汽轮机高调门位移差动传感器故障分析及解决

赵军，徐亚涛，王红武，张秋生，孙鹏（. 神华国华国际电力股份有限公司，北京 0005）（. 神华国华（北京）电力研究院有限公司，北京 0005）

汽轮机高调门位移差动传感器故障分析及解决

赵军1，徐亚涛2，王红武1，张秋生2，孙鹏2
（1. 神华国华国际电力股份有限公司，北京 100025）
（2. 神华国华（北京）电力研究院有限公司，北京 100025）

1　引言

火力发电厂汽轮机高压调节阀位移传感器大量采用线性可变差动变压器LVDT（Linear Variable Differential Transformer，缩写LVDT），该传感器具有无摩擦测量、无限分辨率、电气位可重复性高以及环境适应性强等优点，近年来被广泛应用在电力行业。大型机组高调门的操纵机构由弹簧筒和油动机组成，置于阀体的上方，运行中由于蒸汽流动引起的阀体和阀杆振动，易在操纵机构上产生高频振动；同时阀芯小幅转动，使轴向运动的LVDT受力磨损或与导向结构振荡撞击；阀体周围环境温度高，对电子元器件的寿命影响也很大。LVDT在此环境下，常发生铁芯杆和线圈严重磨损、铁芯杆和连接横杆疲劳断裂的故障。

此类故障在行业内属于共性问题，文献1、2、3从不同时期反映了此类问题。近10年来神华国华60台机组共发生LVDT故障70起。传感器及其接线部分的故障占总故障的77%。其中连接杆的故障占总故障的18%，万向节的故障共2次，少量故障还造成机组非停。针对该问题，公司积极开展专项研究、制定解决方案。

2　原因分析

将LVDT传感器及其接线部分的故障再进行细分，可以分为以下5类部件：LVDT线圈、LVDT铁芯、LVDT支架、测量回路接线、数据采集卡件及控制系统。

分析发现LVDT线圈故障的比例高达64%，LVDT铁芯故障的比例为20%。分析故障发生的原因主要有以下几点：（1）LVDT铁芯对LVDT线圈内孔的异常磨损。一是由于LVDT铁芯的运动轨迹与LVDT线圈内孔不同心造成；二是当汽轮机阀门振动大时，LVDT铁芯对线圈的碰撞磨损。（2）LVDT传感器及其接线高温老化。当传感器或接线处在阀门辐射热的高温环境下，严重时直接接触阀杆处泄漏的高温蒸汽，造成LVDT元件的加速老化。（3）LVDT铁芯及其它部件松动脱落。由于阀门及操纵机构的振动大导致LVDT各部件容易发生部件松脱或断裂的情况，上汽产600MW亚临界机组高调门振动大问题就是这一现象的典型代表[4]。（4）阀杆在运行过程中发生扭转。由于阀杆的扭转造成LVDT铁芯的运动轨迹与LVDT线圈内孔不同心，当防转杆间隙过大或失效时，LVDT铁芯会由于受到扭转力而可能发生断裂。

LVDT连接杆故障主要表现为断裂、松动和脱落。公司所属机组的大部分连接杆故障均发生在上汽产600MW亚临界机组上。一个主要因素是阀门在运行过程中的振动大[3]，对此公司组织研究并实施了高压调速汽门故障防治。

3　处理措施

在LVDT上加装万向节（关节轴承）装置，规范安装方案。加装万向节，是目前行业内的普遍做法，它降低了LVDT铁芯与连接杆的连接刚性[5]，减少LVDT铁芯与线圈套筒之间因为不完全同心导致的磨损、卡涩等。汽轮机高调门汽流激振是系统固有的特征，无论采取什么改进措施，均不能彻底消除该特征，因此为解决LVDT铁芯对线圈的碰撞磨损，以及LVDT铁芯与其它固定结构的碰撞断裂，公司与无锡河埒公司研究采用了图1的针对性设计方案，该方案与图2双LVDT安装方案比较，万向节部分简化为一个，增加一导向杆，与其它方案比较，大大减少LVDT铁芯所承受的外力，提高了LVDT的可靠性，图3是一个应用实例。

图1 单组万向节连接的双LVDT安装方案

图2 分别带万向节连接的双支LVDT安装实例

图3 单组万向节连接的双支LVDT安装实例

对LVDT包覆新材料降低摩擦。在LVDT铁芯前端部分包覆100mm长的尼龙面料，尼龙的耐磨性、韧性、稳定性均十分优良，可有效防治LVDT铁芯的磨损、断裂；LVDT线圈套筒端部涂覆聚四氟乙烯材料，聚四氟乙烯的摩擦系数只有0.04，可避免磨穿线圈套筒内壁。如图4所示。

图4 LVDT包覆尼龙面料和聚四氟乙烯改进前后对比图

统一LVDT连接杆规格及防转杆安装方式。该措施通过改变连接杆的结构形式，避开应力集中区，降低了连接杆断裂的风险，LVDT连接杆规格如图5所示尺寸定制，LVDT连接杆与防转杆应分别装设在调节门阀杆连接件的两侧，如图6所示。

图5 LVDT连接杆规格

图6 LVDT连接杆安装截面示意图

将航空插头的接线形式改为固定焊接的形式。为检修方便，某些机组设计的传感器引出线采用航空插头连接形式，而传感器长期工作在温度高、振动大的环境，极易造成插针氧化、接触不良[5]，改为固定焊接可避免上述问题。

编制针对LVDT测量装置的专项检查方案和定期工作制度。对象是锁紧螺母、连杆，并随检修计划对LVDT连接杆、防转杆等定期进行金属表面探伤和外观检查，重点检查裂纹、弯曲和螺纹退刀槽变截面处有无圆角过渡等缺陷，连接杆间隙符合标准[1]。拆装调节门阀杆时，禁止LVDT连接杆和防转杆转动阀杆受力，应制作专用螺杆，完成转动阀杆的拆装工作，在阀杆安装调整完毕之后，再安装LVDT连接杆、防转杆，避免LVDT连接杆、防转杆因受力过大而产生裂纹。

在DEH增加“DEH阀门指令与反馈偏差大报警”逻辑。目前对双支LVDT的阀位反馈采取三种方案，其优劣性如表1所示，采取该措施后，还应设置指令与阀位反馈偏差大或双支LVDT反馈偏差大时的报警，提醒运行人员注意，及时进行LVDT的更换。

表1 双支LVDT阀位反馈选择方案比较

减轻高调门汽流激振烈度。高调门做以下优化措施[6]：

• 改进阀碟形式，加强阀碟分离能力，固定其分离点，改附阀碟流型为附阀座对称流型，提高流场稳定性；

• 在阀碟与衬套开孔增加阀碟上加载力；

• 改变阀杆与油动机轴连接结构，提高其对中精度；

• 增强弹簧支撑架，提高纵操作稳定性；

• 配汽优化规避振动工况。

4　结语

LVDT是一个长期困扰行业的难题，解决此类问题需要在研发、设计、制造、安装、维护等环节上协调一致，共同研究改进措施。安装现场存在高频振动、磨损以及高温环境是一个系统固有的特征，因此，首先研发新产品要适用该环境；其次特殊环境的安装方案、巡检内容需要有针对性。这些都是解决问题的主要方向。对于阀体的激流振荡，应本着相互配合的原则，综合考虑技术经济效益，提高设备的测控水平。

[1] 班志伟, 张学渊. 600MW机组DEH系统故障探究与维护策略[J]. 华北电力技术, 2009, (Z1): 89 – 91.

[2] 张平, 赵立, 等. 600MW机组高压调门典型事故分析及处理[J]. 发电技术, 2011, (12): 41 – 44.

[3] 徐熙瑾, 张宝. 给水泵汽轮机调门LVDT脱落造成的事故分析[J]. 汽轮机技术, 2006, 48(3): 221 – 223.

[4] 朱珂, 高生辉, 等. 亚临界600MW机组汽轮机调节阀线性可变差动变送器故障分析及改进[J]. 热力发电, 2011, 40(1): 79 – 81.

[5] 刁保圣. 600MW汽轮机高压调门晃动原因分析和对策[J]. 汽轮机技术, 2004, 46(01): 64 – 67.

[6] 国华电力. 600MW汽轮机调节阀振动和阀杆断裂机理研究及消除[R]. 北京: 国华电力, 2012.

Trouble Analysis and Solution to the Linear Variable Differential Transformer of High-pressure Regulating Valve in Steam Turbine

汽轮机高压调节阀位线性位移可变差动变压器在应用中故障率很高，通过对公司所属机组的调查，总结出LVDT线圈故障、LVDT铁芯故障、LVDT连接杆故障三大类故障产生的主要原因，研究各机组LVDT的应用情况和改进措施，提出LVDT连接杆规格及防转杆安装方式、双LVDT万向节安装方案、运行报警规则、安装巡检专项方案及减轻高调门汽流激振烈度的一些解决措施。

测量仪表；高压调节阀；位移传感器；差动变压器；铁芯；连接杆

The fault rate of Linear Variable Differential Transformer of Highpressure regulating valve in steam turbine is very high. By investigating all units in our company, the main reasons related to the LVDT coil fault, LVDT core fault, LVDT connecting rod fault are summarized. The application and improvement measures about LVDT are studied. Some solving measures about LVDT connecting rod specifications, anti rotating rod installation mode, double LVDT joint installation, operation alarm rule, installation and inspection programs, and reduction method of valve steam exciting force vibration intensity are introduced.

Measuring instrument; High-pressure regulating valve; Displacement transducer; Differential transformer; Core; Connecting rod

B 文章编号：1003-0492(2015)01-0078-03 中图分类号：TP273

赵军（1968- ），男，山西保德人，教授级高工，硕士，现就职于神华国华国际电力股份有限公司，主要从事发电厂热力过程自动控制方面的研究。

徐亚涛（1965- ），男，北京人，高工，本科，现就职于神华国华（北京）电力研究院有限公司，主要从事发电厂汽轮机方面的研究。

王红武（1971- ），男，河北保定人，高工，本科，现就职于神华国华国际电力股份有限公司，主要从事发电厂汽轮机方面的研究。

张秋生（1970- ），男，河北石家庄人，教授级高工，硕士，现就职于神华国华（北京）电力研究院有限公司，主要从事发电热工自动化方面的研究。

孙鹏（1981- ），男，北京人，工程师，本科，现就职于神华国华（北京）电力研究院有限公司，主要从事发电厂汽轮机方面的研究。

*注： 假设在稳态下分支a正常，分支b振荡。当分支a大于给定值时，分支a与给定值对分支b信号构成上下限幅；当分支a小于给定值时，由于分支a与给定值很接近，等效于对分支b半向削波，调节器这时只输入负偏差，阀门只关不开，不存在振荡调整，且动作过程中一旦分支a大于给定值，即可进入稳定区，兼顾了故障安全关和抑制振荡两种功能。