秦山二期汽機(jī)調(diào)門雙LVDT改造的安裝與調(diào)試

吳 楓，李鵬宇

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

秦山二期1、2號(hào)機(jī)組每個(gè)機(jī)組共有4個(gè)高壓主調(diào)門[1]，正常功率運(yùn)行情況下，機(jī)組功率由4個(gè)相同的調(diào)門根據(jù)DEH來(lái)的信號(hào)進(jìn)行控制。當(dāng)給定或外界轉(zhuǎn)速、壓力、負(fù)荷等參數(shù)變化時(shí)，DEH系統(tǒng)輸出開(kāi)大或關(guān)小汽閥的信號(hào)，經(jīng)MOOG閥將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成彈簧片的位移信號(hào)，經(jīng)噴嘴控制使伺服閥活塞產(chǎn)生位移，輸出高壓油對(duì)油動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)油動(dòng)機(jī)活塞移動(dòng)時(shí)，用于反饋的線性位移變送器（LVDT）將油動(dòng)機(jī)活塞的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該信號(hào)返回到DEH中，與閥門控制指令信號(hào)進(jìn)行比較。如果相等，電液伺服閥的活塞回到中間位置，從而切斷油動(dòng)機(jī)的進(jìn)油通道，油動(dòng)機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)在新的工作位置上達(dá)到平衡。

改造前，每個(gè)汽機(jī)調(diào)門的控制回路上只有1塊調(diào)門控制卡、1個(gè)LVDT，缺乏冗余設(shè)計(jì)，一旦卡件或LVDT出現(xiàn)故障，立即會(huì)出現(xiàn)調(diào)門波動(dòng)或關(guān)閉，導(dǎo)致機(jī)組瞬態(tài)[2]。至今已多次出現(xiàn)調(diào)門控制卡故障，導(dǎo)致調(diào)門突關(guān)、機(jī)組降功率檢修的情況。

目前，秦山二期1、2號(hào)機(jī)組已完成調(diào)門雙LVDT的改造，使用情況良好，未出現(xiàn)異常情況。借此，對(duì)其他需要改造的電廠在設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過(guò)程中給予參考。

1 改造思路

在DEH控制機(jī)柜內(nèi)，原來(lái)1個(gè)調(diào)門對(duì)應(yīng)1塊調(diào)門控制卡，改造還需增加4塊調(diào)門控制卡，每個(gè)調(diào)門對(duì)應(yīng)兩塊調(diào)門控制卡，每塊卡各自對(duì)應(yīng)1個(gè)LVDT；原先LVDT的1組初級(jí)線圈和2組次級(jí)線圈以及MOOG閥的兩組線圈都接到1塊調(diào)門控制卡上，改造后每個(gè)LVDT的1組初級(jí)線圈和2組次級(jí)線圈接到對(duì)應(yīng)的調(diào)門控制卡上，MOOG閥的第1組線圈接到主的調(diào)門控制卡上，MOOG閥的第2組線圈接到副的調(diào)門控制卡上；冗余調(diào)門控制卡之間采用屏蔽雙絞線互連。

新加的4塊調(diào)門控制卡與原有的調(diào)門控制卡為硬件冗余配置。由DEH系統(tǒng)按照下列條件判定調(diào)門控制卡和其對(duì)應(yīng)的LVDT的工作狀態(tài)：①調(diào)門控制卡硬件故障；②LVDT故障；③MOOG閥線圈故障（短路或開(kāi)路），需進(jìn)行主卡和備用卡（冗余備用）的切換。

圖2 LVDT接線圖Fig.2 Wiring diagram of LVDT

雙LVDT改造正值DEH系統(tǒng)升級(jí)改造窗口，新增卡件的設(shè)計(jì)在DEH升級(jí)改造中一并考慮。由于各個(gè)電廠的上層控制系統(tǒng)不同，這里不再對(duì)上層卡件改造部分進(jìn)行贅述。

改造后示意圖如圖1所示。在日常運(yùn)行期間，如調(diào)門控制卡A為主，調(diào)門控制卡B為副，根據(jù)機(jī)組工況、LVDT反饋等信息給出調(diào)門開(kāi)度指令的運(yùn)算都在主的調(diào)門控制卡A中進(jìn)行，并輸出到MOOG閥線圈上，而備用調(diào)門控制卡B僅復(fù)制主卡的伺服閥線圈輸出。如主卡或主的LVDT出現(xiàn)故障，備用的調(diào)門控制卡B卡切換為主卡，并由調(diào)門控制卡B計(jì)算給出調(diào)門開(kāi)度指令。

圖1 改造后結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Assumption diagram after upgrade

新的調(diào)門控制界面也需在組態(tài)時(shí)，增加卡件主備狀態(tài)、伺服線圈電壓輸出、每個(gè)LVDT的閥位反饋等信息的畫面顯示，并增加相應(yīng)報(bào)警，而且新的調(diào)門控制卡還具有調(diào)門校驗(yàn)參數(shù)上傳和下載功能。每次大修啟機(jī)前，校驗(yàn)好的調(diào)門參數(shù)可以上傳到控制器上進(jìn)行保存，如調(diào)門控制卡故障更換后，僅需將保存的參數(shù)下載即可。

2 LVDT原理

目前使用的LVDT是交流六線制，外殼中有1組初級(jí)線圈和兩組次級(jí)線圈，在線圈內(nèi)部有1個(gè)可自由移動(dòng)的鐵芯，3組線圈的3組接線按說(shuō)明書要求分別接到調(diào)門控制卡對(duì)應(yīng)的端子上。正常工作時(shí)，調(diào)門控制卡給初級(jí)線圈提供一定頻率的交變電壓，通過(guò)改變鐵芯在線圈內(nèi)的相對(duì)位置來(lái)改變空間的磁場(chǎng)分布，從而改變了初級(jí)線圈、次級(jí)線圈之間的互感量，兩組次級(jí)線圈也就產(chǎn)生了不同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，調(diào)門控制卡根據(jù)兩組次級(jí)線圈的電壓值來(lái)判斷鐵芯在線圈內(nèi)的位置，從而得出閥門當(dāng)前的開(kāi)度反饋。

LVDT差動(dòng)變壓器式位移傳感器的特點(diǎn)：①原理直觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)，其出線都用絕緣材料包住，能抗高溫；②靈敏度高、線性范圍寬、重復(fù)性好；③分辨率高、微小的動(dòng)作即有感應(yīng)電壓輸出；④結(jié)構(gòu)對(duì)稱、零位可恢復(fù)，可重復(fù)安裝使用；⑤輸入和輸出隔離，抗干擾性好。

3 雙LVDT的安裝

原調(diào)門的單支LVDT裝在閥門油動(dòng)機(jī)側(cè)面，油動(dòng)機(jī)上開(kāi)有2個(gè)固定螺栓孔和2個(gè)定位銷，用以固定LVDT的線圈。LVDT的鐵芯上端固定在一塊角鐵上，角鐵連至調(diào)門閥桿上。

要安裝第2支LVDT必須新增2個(gè)固定螺栓孔和2個(gè)定位銷，考慮到在油動(dòng)機(jī)上開(kāi)孔的風(fēng)險(xiǎn)（如打孔出現(xiàn)裂紋，整個(gè)油動(dòng)機(jī)無(wú)法使用），放棄了在原LVDT的安裝孔水平位置開(kāi)孔的方案，因此需要考慮一種改動(dòng)量較小的方案。

設(shè)計(jì)人員考慮新加工一塊固定板，大小和油動(dòng)機(jī)側(cè)面大致一樣，利用原LVDT的安裝孔和定位銷將固定板和油動(dòng)機(jī)固定，并在4個(gè)角進(jìn)行電焊，保證安裝牢固可靠。該固定板的外側(cè)提前布置好雙LVDT的安裝位置并打上螺栓孔和定位銷孔，將雙LVDT固定在安裝板上。這樣一來(lái)，可以免去油動(dòng)機(jī)上打孔的風(fēng)險(xiǎn)，僅需加工一塊固定板。

鐵芯固定方案較為簡(jiǎn)單，原先固定角鐵可以繼續(xù)使用，待LVDT線圈固定完畢后，試裝鐵芯，并重新開(kāi)孔即可。

新增LVDT后，多了3組接線。根據(jù)各廠需要，在油動(dòng)機(jī)接線盒增加端子排。

4 雙LVDT調(diào)試

4.1 鐵芯位置的固定

LVDT工作過(guò)程中，鐵芯的活動(dòng)不能超出線圈的線性范圍。若超出線性區(qū)域，測(cè)量數(shù)值將不準(zhǔn)確。因此，所有的LVDT均有一個(gè)線性范圍。由于LVDT線性度在中間位置最好，因而需要閥門在全行程動(dòng)作的時(shí)候，鐵芯在兩組次級(jí)線圈中間來(lái)回動(dòng)作，也就是說(shuō)最佳的安裝位置是：當(dāng)閥門在50%開(kāi)度時(shí)，鐵芯的下端正好在兩個(gè)次級(jí)線圈的中間[3]。

假定：現(xiàn)場(chǎng)油動(dòng)機(jī)（被測(cè)量物）行程是a，LVDT的行程是b（實(shí)際中b≥a，否則無(wú)法使用該LVDT）。油動(dòng)機(jī)的全行程a是指全開(kāi)到全關(guān)的距離，而LVDT的行程是指LVDT鐵芯的有效行程的距離（鐵桿上2個(gè)黑線圈間的距離），實(shí)際控制油動(dòng)機(jī)的全開(kāi)和全關(guān)是靠著輸出的0%～100%的指令來(lái)完成的。0%～100%對(duì)應(yīng)油動(dòng)機(jī)從0～a的開(kāi)度，所以0%～100%也要對(duì)應(yīng)LVDT的線性范圍內(nèi)的0～a的距離。一般來(lái)說(shuō)，LVDT中點(diǎn)左右線性最好，因此只要把LVDT行程的中點(diǎn)與油動(dòng)機(jī)行程的中點(diǎn)重合在一起，就可以讓LVDT在最好的線性范圍內(nèi)活動(dòng)。由于安裝LVDT的時(shí)候不能讓油動(dòng)機(jī)來(lái)回開(kāi)關(guān)，故應(yīng)找到油動(dòng)機(jī)的中點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)LVDT的外殼實(shí)際是固定在汽輪機(jī)上，可以認(rèn)為不動(dòng)，而鐵芯則與油動(dòng)機(jī)固定在一起，油動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)則帶動(dòng)鐵芯活動(dòng)產(chǎn)出位移差。因此，可以在門處于全關(guān)狀態(tài)下，讓LVDT的第1個(gè)黑線圈露出套筒（b-a）/2。這樣，當(dāng)門全開(kāi)的時(shí)候，LVDT還有b-a-（b-a）/2=（b-a）/2的距離，與初始露出的相同，保證了LVDT的中點(diǎn)跟油動(dòng)機(jī)的中點(diǎn)很好地重合在一起，保證了控制的精度[4]。同樣，DEH系統(tǒng)里調(diào)門全行程校驗(yàn)的數(shù)據(jù)也要求全開(kāi)校驗(yàn)位置（TOP CAL POSITION）和全關(guān)校驗(yàn)位置（BOT CAL POSITION）的值的絕對(duì)值基本一致，即全開(kāi)位置時(shí)次級(jí)線圈的電壓正值和全關(guān)位置時(shí)次級(jí)線圈的電壓負(fù)值，兩者的絕對(duì)值要一致。

由于無(wú)法在閥門動(dòng)作50%時(shí)進(jìn)行鐵芯的固定，而且調(diào)門全行程校驗(yàn)前也無(wú)法準(zhǔn)確定位50%的位置，因而只有通過(guò)其他測(cè)量手段，通過(guò)計(jì)算后再在0%位時(shí)進(jìn)行固定[5]。

首先，先通過(guò)調(diào)門本體的手冊(cè)或機(jī)械專業(yè)處得到調(diào)門全行程的距離（也可以將調(diào)門全開(kāi)全關(guān)一遍，手動(dòng)進(jìn)行測(cè)量）；然后，在閥門全關(guān)的時(shí)候，用兩塊萬(wàn)用表分別測(cè)量?jī)山M次級(jí)線圈的交流電壓值，緩慢移動(dòng)鐵芯在線圈內(nèi)的位置，通過(guò)兩組電壓值來(lái)確定出閥門50%時(shí)鐵芯的位置。根據(jù)LVDT的特性，當(dāng)兩組電壓的正負(fù)相反、絕對(duì)值一致的時(shí)候，就是50%的位置，應(yīng)做好標(biāo)記；最后，從當(dāng)前位置將鐵芯下移調(diào)門全行程距離的一半，該位置即是零點(diǎn)位置，用螺帽將鐵芯固定好。

通過(guò)4個(gè)調(diào)門的全行程校驗(yàn)，這個(gè)方法安裝鐵芯的位置完全滿足調(diào)門校驗(yàn)的數(shù)據(jù)要求。

4.2 雙LVDT切換試驗(yàn)

校驗(yàn)完成后，還需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行如下調(diào)試：汽機(jī)掛閘后，全部閥門強(qiáng)制開(kāi)到50%左右。

1）對(duì)1～4號(hào)調(diào)門的主備兩路控制回路進(jìn)行冗余切換試驗(yàn)，確認(rèn)調(diào)門控制無(wú)明顯波動(dòng)。

2）伺服閥線圈短路、斷路試驗(yàn)。斷開(kāi)或短接主的MOOG閥線圈，備用的調(diào)門控制卡切換為主卡。在這種情況下，調(diào)門閥位無(wú)明顯波動(dòng)，調(diào)門命令及反饋在實(shí)驗(yàn)前后保持一致，確認(rèn)調(diào)門控制卡切換無(wú)擾。

3）LVDT斷線試驗(yàn)，分別斷開(kāi)初級(jí)線圈、次級(jí)線圈。同樣，備用的調(diào)門控制卡切換為主卡。在這種情況下，調(diào)門閥位無(wú)明顯波動(dòng)，調(diào)門命令及反饋在實(shí)驗(yàn)前后保持一致，調(diào)門控制卡切換過(guò)程中未產(chǎn)生擾動(dòng)。

4）調(diào)門控制卡故障試驗(yàn)。通過(guò)拔出主卡試驗(yàn)，備用的調(diào)門控制卡切換為主卡。在這種情況下，調(diào)門閥位無(wú)明顯波動(dòng)，調(diào)門命令及反饋在實(shí)驗(yàn)前后保持一致，調(diào)門控制卡切換無(wú)擾。

5 改造后優(yōu)點(diǎn)

以之前出現(xiàn)過(guò)的調(diào)門控制卡故障事件為例，對(duì)改造前、改造后的情況進(jìn)行分析對(duì)比，詳見(jiàn)表1。

表1 改造前、改造后的情況分析對(duì)比Table 1 Analysis and comparison of the situation before and after the transformation

6 結(jié)束語(yǔ)

調(diào)門雙LVDT改造后的設(shè)備通過(guò)提升冗余配置獲得了可靠性的提升[6]，使機(jī)組瞬態(tài)的可能性大大降低，保證了機(jī)組的滿功率安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高了機(jī)組的效益，而且在故障處理過(guò)程中，時(shí)間大大縮減，步驟的困難和復(fù)雜程度大大降低，極大地減少了人為失誤造成的風(fēng)險(xiǎn)，保障了機(jī)組的安全。結(jié)合多年汽機(jī)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)以及升級(jí)改造實(shí)施調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，給出了調(diào)門雙LVDT改造安裝調(diào)試的一些建議，希望能給后續(xù)需要改造的電廠給予幫助。