都会引起DEH控制信号参数的变化，如伺服阀电压值、传入伺服阀的功放电压值等等，这些信号在故障发生的早期就会产生异常变化。因此，基于DEH控制信号的故障诊断方法能够减小延迟，其实用性更强。 如图1所示，VPC卡阀门指令回送值、LVDT高选值、LVDT电压值和功放至伺服阀电压值S1、S2等参数随着跟随DEH指令要求变化，在正常状态下，各参数都在合理范围内变化且相互之间存在一定的关联性。当出现故障时，DEH控制模块内各参数将会出现异常波动。因此，可以对DEH控制系统故障处理判断情况进行总结，得出DEH故障的诊断准则。
1.2 故障诊断准则
通过对大量机组运行数据总结研究，得出如下DEH控制系统故障准则：
（1）伺服阀堵塞故障同时满足以下条件。
①阀位指令回送值与LVDT高选值偏差超过±0.5V;
②S值>1或S值<1持续5s以上。
（2）伺服阀线圈故障满足以下任一条件。
①S1与S2值偏差超过±0.3V;
②S1或S2>4V或<-4V。
（3）LVDT开向过线性区同时满足以下条件。
①阀位指令回送值≥4.98V，且LVDT高选值≥4.99V;
②S值>1。
（4）LVDT关向过线性区同时满足以下条件。
①阀位指令回送值≤0.1V，且LVDT高选值≤0V;
②S值<1。
（5）LVDT故障包括LVDT1故障或LVDT2故障。
LVDT1故障满足以下任一条件：
①“阀位指令回送值与LVDT2偏差不超过±0.2V”且“LVDT1与LVDT2偏差超过0.5V，且LVDT1=5V”;
②“LVDT1波动，LVDT2不波动”且“S值不波动”。
LVDT2故障满足以下任一条件：
①“阀位指令回送值与LVDT1偏差不超过±0.2V”且“LVDT1与LVDT2偏差超过0.5V，且LVDT2=5V”;
②“LVDT2波动，LVDT1不波动”且“S值波动”。
2 DEH故障诊断系统设计
2.1 故障诊断模块构建
以#1高调门LVDT开向过线性区故障诊断模块为例，判断逻辑如图2所示。图2上方对VPC卡阀门指令回送电压值、LVDT高选电压值判断，下方是对传入伺服阀的功放电压值S1、S2判断，所有判断结果传入后方的八输入或模块（Qor8），同时满足上述四个判断条件后表示#1高调门开向过线性区。其他故障诊断模块设计同理。
2.2 故障诊断模块构建
从上文可以看出，基于运行数据总结得出的诊断准则并构建的逻辑模块设计简单，不存在较大的运算量，非常适合应用到机组DCS系统中。此外，移植到DCS中的另一个优点是便于运行人员的快速反应。图3为故障诊断系统界面，在监视画面中共有六项报警按钮，如果发生故障，报警按钮则会闪烁。报警项目中包含所有判断测点目录。此外，发生报警的测点会自动记录报警发生时间。
综上所述，该故障诊断系統可以将DEH阀门线性位移传感器、伺服阀等早期故障在DCS画面直观显示并报警，提高故障提前发现的概率，有助于在故障发生的早期开展检修工作。同时，也大大简化了运行人员日常监控和维护工作。
该系统已在实际机组中投入使用，在实际运行中收到良好效果，多次指导完成消缺工作。
3 结语
本文通过总结大量机组故障数据，得出了VPC卡阀门指令回送值、LVDT高选值、LVDT电压值和功放至伺服阀电压值等参数与多类故障间的关联性，依此建立各故障的诊断模型，设计了一套DEH阀门线性位移传感器、伺服阀在线故障诊断程序逻辑，做到问题早发现早处理，因此具有一定的推广应用价值。
参考文献
[1] 张庄.汽轮机供油控制系统开发及油动机故障诊断[D].大连：大连理工大学，2019.
[2] 李朝戬.汽轮机监测系统与数字式电液控制系统信号传送故障分析及解决措施[J].热力发电，2006（5）：69.
[3] 朱珂，高生辉，张福仲，等.亚临界600MW机组汽轮机调节阀线性可变差动变送器故障分析及改进[J].热力发电，2011，40（1）：79-81.
[4] 柯立勇.1000MW汽轮机DEH系统故障处理分析[J].山东工业技术，2016（3）：15，12.
[5] 孙博，范金涛，张安伟.600MW机组DEH系统故障探究与维护策略思考[J].科技创新导报，2018，15（15）：39-40.
[6] 郭伯春，肖胜.汽轮机阀门状态诊断系统设计与实现[J].华电技术，2016，38（3）：38-40，78.
[7] 朱伟，马骁，崔阳，于志远，等.汽轮机调节系统故障检测及诊断技术应用分析[J].科技创新导报，2015，12（14）：64-65，67.
[8] 肖林海.汽轮机DEH系统参数优化及故障查询研究[D].兰州：兰州理工大学，2011.
[9] 朱德宇.汽轮机阀位控制卡冗余设计及可靠性分析[D].上海：上海交通大学，2017.
[10] 沈正华，严祖林.高压油动机故障的分析及处理[J].浙江电力，2002，21（2）：67-68.
[11] 张江丰，尹峰，苏烨，等.基于视频处理的汽轮机调节阀LVDT故障自动监控技术[J].热力发电，2017，46（12）：18-23.
[12] 王清.基于FMEA和FTA的故障诊断技术及其在DEH系统中的应用[D].华北电力大学（北京），2004.