9FB燃機燃料控制閥LVDT反饋偏差原因分析與解決方案

孔金波

【摘? 要】GE 9FB型燃機，使用SonicFloTM氣體燃料控制閥，輸送氣體燃料給工業燃氣輪機并保證燃燒系統的燃氣流量調節，該執行機構采用整體式單彈簧作用設計，其內部結構包括內置液壓過濾器、三重線圈電冗余伺服閥、直接耦合到液壓活塞的三重線圈LVDT位置反饋等。該執行機構采用位置反饋（LVDT）與伺服閥共同組成閉環隨動系統，來保證其不受壓力變化的近似百分比的流量特性。論文針對某熱電廠450 MW單元機組投產后氣體燃料控制閥三冗余LVDT偏差問題進行原因分析，制定解決方案。方案實行后機組的運行結果顯示，本次的實施方案不僅從根本上解決9FB燃機燃料控制閥LVDT偏差問題，而且保證了機組運行、燃燒安全與穩定。

【關鍵詞】燃機;閥門;燃料閥;LVDT;控制;伺服

【中圖分類號】TK478? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2022）06-0127-03

1 引言

GE能源集團是世界領先的發電設備和能源輸送技術的供應商，從2005年初至今，GE已向中國一期和二期的聯合循環電廠項目提供了20臺總計860萬千瓦發電能力的F級燃氣輪機發電機組，使得燃機發電機組在中國電網結構中的比重進一步加大[1]。華電昆山熱電廠聯合循環熱電聯產的燃氣輪機組使用的是美國GE公司的9FB.05型號的燃氣輪機，燃機控制系統使用的是GE的MARK VIe控制系統。該熱電廠以熱定電的運行方式對機組運行的安全、可靠性進行大大提高，然而燃機的燃料控制閥其執行機構三冗余LVDT在日常運行中會出現沒有規律的線性偏差，極大地影響了燃料伺服閥閉環控制的穩定性，進而影響了機組運行的穩定性。燃料控制閥位置反饋問題亟待解決。

2 燃料控制閥LVDT及控制邏輯介紹

2.1 燃料控制閥LVDT簡介

華電昆山熱電450 MW熱電聯產單元機組電廠聯合循環熱電聯產的燃氣輪機組使用的是美國GE公司的9FB.05型號的燃氣輪機，燃機控制系統使用的是GE的MARK VIe控制系統，該控制系統為三塊控制器冗余配置，其中燃機共裝有4臺SonicFloTM型氣體燃料控制閥，每個燃料控制閥內置3組woodward公司生產的型號為1886-7010型線圈LVDT位置傳感器如圖1所示。該型號LVDT的出廠設置為：3 000 Hz以下，加上7 Vrms勵磁電壓時，在最小位置，提供0.7 Vrms反饋;在最大位置，提供3.5 Vrms反饋。其在日常運行過程中用于燃料閥位置的測量、伺服控制系統的閉環控制等。

2.2 燃料控制閥LVDT控制邏輯

GE 9FB燃機燃料控制閥的主要功能是使其執行機構的開度跟隨FSR2（氣體燃料行程基準）的變化而變化，即滿足線性開度要求。在組態中FSR2乘以計算后的增益常數和加上調零偏置后成為FSROUT，作為燃料控制閥的閥位開度基準進入伺服卡件中[2]。而3組LVDT通過測量現場閥位，將反饋信號也輸入伺服卡件中，經過集成邏輯MINMAX大值選擇后在PI運算放大器前與FSROUT比較。如果存在差值則伺服卡件將改變送到伺服閥的輸出電流中驅動執行機構，重新調整偏置電流直到差值消失為止。邏輯圖如圖2所示。

式中，C為最終配置電流，V為50%閥位偏置電壓，Kr為伺服閥電阻，Ki為伺服閥涉及電流（見設備銘牌）。

因此，3組LVDT所輸出的閥位開度參數FSGn，具有反應閥門開度，并參與伺服閉環調節的功能，其參數的精準，對于燃料閥的調整乃至整個燃機燃燒的穩定有不可或缺的作用。

3 現狀分析

昆山熱電公司1#、2#機組分別于2017年9月26日和10月12日通過168 h運行，但自2018年6月開始，兩臺燃機各4組燃料控制閥均在不同開度、不同工況下無規律地陸續出現“GCV LVDT different fault”此報警。該廠熱控人員通過marklve控制系統內TOOLBOX邏輯查閱工具進行組態查詢后發現，此報警為GE公司設計的，利用軟件邏輯監控LVDT及其相應的伺服閥，以確保該燃料閥能夠按照其預期目標進行控制。當燃料閥3組LVDT兩兩之間模擬量反饋值偏差超過0.75%時而觸發的報警，且GE公司規定：如果故障嚴重，則會觸發FSRG1OUT跳機邏輯，使機組跳閘。故障檢測基于以下4種不同參數比較：閥門閥位未遵循參考值，閥門未遵循參考值運行（閥門反饋值FSGR與預測閥位反饋FSGAERR之間的誤差在指定時間內大于設定點K86GCVMN），位置反饋故障，伺服電流問題和LVDT差值報警（當燃料閥LVDT反饋振蕩即模擬量反饋跳變超過3%時），綜合以上可以得出：因此LVDT的反饋穩定、準確、可靠，對于機組的安全穩定至關重要。

報警出現后，該熱電廠熱工專業會同機務專業，從設備原理出發，以組態邏輯參數和閥門結構原理為切入對可能造成異常現象的原因逐一進行分析，總結可能原因如下：

第一，燃料控制閥LVDT采用的電纜為ZRA-KVVP2-0.45/0.75 KV型耐高溫電纜，采用單獨屏蔽線，接地方式為機柜側單端接地。因考慮其在電纜敷設時，設計規劃途經強電回路等惡劣電磁環境中造成傳導干擾，以及電纜破損，接地屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內有可能會出現感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路的可能。

第二，MARKIve系統里，伺服卡件可手動對輸入TSVO的LVDT信號進行全行程線性標定，伺服卡件通過全開全關燃料閥將LVDT的最大最小位置信息轉換為電壓信號，儲存在I/O卡件中，以調整其各個位置的線性偏差。但是這些電壓值并不是實時變化調整的，而是每次手動標定后的預設值。如若伺服閥出現問題，或者伺服卡件的集成電路板中有元件損壞，則會造成階躍電壓監測不準確，引起未知位置的非線性偏差。

第三，LVDT鐵芯與套筒之間是否存在碰磨，如果在安裝的過程中鐵芯與外套簡安裝不同心的話，運行中LVDT就會發生摩擦。時間一久LVDT長期受到磨損的話會在磨損位置產生偏差。為避免此類事故的發生，在LVDT安裝時—定要做到鐵芯與套筒的同心，在鐵芯和與銜桿相連的鐵芯支架固定前要做到鐵芯能在套筒中心孔和鐵芯支架孔之間做自由落體運動時不與套筒和支架發生摩擦。而由于SonicFloTM燃料閥為封閉整體結構，LVDT為內置型，且國內GE 9FB型機組尚未有現場解體先例。

4 解決方案制定與實施

4.1 方案制定

針對以上分析情況，該廠熱控人員制定以下方案：第一，針對是否存在回路干擾，導致燃料閥反饋異常跳變的情況。該廠熱控人員首先在燃機機柜側和控制閥就地接線盒處，對電纜外觀和接地情況進行檢查，確保所有的信號電纜有很好的接地緣，不漏電，以防止接觸引入干擾，隨后將電纜兩端解開，使用兆歐表對電纜絕緣進行搖測，查看絕緣情況。其次為防止供電線路上存在共模高頻干擾信號[3]，該廠熱控人員在LVDT進線回路上設置隔離器進行干擾隔離。第二，針對伺服卡件是否存在伺服閥或集成電路板損壞造成LVDT反饋顯示偏差的情況，該廠熱控人員重新采購了同型號的伺服閥和伺服卡件，尋找停機的機會對一個燃料閥進行集中更換，并對更換前和更換后的效果進行對比。第三，針對LVDT鐵芯與套筒之間是否存在碰磨，造成線性偏差的情況。由于SonicFloTM型燃料閥為整體封閉結構，LVDT為內置設計，需將整個閥門進行解體方能看清內部結構，而國內目前為止尚未有該型號的閥門解體記錄，需將閥門送至國外檢修，周期較長。

4.2 方案實施

方案確定后，該廠熱控人員便利用機組停運的機會對制訂的方案進行了逐一實施，具體實施過程如表1所示。

閥門解體后，LVDT安裝布置如圖3、圖4所示。

注：圖中LVDT原為三冗余設置，由于拆解閥門過程中，存在不當過程，造成兩根LVDT從根部發生斷裂。圖中展示僅為1根，其余兩根安裝方式與圖中所展示的完全一致。

由圖4中可以看出LVDT通過下方的可轉動底座和上端的底座直接耦合在閥門上，當液壓油驅動彈簧壓縮時，LVDT跟隨閥門一起做上下線程動作。經過檢查3根LVDT細長鐵芯，均在不同地方有不同程度的彎曲（見圖5）。

當閥門做直行程運動時，由LVDT的工作原理可以得出，當銜鐵處于中心位置時由于兩個次級線圈產生的感應電動勢相等，所以輸出電壓為0，而當銜鐵偏離中心位置時電動勢不等，產生電壓輸出，由于LVDT三根鐵芯均發生不同程度的輕微彎曲，所以產生的感應電壓也各不相同。雖然可能并沒有與外殼產生摩擦，但由于進入伺服卡件的電壓不同，所以表決出的閥門位置也各不相同。至此可以確定該型號燃料閥反饋LVDT異常晃動的原因為LVDT鐵芯發生異常彎曲導致的。

5 結論

利用機組檢修的機會，昆山公司采購了同型號的LVDT進行了更換，至此經過兩個月的觀察，停機、機組啟動、正常運行3種工況下，均未出現LVDT晃動現象，達到了預期的目標效果。針對此問題本文提出以下檢查優化方案：

第一，針對電纜屏蔽接線進行重新接線，保證屏蔽線接線單點接地且牢靠，增加抗干擾的可靠性。

第二，對燃料閥LVDT各位置的輸出電壓進行定期檢查，形成臺賬，定期進行對比、排查。

第三，燃料閥反饋晃動現象嚴重影響了機組的安全穩定運行，本文針對此現象進行了深入的原因剖析，并提出解決方案。因SonicFloTM型燃料閥受限于其獨特的密封集成結構特點，如果現場冒然對閥門進行解體，彈簧應力發生變化，則會直接影響閥門流量特性，所以國內尚未有現場解體案例，因此對于內部結構、動作方式安裝原理等了解甚少，本文率先展示了燃料閥的內部結構原理、LVDT的安裝、動作方式，為以后的閥門故障分析處理積累了豐富的經驗，同時也希望能為同類型的機組和電廠提供參考和幫助。

【參考文獻】

【1】毛華軍.大型燃氣—蒸汽聯合循環發電技術叢書（綜合分冊）[M].北京：中國電力出版社，2009.

【2】章素華.燃氣輪機發電機組控制系統[M].北京：中國電力出版社，2013.

【3】姜艷姝，劉宇，徐殿國，等.PWM變頻器輸出共模電壓及其抑制技術的研究[J].中國電機工程學報，2005（09）：47-53.