IGCC汽機主汽調門雙LVDT優化研究

丁建博，馮 松，張 宇，王鑫倫，蘇 巖，劉鳳琪

（1.華能（天津）煤氣化發電有限公司，天津 300452；2.華能通遼風力發電有限公司，內蒙古自治區 通遼 028000）

0 引言

IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）作為目前最為清潔的煤電技術，以煤作為燃料，通過過氣化爐煤氣化過程，產生合成氣（經凈化過程處理得到凈煤氣），凈煤氣輸入燃氣輪機燃燒驅動燃氣輪機發電，燃機的高溫排氣在余熱鍋爐中換熱產生蒸汽驅動汽輪機發電，形成燃氣—蒸汽聯合循環集成的一種潔凈煤發電技術[1-3]。

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是線性可變差動變壓器，屬于直線位移傳感器[4-6]。天津IGCC聯合循環發電汽輪機EDH系統中，主汽調閥反饋裝置LVDT都是單支，LVDT傳感器與伺服閥通過伺服卡控制，實現對主汽調門調節動作。在機組運行過程中一旦LVDT故障將導致主汽調閥失控，不僅會出現無法正常進行機組負荷調節的問題，甚至會出現閥門關閉導致機組汽機跳閘的情況。所以說LVDT設備的穩定性決定汽機DEH系統液動閥門調節的可靠性，也間接決定汽輪機運行的可靠性。LVDT傳感器都以行程拉伸的形式存在，在主汽調門不斷調節過程中LVDT傳感器機械磨損也會越變越大，同時主汽調門的LVDT工作環境多數是高溫和振動大，因此這些情況都會加速LVDT設備老化，LVDT的輸出值會出現波動，導致閥門會在某個位置抖動。單支LVDT控制的主汽調門的可靠性相對比較低，因此本文主要通過設計新雙LVDT支架來安裝雙LVDT，增加線纜和變送器把新的LVDT的信號接入DEH系統中，在通過控制的邏輯優化確保任意一個LVDT故障，閥門仍然保持正常調節動作。與此同時也要保證在邏輯優化后，雙LVDT選擇實現無擾切換功能，以保證設備穩定運行[7,8]。

1 主汽調閥LVDT支架設計及安裝

汽機主調閥主要分為兩種：高壓主汽調閥和中壓再熱主汽調閥。由于兩種調閥閥門行程不同，所以兩種調閥對應使用的LVDT的形式型號也不同[9]。高壓選用無錫河埒傳感器有限公司生產的A156.33.01.28，測量范圍：0mm～250mm，適用環境溫度：-40℃～150℃，該LVDT為拉筒式，特點：適合量程較小，拉伸穩固測量精準。而中壓再熱調門選無錫河埒傳感器有限公司生產的B151.36.09.04，測量范圍：0～300mm，適用環境溫度：-40℃～150℃，是拉桿式LVDT，特點：適用較長的量程，拉桿靈活，適合于動作幅度較大的執行器。兩種不同形式的LVDT使用不同環境，表1為兩種不同LVDT性能對比表。

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

汽機的高壓主汽調門機械行程40mm左右，高壓側調門LVDT安裝在閥門油動機的右側，LVDT控制行程在190mm左右。閥門的活動端鏈接到LVDT拉筒活動，中間定位塊和底部固定塊是固定在油動機上的。圖1為高壓LVDT更改前后示意圖，為能夠保證雙LVDT安裝穩固可靠，又保證兩個LVDT測量精準無偏差，選的并排安裝，并設計雙LVDT支架。

圖1 IGCC汽機高壓主調門雙LVDT更改圖Fig.1 IGCC Turbine high pressure main throttle valve double LVDT change

汽機的中壓再熱調門機械行程為70mm左右，中壓再熱調門LVDT安裝在閥門油動機的正前方，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測量精度，選擇并排安裝，并設計雙LVDT支架。

圖2 IGCC汽機再熱主調門雙LVDT更改圖Fig.2 IGCC Turbine reheat main throttle double LVDT change

通過以上兩種新型的支架，能有效保證LVDT安裝穩固性，同時也能減小兩支LVDT測量產生系統誤差。最主要的優勢在于任意一個LVDT故障可以在線拆卸更換，而不影響另一個LVDT正常工作。圖3是現場高壓與再熱主汽調閥更改后情況。為保證油動機設備完整性，未在油動機開新孔固定，安裝的新支架都是使用舊的螺絲孔位，總體表現來看實用牢固并且美觀。

圖3 高壓和再熱主汽調門雙LVDT現場實圖Fig.3 High pressure and reheat main valve dual LVDT diagram

2 IGCC主汽調閥雙LVDT與EDH系統對接

雙LVDT控制不僅包括現場支架安裝，也包含新增的LVDT信號接入到DEH系統中。圖5為單LVDT與更改后的雙控制回路圖，原有單LVDT信號進入變送器LDM1000，LDM1000將電壓信號轉換為4mA～20mA標準電流信號，輸出的標準的電流信號串入DHE系統的兩個快速卡中，DEH接收兩個信號值，再通過邏輯控制伺服閥行程閉環控制[10]。

原有控制回路雖然有兩個LVDT信號接收的快速處理卡，但是只要有LVDT、變送器LVDT和快速處理卡，及線路任意一點故障都會導致DEH系統無正常接收信號，無正常的閉環控制伺服閥。為了保證新增的LVDT獨立起來，同時也必須新增一個新的變送器LDM1000。

從圖4中可以看出，新增加的LVDT與變送器組合將測得信號單獨傳送到DEH系統中一塊快速處理卡中。真正實現信號的冗余，保證DEH接收到兩個單獨的LVDT信號，其中任意一個線路故障，也能保證另一個信號正常接收，從而確保了閥門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主汽調閥LVDT邏輯優化

雖然優化雙LVDT的目的是任意一LVDT故障，閥門都能夠正常調節使用，但是由于主蒸調閥的動作也會影響機組負荷及機組運行參數，如果雙LVDT在故障情況切換導致閥門開關動作幅度太大，將嚴重影響機組的穩定運行，所以雙LVDT之間無擾切換非常重要[11-13]。

只有雙LVDT實現無擾切換，才真正意義上實現了設備冗余功能。因此，通過對雙LVDT的控制邏輯優化來實現設備無擾切換以保證機組的穩定運行。

如圖5將兩個LVDT的信號值分別與閥門控制指令值進行作差，再將這兩個差值取絕對值，再比較這兩個絕對值大小，取最小的絕對值所對應的LVDT的值與閥門閉環進行調節控制。這樣可以保證閥門控制穩定性，避免了在調節過程中取不同的LVDT值造成一些擾動調節。同時也保證了當一個LVDT故障時，LVDT值與閥門指令產生較大偏差，邏輯中自動排除掉，控制系統會選擇較小偏差繼續調節。該邏輯可以有效保證雙LVDT的無擾切換，也能夠保證閥門穩定的調節動作，減少抖動現象發生。

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

4 雙LVDT性能測試

安裝好的雙LVDT需要重新定位才能使用。高壓主汽調門機械行程在40mm，再熱主汽調門機械行程在70mm，為保證汽機穩定運行，左右側主汽調門進汽量和進汽壓力要保持一致，所以必須保證閥門開度一致?？紤]到機械結構和溫度對LVDT的影響，一般不會將閥門的機械全開位置設定閥門全開位置，通常將閥門全開位置設定在機械行程的90%～95%。如果將機械全開位置設定閥門全開位置，會因為設備溫度變化產生一定形變偏差，結果將是閥門指令全開，而閥門實際反饋不能達到100%。這會導致伺服線圈持續工作和閥門機械限位持續受力，時間久了將會造成伺服閥結構損壞和閥門機械限位的損壞，確定好的機械限位值同時也需要在DEH中標定LVDT的零點和量程對應的電流值[13-15]。標定LVDT電流值就是對閥門位置標定，將汽機打閘后油動機無油壓，此時可以將閥門位置定為0位，標定LVDT電流值，即此時最低電流值MAG電流值。將汽機掛閘后，將閥門開到指定全開位置即可標定閥門的全開位置，標定LVDT電流值，即此時最大電流值MEG電流值。表2為對雙LVDT進行標定的數據表。

表2 雙LVDT數值整定表Table 2 Dual LVDT value setting

實驗結果測試：為了確保優化后雙LVDT控制可靠，對主蒸汽調進行一些實驗測試，主要是模擬閥門正常工作狀態下，1個LVDT故障，觀察其閥門狀態，并對閥門進一步調節控制，確認其是否能正常工作。LVDT 故障狀態主要以每個LVDT斷電（可以模擬變送器故障斷電），即以LVDT接線斷開來模擬初級和次級線圈故障狀態。

通過將雙LVDT有效數值整定及閥門定位后，對閥門進行測試。在單個LVDT故障的條件下，閥門會保持正常調節，閥門無抖動情況，且閥門繼續給指令，閥門正常動作。

5 結論

因單LVDT故障導致閥門無法正常調節情況時常發生，本文為解決單LVDT的主汽調門調節可靠性低的問題，通過設計雙LVDT來提高主汽調門的穩定性和可靠性。以設計新型雙LVDT支架為基礎，保證支架牢固可靠的同時，采用雙LVDT并排安裝模式以減小兩支測量產生的誤差。同時增加一套單獨變送器，使兩個LVDT形成單獨信號分別送入不同DEH快速處理卡中，保證雙LVDT信號冗余。通過合理邏輯優化，也實現了兩個LVDT無擾切換的使用，提高整個雙LVDT控制的穩定性。對優化后的雙LVDT控制進行測試實驗，結果表明任意一個LVDT故障，閥門未發生誤動，閥門調節正常。該雙LVDT優化的結果不僅適用于汽機主汽調門中，也可以適用于其他液動閥調系統，具有廣泛的使用性。

表3 雙LVDT測試表Table 3 Dual LVDT testings