AP1000汽輪機主閥門LVDT不線性問題分析和修正

鄭 健

（三門核電有限公司，浙江 臺州 317112）

0 引言

線性可變差動變送器LVDT（Linear Variable Differential Transformer）屬于直線位移變送器。LVDT具有無摩擦測量、無限機械壽命、無限的分辨率和環境適應性強等眾多優勢和特點，應用較為廣泛。

在汽輪機控制系統中，一般使用LVDT測量汽輪機進汽閥門的閥位開度，作為閥門伺服控制中的反饋信號，直接影響系統的控制性能。為保證系統可靠地完成閉環控制，LVDT必須能準確測量閥門的真實開度。

三門核電一期汽輪機主閥門使用的LVDT在現場測試中，發現LVDT的反饋電壓與閥位開度之間的關系并非線性，控制系統無法準確檢測汽輪機主閥門的開度，該故障會導致汽輪機轉速和功率無法準確控制或閥門波動。針對該問題進行研究分析，并深入探討三門核電采取的解決方案。

1 LVDT驅動原理

LVDT的工作原理如圖1所示。其中，P為LVDT初級激勵線圈，S1、S2分別為LVDT的兩個次級反饋線圈。

LVDT初級線圈P提供一定頻率及幅值的激勵信號（E0）,通過可移動的磁芯，激勵信號耦合到兩個次級線圈，產生兩個同頻率的正弦波（E1、E2）。當磁芯發生位移時，2個次級線圈耦合到的正弦波的幅值（Ua、Ub）將會發生變化，且（Ua-Ub）值正比于磁芯位移即外部的機械位移。為提高傳感器靈敏度，改善傳感器線性度，增大傳感器線性范圍，設計時將兩個次級線圈繞組反串相接（電壓極性相反），LVDT輸出電壓為其電壓之差，通過測量（Ua-Ub）的值，可轉換測得此時的機械位置。

圖1 LVDT工作原理Fig.1 Working principle of LVDT

圖2 閥門控制框圖Fig.2 Valve control block diagram

圖3 功率運行控制算法Fig.3 Power operation control algorithm

當磁芯處在次級線圈S1、S2的中間時，Ua=Ub；當磁芯向S1方向移動時，Ua＞Ub；當磁芯向S2方向移動時，Ua＜Ub。根據電壓差和磁芯位移的線性關系，對兩個次級線圈反饋電壓進行采集和換算從而可得到磁芯的位移量[1]。

2 三門核電汽輪機LVDT配置及算法

三門核電汽輪機控制系統為西屋設計的Ovation控制系統，其通過閥位卡（Valve Positioner）對安裝有伺服閥、LVDT的油動機進行控制。閥位卡為主汽門（MSV）、主調門（GV）和再熱調門（ICV）提供了閉環的閥位伺服控制回路——閥位卡輸出閥位指令給伺服閥，伺服閥控制油動機進油和排油，維持閥門開度，安裝在閥桿上的LVDT反饋閥位信號至閥位卡。其控制原理如圖2所示。

三門核電項目中，汽輪機每個調節型汽門（MSV&GV&ICV）配置兩個冗余的LVDT，對應控制系統中配置兩塊冗余的閥位卡接收閥位反饋信號。伺服閥帶有兩個相互隔離的伺服線圈，每個伺服線圈動作，都可以控制油動機進油和排油。主卡與備用卡分別驅動一個伺服線圈。兩塊閥位卡通過硬接線進行通訊、同步信息。正常運行時，備用卡計算的結果不輸出到伺服指令信號，但會跟蹤主卡的伺服輸出信號，一旦主卡故障，備用卡會立即切換為主卡，實現閥門控制無擾切換[2]。

正常功率運行時，MSV、ICV全開，汽輪機控制系統通過改變GV的開度，控制汽輪機功率，控制算法如圖3所示。

升功率時，在LL（Load Limiter）運行模式下投運ALR，通過控制系統自動功率調節以較低的速率使汽輪機功率達到目標值。MSV/GV在閥門測試時投運IMP及MW回路，用以補償由于閥門測試引起蒸汽流量變化的負荷波動。

3 LVDT閥位反饋不線性問題

汽輪機控制系統在三門核電現場調試時，發現閥位實際提升高度與閥門開度指令不對應，出現此問題的閥門包括汽輪機主汽閥、主調閥和再熱調閥。經過進一步測試發現此問題的原因為汽輪機主閥門使用的LVDT反饋不線性。圖4是三門核電一號機組汽輪機主汽閥A的線性度測試曲線。

通過圖4的曲線可以看出，在0%、50%和100%開度時，閥門的開度指令與閥位反饋基本一致。設計上要求閥門全行程的實際開度均要與閥位指令基本保持一致，但是閥位指令按每10%階躍從0%～100%開度過程中，閥位實際反饋曲線類似“S”型，并且閥位實際反饋已經超出了設計方要求的誤差范圍。

圖4 汽輪機主汽閥A的線性度測試曲線Fig.4 Linearity test curve of steam turbine main valve A

表1 LVDT上行程實測數據Table 1 Measurement data on stroke LVDT

表2 閥門開度的設計要求Table 2 Design requirements for valve opening

表3 LVDT上行程實測數據修正Table 3 Correction of the measured data on the stroke on LVDT

汽輪機閥門的LVDT閥位反饋不線性，會造成汽輪機沖轉、升功率和功率運行階段的控制不穩定。因為控制系統要求的開度與實際不一致，會導致汽輪機控制邏輯中的轉速和閥位開度轉化關系、功率和閥位開度轉化關系都不準確，必然會造成實際控制過程中的閥位波動和系統擾動[3]。

4 LVDT閥位反饋不線性解決方案分析

4.1 增加硬件解調電路修正LVDT反饋電壓

三門核電一期工程，汽輪機主閥門使用的LVDT有兩種型號：GM12008（用于主汽閥、主調閥）和GM7869-002（用于再熱調閥），其由日本三菱供貨，六線制設計。在三菱的初始設計上，可以通過一套硬件解調電路，將LVDT反饋電壓修正為線性，但是其硬件解調電路入口為六線制設計，解調后信號為兩線制電壓信號。OVATION閥位卡與LVDT的接口信號為六線制，所以即使采用硬件解調電路對LVDT反饋電壓進行修正，其仍無法直接應用于三門核電現場，因為硬件解調電路與OVATION閥位卡接口無法直接匹配，所以此方案未被選用為最終解決方案。

4.2 控制邏輯修正開度指令和閥位反饋

在不修改現場硬件配置的前提下，使用控制邏輯軟件修正是最簡便的方案。軟件修正方法如下：

4.2.1 測量LVDT的原始數據

閥位指令按每10%階躍從0%～100%開度，記錄每個開度指令下的閥門實際提升高度，并且分為閥位指令上行程和下行程兩組數據。例如表1為LVDT的上行程實測數據記錄。

4.2.2 設計方要求的閥門開度

汽輪機設計方會明確要求在特定閥位指令開度下，閥門實際提升的高度值，以此來滿足汽輪機控制的要求。例如表2為閥門開度的設計要求。

4.2.3 實際閥位指令和反饋修正

因為閥門實際開度是通過閥門本體的刻度尺來讀取的，所以X0不一定恰好在刻度尺的0mm，所以需要首先對閥門實際提升開度數據進行處理，處理方法和結果如表3所示。

對閥門控制指令的修正，最終目的是讓閥門實際開度與設計中要求的開度保持一致。

對于0%和100%開度，因為在閥門全關和全開位，所以無需修正。

對于10%和90%之間的閥位指令，結合LVDT的實測數據與設計方要求的閥門開度要求，通過插值的方法來計算新的閥位指令。在每個點的測試數據，如果實測設值低于設計值，則使用當前的實測值和向上階躍10%的實測值進行線性修正。如果實測值高于設計值，則使用當前的實測值和向下階躍10%的實測值來進行線性修正。下面的計算方法是基于10%開度指令下（假設為Z10%）來分析的：

即

對于閥門下行程數據，也采用上面的方法計算出修正后的10%開度指令（假設為Z1%），最終10%開度指令（假設為Z1%）修正結果為閥門上行程和下行程修正結果的均值，即Z1=（Z10+Z11）/2。

對于其他開度的閥位指令修正均采用上述的線性插值方法來實現，最終得出閥門全行程的閥位指令修正結果。除了閥位指令需要修正以外，對于LVDT閥位反饋也需要進行修正，其修正過程中直接使用修正計算的開度指令來實現，例如，修正前閥門10%開度閥位反饋為10%；修正后閥門10%開度閥位反饋為Z1%。

實測閥門LVDT數據時（表1），選取的點數量越多，則最終修正出來的結果越接近線性，但是修正的工作量和邏輯也會相應增加，所以實際使用過程中需要平衡考慮，選取合適的數量點來進行實測和計算。

通過上述方法對閥位指令和反饋修正后，閥門實際開度和轉速與功率要求的閥位之間保持了一致，解決了LVDT反饋電壓不線性的問題。此方法對現場所有的硬件無任何改動，且軟件邏輯修正后可以實現要求的閥位控制，所以三門現場最終采用了此方案。

4.3 更換線性的LVDT

三門核電一期工程LVDT的設計和供貨方，基于其設計經驗不建議更換LVDT。

5 結論

三門核電一期工程中LVDT反饋電壓不線性問題，主要是常規島和核島設計方的接口不一致導致的。綜上3種方案的具體分析，理論上3種方案都可以解決LVDT反饋電壓不線性問題。雖然三門核電一期工程中最終選擇了控制邏輯修正方案，但是后續經過啟動試驗以及功率運行后，控制邏輯修正的參數是否需要大修期間再重新計算和修正等問題都有待驗證。

隨著核電的發展，核電廠的設計也日趨成熟。在這個發展過程中，特別是引進國外設備和技術時，對其設計理念和原理要理解和掌握，以便于后續的設備國產化和自主檢修，以及在后續機組運行的過程中進行自主改進和完善。