电动调节阀阀位反馈信号剧烈波动分析及处理

刘安林，王登辉，何振林，彭 军，李文钰，李 奕

（中国核动力研究设计院，成都 610213）

0 引言

随着科学技术的发展，汽水分离器已在化工、石油、电厂等行业中广泛应用，实现对汽水混合物中的汽液分离，提高进入汽轮机的蒸汽品质，保证进入汽轮机的工作蒸汽里不夹带水分。在蒸汽发生器中，从冷水过渡到蒸汽，汽水混合物的干度、流速均有较大幅度的变化，这给分离器的分离效率带来严峻考验。通常情况下，汽水分离器在较小干度范围内可保证较高的分离效率，而在大干度范围，如何使汽水分离器仍旧能保持较高分离效率是汽水分离器压力水位控制系统重要的任务之一。汽水分离器压力水位控制系统就是通过开关疏水阀来控制水位，通过操作调压阀来控制压力，进而对蒸汽发生器出口的汽水混合物进行分离，保证系统用汽设备的安全。在进行汽水分离器压力水位控制时，现场操作人员发现在不对疏水阀和调压阀进行任何手动干预的情况下，执行机构反馈回来的两个阀位信号均同时出现剧烈波动，这导致现场操作人员无法准确判断两个阀门的实际阀位，不能对汽水分离器压力水位进行控制。因此，有必要针对疏水阀和调压阀阀位的异常波动进行科学的诊断，找出剧烈波动的原因，以便采取切实有效的处理措施，保证汽水分离器压力水位控制系统的调节性能，实现汽水混合物的汽液分离。本文通过对疏水阀和调压阀执行机构供电电源、阀位反馈信号、监控台、过程控制柜进行逐一排查，停运相关系统设备，定位异常波动信号的起始位置，并利用示波表采集异常信号，通过MATLAB 分析异常信号时频特性，找出干扰信号源，通过一系列处理措施，使得两个调节阀的阀位指示重新恢复正常。

1 汽水分离器压力水位控制原理简介

湿蒸汽就是指含有水分的蒸汽，又叫汽水混合物，是蒸汽系统中最需要关注的问题之一。汽水混合物会降低设备的生产效率和产品的质量，也会导致用汽设备损坏。虽然疏水阀可以去除大部分水分，但并不能处理掉悬浮在蒸汽中的液滴。为分离掉这些悬浮液滴，需要在蒸汽管道上安装汽水分离器。某汽水分离器采用旋流式粗分离器，结合挡板板式精分离器二级分离结构型式，汽水混合物在分离器内多次改变流动方向，由于悬浮的水滴有较大的质量和惯性，当遇到挡板流动方向改变时，干蒸汽可以绕过挡板继续向前，通过1#调压阀排出，而水滴就会积聚在挡板上，汽水分离器有很大的通流面积，减少了水滴的动能，大部分都会凝聚，最后落到分离器的底部，通过2#疏水阀排出。由图1 可以看出，主要通过调压阀调节汽水分离器压力，而疏水阀则用来调节汽水分离器水位。为了精确控制汽水分离器压力和水位，汽水分离器蒸汽和凝水出口分别设置了调压阀和疏水阀，通过控制这两个阀门可以实现压力水位控制。汽水分离器压力水位控制系统主要分为两个电动执行机构、监控台、过程控制柜及数据采集柜4 个部分。远程操作时，运行人员在监控台操作调节阀开关，将开关量信号进入手操器，在手操器中经过一系列处理后，产生4mA ～20mA 的控制信号，直接驱动阀门执行机构，进而改变阀门阀位。自动控制时，过程控制柜接收监控台送来的自动信号，根据当前的阀位及压力水位信号，输出4mA ～20mA 的控制信号，自动关小或开大疏水阀和调压阀。当手操器接收监控台送来的就地信号时，无法实现调压阀和疏水阀的自动及远程控制，现场操作人员只能就地手动开关阀门。图1 为汽水分离器压力水位控制系统框图。

图1 汽水分离器压力水位控制系统框图Fig.1 Block diagram of the steam water separator pressure level control system

图2 调压阀阀位反馈信号波形图Fig.2 Pressure regulator valve position feedback signal waveform diagram

2 阀位反馈信号异常波动分析与定位

在某系统运行过程中，运行人员发现处于远程控制状态下的电动执行机构，在电动调节阀无就地操作，且监控台不操作电动调节阀操作开关时，监控台上的电动调节阀阀位指示表出现异常波动，波动范围在10%左右，导致操作人员无法判断调压阀和疏水阀的真实阀位。经仪控检修人员现场确认，在波动过程中，电动调节阀未动作，初步判断控制信号输入正常，阀位反馈信号受到了干扰。为定位干扰源，有必要对电动调节阀阀位反馈信号进行详细分析。具体方法如下：分别在调压阀和疏水阀的监控台与执行机构之间串入240Ω 的电阻，利用示波表AC 耦合档去除信号的直流分量，观察电阻两端的电压信号波形，图2为调压阀阀位反馈信号波形图，图3 为疏水阀阀位反馈信号波形图，从图中可以看出，调压阀和疏水阀阀位反馈信号均存在周期性干扰信号。

图3 疏水阀阀位反馈信号波形图Fig.3 Steam trap position feedback signal waveform

表1 电源分析结果Table 1 Power analysis results

图4 更换屏蔽电缆后调压阀阀位反馈信号时频图Fig.4 Time-frequency diagram of the pressure feedback valve position feedback signal after replacing the shielded cable

为定位干扰源，仪控检修人员首先从电源着手，排查是否由于电源品质不佳导致，排查对象依次为两个执行机构、过程控制柜、监控台的电源信号，使用示波器采集各电源信号波形，并利用信号处理软件进行时频分析，分析结果见表1。从表1 中可以看出，各模块电源供电稳定，无谐波或杂波干扰，品质良好。

其次，运行人员依次停止系统各模块设备。首先，停运两台功率为80kW 的电动屏蔽泵，然后，依次停运3 台功率为6kW 的电动离心泵，两台功率为18kW 电动往复泵，一台功率为14kW 电动柱塞泵，经过长时间的观察与测试，阀位反馈信号剧烈波动现象依然存在。最后，运行人员调节电动变频泵转速，发现当转速调节至某一固定值时，两个电动阀的阀位指示表出现异常波动，越过该固定值异常波动则消失，反复试验现象不变。由此可以确定该异常波动是由电动变频泵变频器工作引起的电磁干扰造成。

3 处理措施与成效

由于变频泵为汽水分离器压力水位控制系统的核心设备之一，汽水分离器运行时，变频泵也必须同时运行，且该电磁干扰是由变频泵正常工作造成，即使更换变频泵也无法消除问题。运行人员本着既然无法从源头上消除电磁干扰，那就从路径上屏蔽和滤除电磁干扰，为此运行人员采取了如下措施：

1）通过更换两个阀门执行机构至监控台的线缆，由原来的非屏蔽线缆改为双屏蔽线缆。

2）在两个阀门执行机构的阀位反馈回路增加滤波。

通过采取以上两条处理措施，再次测量阀位反馈信号波形，利用示波表AC 耦合档去除信号的直流分量，观察电阻两端的电压信号波形，图4、图5 分别为疏水阀和调压阀阀位反馈信号时频图，从图中可以看出，40Hz 的电磁干扰均已经被屏蔽和滤除，阀位指示未出现异常波动情况，问题得到圆满解决。

图5 更换屏蔽电缆后疏水阀阀位反馈信号时频图Fig.5 Time-frequency diagram of the trap position feedback signal after replacing the shielded cable

4 结束语

针对某型汽水分离器调压阀和疏水阀阀位指示表异常波动问题，运行人员根据现象推测问题所在，并开展了一系列排除工作，最终确认阀位反馈信号受到电磁干扰。为定位干扰源，运行人员操作系统各功能模块进行分时工作，经过长时间地观察和测试，最终确定干扰源为系统中的变频泵，并通过更换屏蔽电缆及引入滤波电路的方式消除了变频泵对阀位反馈信号的电磁干扰，调压阀和疏水阀阀位指示表恢复正常。本文所述问题及解决措施虽是针对汽水分离器压力水位控制系统，但其他类似系统可能也会出现类似问题，本文所述内容对解决其他类似设备的电磁干扰问题具有重要的引导作用。