IGCC汽機(jī)主汽調(diào)門(mén)雙LVDT優(yōu)化研究

丁建博，馮 松，張 宇，王鑫倫，蘇 巖，劉鳳琪

（1.華能（天津）煤氣化發(fā)電有限公司，天津 300452；2.華能通遼風(fēng)力發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 通遼 028000）

0 引言

IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）作為目前最為清潔的煤電技術(shù)，以煤作為燃料，通過(guò)過(guò)氣化爐煤氣化過(guò)程，產(chǎn)生合成氣（經(jīng)凈化過(guò)程處理得到凈煤氣），凈煤氣輸入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，燃機(jī)的高溫排氣在余熱鍋爐中換熱產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，形成燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)集成的一種潔凈煤發(fā)電技術(shù)[1-3]。

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器，屬于直線(xiàn)位移傳感器[4-6]。天津IGCC聯(lián)合循環(huán)發(fā)電汽輪機(jī)EDH系統(tǒng)中，主汽調(diào)閥反饋裝置LVDT都是單支，LVDT傳感器與伺服閥通過(guò)伺服卡控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)主汽調(diào)門(mén)調(diào)節(jié)動(dòng)作。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中一旦LVDT故障將導(dǎo)致主汽調(diào)閥失控，不僅會(huì)出現(xiàn)無(wú)法正常進(jìn)行機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)的問(wèn)題，甚至?xí)霈F(xiàn)閥門(mén)關(guān)閉導(dǎo)致機(jī)組汽機(jī)跳閘的情況。所以說(shuō)LVDT設(shè)備的穩(wěn)定性決定汽機(jī)DEH系統(tǒng)液動(dòng)閥門(mén)調(diào)節(jié)的可靠性，也間接決定汽輪機(jī)運(yùn)行的可靠性。LVDT傳感器都以行程拉伸的形式存在，在主汽調(diào)門(mén)不斷調(diào)節(jié)過(guò)程中LVDT傳感器機(jī)械磨損也會(huì)越變?cè)酱螅瑫r(shí)主汽調(diào)門(mén)的LVDT工作環(huán)境多數(shù)是高溫和振動(dòng)大，因此這些情況都會(huì)加速LVDT設(shè)備老化，LVDT的輸出值會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，導(dǎo)致閥門(mén)會(huì)在某個(gè)位置抖動(dòng)。單支LVDT控制的主汽調(diào)門(mén)的可靠性相對(duì)比較低，因此本文主要通過(guò)設(shè)計(jì)新雙LVDT支架來(lái)安裝雙LVDT，增加線(xiàn)纜和變送器把新的LVDT的信號(hào)接入DEH系統(tǒng)中，在通過(guò)控制的邏輯優(yōu)化確保任意一個(gè)LVDT故障，閥門(mén)仍然保持正常調(diào)節(jié)動(dòng)作。與此同時(shí)也要保證在邏輯優(yōu)化后，雙LVDT選擇實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換功能，以保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行[7,8]。

1 主汽調(diào)閥LVDT支架設(shè)計(jì)及安裝

汽機(jī)主調(diào)閥主要分為兩種：高壓主汽調(diào)閥和中壓再熱主汽調(diào)閥。由于兩種調(diào)閥閥門(mén)行程不同，所以?xún)煞N調(diào)閥對(duì)應(yīng)使用的LVDT的形式型號(hào)也不同[9]。高壓選用無(wú)錫河埒傳感器有限公司生產(chǎn)的A156.33.01.28，測(cè)量范圍：0mm～250mm，適用環(huán)境溫度：-40℃～150℃，該LVDT為拉筒式，特點(diǎn)：適合量程較小，拉伸穩(wěn)固測(cè)量精準(zhǔn)。而中壓再熱調(diào)門(mén)選無(wú)錫河埒傳感器有限公司生產(chǎn)的B151.36.09.04，測(cè)量范圍：0～300mm，適用環(huán)境溫度：-40℃～150℃，是拉桿式LVDT，特點(diǎn)：適用較長(zhǎng)的量程，拉桿靈活，適合于動(dòng)作幅度較大的執(zhí)行器。兩種不同形式的LVDT使用不同環(huán)境，表1為兩種不同LVDT性能對(duì)比表。

表1 拉筒式與拉桿式對(duì)比表Table 1 Comparison of pull-drum and pull-rod

汽機(jī)的高壓主汽調(diào)門(mén)機(jī)械行程40mm左右，高壓側(cè)調(diào)門(mén)LVDT安裝在閥門(mén)油動(dòng)機(jī)的右側(cè)，LVDT控制行程在190mm左右。閥門(mén)的活動(dòng)端鏈接到LVDT拉筒活動(dòng)，中間定位塊和底部固定塊是固定在油動(dòng)機(jī)上的。圖1為高壓LVDT更改前后示意圖，為能夠保證雙LVDT安裝穩(wěn)固可靠，又保證兩個(gè)LVDT測(cè)量精準(zhǔn)無(wú)偏差，選的并排安裝，并設(shè)計(jì)雙LVDT支架。

圖1 IGCC汽機(jī)高壓主調(diào)門(mén)雙LVDT更改圖Fig.1 IGCC Turbine high pressure main throttle valve double LVDT change

汽機(jī)的中壓再熱調(diào)門(mén)機(jī)械行程為70mm左右，中壓再熱調(diào)門(mén)LVDT安裝在閥門(mén)油動(dòng)機(jī)的正前方，LVDT控制行程在240mm左右，采用拉桿式。圖2為再熱LVDT更改前后示意圖，為了保證雙LVDT測(cè)量精度，選擇并排安裝，并設(shè)計(jì)雙LVDT支架。

圖2 IGCC汽機(jī)再熱主調(diào)門(mén)雙LVDT更改圖Fig.2 IGCC Turbine reheat main throttle double LVDT change

通過(guò)以上兩種新型的支架，能有效保證LVDT安裝穩(wěn)固性，同時(shí)也能減小兩支LVDT測(cè)量產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。最主要的優(yōu)勢(shì)在于任意一個(gè)LVDT故障可以在線(xiàn)拆卸更換，而不影響另一個(gè)LVDT正常工作。圖3是現(xiàn)場(chǎng)高壓與再熱主汽調(diào)閥更改后情況。為保證油動(dòng)機(jī)設(shè)備完整性，未在油動(dòng)機(jī)開(kāi)新孔固定，安裝的新支架都是使用舊的螺絲孔位，總體表現(xiàn)來(lái)看實(shí)用牢固并且美觀。

圖3 高壓和再熱主汽調(diào)門(mén)雙LVDT現(xiàn)場(chǎng)實(shí)圖Fig.3 High pressure and reheat main valve dual LVDT diagram

2 IGCC主汽調(diào)閥雙LVDT與EDH系統(tǒng)對(duì)接

雙LVDT控制不僅包括現(xiàn)場(chǎng)支架安裝，也包含新增的LVDT信號(hào)接入到DEH系統(tǒng)中。圖5為單LVDT與更改后的雙控制回路圖，原有單LVDT信號(hào)進(jìn)入變送器LDM1000，LDM1000將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，輸出的標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)串入DHE系統(tǒng)的兩個(gè)快速卡中，DEH接收兩個(gè)信號(hào)值，再通過(guò)邏輯控制伺服閥行程閉環(huán)控制[10]。

原有控制回路雖然有兩個(gè)LVDT信號(hào)接收的快速處理卡，但是只要有LVDT、變送器LVDT和快速處理卡，及線(xiàn)路任意一點(diǎn)故障都會(huì)導(dǎo)致DEH系統(tǒng)無(wú)正常接收信號(hào)，無(wú)正常的閉環(huán)控制伺服閥。為了保證新增的LVDT獨(dú)立起來(lái)，同時(shí)也必須新增一個(gè)新的變送器LDM1000。

從圖4中可以看出，新增加的LVDT與變送器組合將測(cè)得信號(hào)單獨(dú)傳送到DEH系統(tǒng)中一塊快速處理卡中。真正實(shí)現(xiàn)信號(hào)的冗余，保證DEH接收到兩個(gè)單獨(dú)的LVDT信號(hào)，其中任意一個(gè)線(xiàn)路故障，也能保證另一個(gè)信號(hào)正常接收，從而確保了閥門(mén)控制回路的正常的工作。

圖4 單LVDT和雙LVDT控制回路圖Fig.4 Single LVDT and Dual LVDT control loop diagrams

3 IGCC主汽調(diào)閥LVDT邏輯優(yōu)化

雖然優(yōu)化雙LVDT的目的是任意一LVDT故障，閥門(mén)都能夠正常調(diào)節(jié)使用，但是由于主蒸調(diào)閥的動(dòng)作也會(huì)影響機(jī)組負(fù)荷及機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，如果雙LVDT在故障情況切換導(dǎo)致閥門(mén)開(kāi)關(guān)動(dòng)作幅度太大，將嚴(yán)重影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，所以雙LVDT之間無(wú)擾切換非常重要[11-13]。

只有雙LVDT實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，才真正意義上實(shí)現(xiàn)了設(shè)備冗余功能。因此，通過(guò)對(duì)雙LVDT的控制邏輯優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)擾切換以保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

如圖5將兩個(gè)LVDT的信號(hào)值分別與閥門(mén)控制指令值進(jìn)行作差，再將這兩個(gè)差值取絕對(duì)值，再比較這兩個(gè)絕對(duì)值大小，取最小的絕對(duì)值所對(duì)應(yīng)的LVDT的值與閥門(mén)閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。這樣可以保證閥門(mén)控制穩(wěn)定性，避免了在調(diào)節(jié)過(guò)程中取不同的LVDT值造成一些擾動(dòng)調(diào)節(jié)。同時(shí)也保證了當(dāng)一個(gè)LVDT故障時(shí)，LVDT值與閥門(mén)指令產(chǎn)生較大偏差，邏輯中自動(dòng)排除掉，控制系統(tǒng)會(huì)選擇較小偏差繼續(xù)調(diào)節(jié)。該邏輯可以有效保證雙LVDT的無(wú)擾切換，也能夠保證閥門(mén)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)動(dòng)作，減少抖動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。

圖5 雙LVDT邏輯控制圖Fig.5 Dual LVDT Logic control diagram

4 雙LVDT性能測(cè)試

安裝好的雙LVDT需要重新定位才能使用。高壓主汽調(diào)門(mén)機(jī)械行程在40mm，再熱主汽調(diào)門(mén)機(jī)械行程在70mm，為保證汽機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，左右側(cè)主汽調(diào)門(mén)進(jìn)汽量和進(jìn)汽壓力要保持一致，所以必須保證閥門(mén)開(kāi)度一致。考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)和溫度對(duì)LVDT的影響，一般不會(huì)將閥門(mén)的機(jī)械全開(kāi)位置設(shè)定閥門(mén)全開(kāi)位置，通常將閥門(mén)全開(kāi)位置設(shè)定在機(jī)械行程的90%～95%。如果將機(jī)械全開(kāi)位置設(shè)定閥門(mén)全開(kāi)位置，會(huì)因?yàn)樵O(shè)備溫度變化產(chǎn)生一定形變偏差，結(jié)果將是閥門(mén)指令全開(kāi)，而閥門(mén)實(shí)際反饋不能達(dá)到100%。這會(huì)導(dǎo)致伺服線(xiàn)圈持續(xù)工作和閥門(mén)機(jī)械限位持續(xù)受力，時(shí)間久了將會(huì)造成伺服閥結(jié)構(gòu)損壞和閥門(mén)機(jī)械限位的損壞，確定好的機(jī)械限位值同時(shí)也需要在DEH中標(biāo)定LVDT的零點(diǎn)和量程對(duì)應(yīng)的電流值[13-15]。標(biāo)定LVDT電流值就是對(duì)閥門(mén)位置標(biāo)定，將汽機(jī)打閘后油動(dòng)機(jī)無(wú)油壓，此時(shí)可以將閥門(mén)位置定為0位，標(biāo)定LVDT電流值，即此時(shí)最低電流值MAG電流值。將汽機(jī)掛閘后，將閥門(mén)開(kāi)到指定全開(kāi)位置即可標(biāo)定閥門(mén)的全開(kāi)位置，標(biāo)定LVDT電流值，即此時(shí)最大電流值MEG電流值。表2為對(duì)雙LVDT進(jìn)行標(biāo)定的數(shù)據(jù)表。

表2 雙LVDT數(shù)值整定表Table 2 Dual LVDT value setting

實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)試：為了確保優(yōu)化后雙LVDT控制可靠，對(duì)主蒸汽調(diào)進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)測(cè)試，主要是模擬閥門(mén)正常工作狀態(tài)下，1個(gè)LVDT故障，觀察其閥門(mén)狀態(tài)，并對(duì)閥門(mén)進(jìn)一步調(diào)節(jié)控制，確認(rèn)其是否能正常工作。LVDT 故障狀態(tài)主要以每個(gè)LVDT斷電（可以模擬變送器故障斷電），即以LVDT接線(xiàn)斷開(kāi)來(lái)模擬初級(jí)和次級(jí)線(xiàn)圈故障狀態(tài)。

通過(guò)將雙LVDT有效數(shù)值整定及閥門(mén)定位后，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行測(cè)試。在單個(gè)LVDT故障的條件下，閥門(mén)會(huì)保持正常調(diào)節(jié)，閥門(mén)無(wú)抖動(dòng)情況，且閥門(mén)繼續(xù)給指令，閥門(mén)正常動(dòng)作。

5 結(jié)論

因單LVDT故障導(dǎo)致閥門(mén)無(wú)法正常調(diào)節(jié)情況時(shí)常發(fā)生，本文為解決單LVDT的主汽調(diào)門(mén)調(diào)節(jié)可靠性低的問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)雙LVDT來(lái)提高主汽調(diào)門(mén)的穩(wěn)定性和可靠性。以設(shè)計(jì)新型雙LVDT支架為基礎(chǔ)，保證支架牢固可靠的同時(shí)，采用雙LVDT并排安裝模式以減小兩支測(cè)量產(chǎn)生的誤差。同時(shí)增加一套單獨(dú)變送器，使兩個(gè)LVDT形成單獨(dú)信號(hào)分別送入不同DEH快速處理卡中，保證雙LVDT信號(hào)冗余。通過(guò)合理邏輯優(yōu)化，也實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)LVDT無(wú)擾切換的使用，提高整個(gè)雙LVDT控制的穩(wěn)定性。對(duì)優(yōu)化后的雙LVDT控制進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明任意一個(gè)LVDT故障，閥門(mén)未發(fā)生誤動(dòng)，閥門(mén)調(diào)節(jié)正常。該雙LVDT優(yōu)化的結(jié)果不僅適用于汽機(jī)主汽調(diào)門(mén)中，也可以適用于其他液動(dòng)閥調(diào)系統(tǒng)，具有廣泛的使用性。

表3 雙LVDT測(cè)試表Table 3 Dual LVDT testings