電動調節閥閥位反饋信號劇烈波動分析及處理

劉安林，王登輝，何振林，彭 軍，李文鈺，李 奕

（中國核動力研究設計院，成都 610213）

0 引言

隨著科學技術的發展，汽水分離器已在化工、石油、電廠等行業中廣泛應用，實現對汽水混合物中的汽液分離，提高進入汽輪機的蒸汽品質，保證進入汽輪機的工作蒸汽里不夾帶水分。在蒸汽發生器中，從冷水過渡到蒸汽，汽水混合物的干度、流速均有較大幅度的變化，這給分離器的分離效率帶來嚴峻考驗。通常情況下，汽水分離器在較小干度范圍內可保證較高的分離效率，而在大干度范圍，如何使汽水分離器仍舊能保持較高分離效率是汽水分離器壓力水位控制系統重要的任務之一。汽水分離器壓力水位控制系統就是通過開關疏水閥來控制水位，通過操作調壓閥來控制壓力，進而對蒸汽發生器出口的汽水混合物進行分離，保證系統用汽設備的安全。在進行汽水分離器壓力水位控制時，現場操作人員發現在不對疏水閥和調壓閥進行任何手動干預的情況下，執行機構反饋回來的兩個閥位信號均同時出現劇烈波動，這導致現場操作人員無法準確判斷兩個閥門的實際閥位，不能對汽水分離器壓力水位進行控制。因此，有必要針對疏水閥和調壓閥閥位的異常波動進行科學的診斷，找出劇烈波動的原因，以便采取切實有效的處理措施，保證汽水分離器壓力水位控制系統的調節性能，實現汽水混合物的汽液分離。本文通過對疏水閥和調壓閥執行機構供電電源、閥位反饋信號、監控臺、過程控制柜進行逐一排查，停運相關系統設備，定位異常波動信號的起始位置，并利用示波表采集異常信號，通過MATLAB 分析異常信號時頻特性，找出干擾信號源，通過一系列處理措施，使得兩個調節閥的閥位指示重新恢復正常。

1 汽水分離器壓力水位控制原理簡介

濕蒸汽就是指含有水分的蒸汽，又叫汽水混合物，是蒸汽系統中最需要關注的問題之一。汽水混合物會降低設備的生產效率和產品的質量，也會導致用汽設備損壞。雖然疏水閥可以去除大部分水分，但并不能處理掉懸浮在蒸汽中的液滴。為分離掉這些懸浮液滴，需要在蒸汽管道上安裝汽水分離器。某汽水分離器采用旋流式粗分離器，結合擋板板式精分離器二級分離結構型式，汽水混合物在分離器內多次改變流動方向，由于懸浮的水滴有較大的質量和慣性，當遇到擋板流動方向改變時，干蒸汽可以繞過擋板繼續向前，通過1#調壓閥排出，而水滴就會積聚在擋板上，汽水分離器有很大的通流面積，減少了水滴的動能，大部分都會凝聚，最后落到分離器的底部，通過2#疏水閥排出。由圖1 可以看出，主要通過調壓閥調節汽水分離器壓力，而疏水閥則用來調節汽水分離器水位。為了精確控制汽水分離器壓力和水位，汽水分離器蒸汽和凝水出口分別設置了調壓閥和疏水閥，通過控制這兩個閥門可以實現壓力水位控制。汽水分離器壓力水位控制系統主要分為兩個電動執行機構、監控臺、過程控制柜及數據采集柜4 個部分。遠程操作時，運行人員在監控臺操作調節閥開關，將開關量信號進入手操器，在手操器中經過一系列處理后，產生4mA ～20mA 的控制信號，直接驅動閥門執行機構，進而改變閥門閥位。自動控制時，過程控制柜接收監控臺送來的自動信號，根據當前的閥位及壓力水位信號，輸出4mA ～20mA 的控制信號，自動關小或開大疏水閥和調壓閥。當手操器接收監控臺送來的就地信號時，無法實現調壓閥和疏水閥的自動及遠程控制，現場操作人員只能就地手動開關閥門。圖1 為汽水分離器壓力水位控制系統框圖。

圖1 汽水分離器壓力水位控制系統框圖Fig.1 Block diagram of the steam water separator pressure level control system

圖2 調壓閥閥位反饋信號波形圖Fig.2 Pressure regulator valve position feedback signal waveform diagram

2 閥位反饋信號異常波動分析與定位

在某系統運行過程中，運行人員發現處于遠程控制狀態下的電動執行機構，在電動調節閥無就地操作，且監控臺不操作電動調節閥操作開關時，監控臺上的電動調節閥閥位指示表出現異常波動，波動范圍在10%左右，導致操作人員無法判斷調壓閥和疏水閥的真實閥位。經儀控檢修人員現場確認，在波動過程中，電動調節閥未動作，初步判斷控制信號輸入正常，閥位反饋信號受到了干擾。為定位干擾源，有必要對電動調節閥閥位反饋信號進行詳細分析。具體方法如下：分別在調壓閥和疏水閥的監控臺與執行機構之間串入240Ω 的電阻，利用示波表AC 耦合檔去除信號的直流分量，觀察電阻兩端的電壓信號波形，圖2為調壓閥閥位反饋信號波形圖，圖3 為疏水閥閥位反饋信號波形圖，從圖中可以看出，調壓閥和疏水閥閥位反饋信號均存在周期性干擾信號。

圖3 疏水閥閥位反饋信號波形圖Fig.3 Steam trap position feedback signal waveform

表1 電源分析結果Table 1 Power analysis results

圖4 更換屏蔽電纜后調壓閥閥位反饋信號時頻圖Fig.4 Time-frequency diagram of the pressure feedback valve position feedback signal after replacing the shielded cable

為定位干擾源，儀控檢修人員首先從電源著手，排查是否由于電源品質不佳導致，排查對象依次為兩個執行機構、過程控制柜、監控臺的電源信號，使用示波器采集各電源信號波形，并利用信號處理軟件進行時頻分析，分析結果見表1。從表1 中可以看出，各模塊電源供電穩定，無諧波或雜波干擾，品質良好。

其次，運行人員依次停止系統各模塊設備。首先，停運兩臺功率為80kW 的電動屏蔽泵，然后，依次停運3 臺功率為6kW 的電動離心泵，兩臺功率為18kW 電動往復泵，一臺功率為14kW 電動柱塞泵，經過長時間的觀察與測試，閥位反饋信號劇烈波動現象依然存在。最后，運行人員調節電動變頻泵轉速，發現當轉速調節至某一固定值時，兩個電動閥的閥位指示表出現異常波動，越過該固定值異常波動則消失，反復試驗現象不變。由此可以確定該異常波動是由電動變頻泵變頻器工作引起的電磁干擾造成。

3 處理措施與成效

由于變頻泵為汽水分離器壓力水位控制系統的核心設備之一，汽水分離器運行時，變頻泵也必須同時運行，且該電磁干擾是由變頻泵正常工作造成，即使更換變頻泵也無法消除問題。運行人員本著既然無法從源頭上消除電磁干擾，那就從路徑上屏蔽和濾除電磁干擾，為此運行人員采取了如下措施：

1）通過更換兩個閥門執行機構至監控臺的線纜，由原來的非屏蔽線纜改為雙屏蔽線纜。

2）在兩個閥門執行機構的閥位反饋回路增加濾波。

通過采取以上兩條處理措施，再次測量閥位反饋信號波形，利用示波表AC 耦合檔去除信號的直流分量，觀察電阻兩端的電壓信號波形，圖4、圖5 分別為疏水閥和調壓閥閥位反饋信號時頻圖，從圖中可以看出，40Hz 的電磁干擾均已經被屏蔽和濾除，閥位指示未出現異常波動情況，問題得到圓滿解決。

圖5 更換屏蔽電纜后疏水閥閥位反饋信號時頻圖Fig.5 Time-frequency diagram of the trap position feedback signal after replacing the shielded cable

4 結束語

針對某型汽水分離器調壓閥和疏水閥閥位指示表異常波動問題，運行人員根據現象推測問題所在，并開展了一系列排除工作，最終確認閥位反饋信號受到電磁干擾。為定位干擾源，運行人員操作系統各功能模塊進行分時工作，經過長時間地觀察和測試，最終確定干擾源為系統中的變頻泵，并通過更換屏蔽電纜及引入濾波電路的方式消除了變頻泵對閥位反饋信號的電磁干擾，調壓閥和疏水閥閥位指示表恢復正常。本文所述問題及解決措施雖是針對汽水分離器壓力水位控制系統，但其他類似系統可能也會出現類似問題，本文所述內容對解決其他類似設備的電磁干擾問題具有重要的引導作用。