秦山二期汽机调门双LVDT改造的安装与调试

吴 枫，李鹏宇

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

秦山二期1、2号机组每个机组共有4个高压主调门[1]，正常功率运行情况下，机组功率由4个相同的调门根据DEH来的信号进行控制。当给定或外界转速、压力、负荷等参数变化时，DEH系统输出开大或关小汽阀的信号，经MOOG阀将电信号转换成弹簧片的位移信号，经喷嘴控制使伺服阀活塞产生位移，输出高压油对油动机进行控制。当油动机活塞移动时，用于反馈的线性位移变送器（LVDT）将油动机活塞的机械位移转换成电信号。该信号返回到DEH中，与阀门控制指令信号进行比较。如果相等，电液伺服阀的活塞回到中间位置，从而切断油动机的进油通道，油动机停止运动，系统在新的工作位置上达到平衡。

改造前，每个汽机调门的控制回路上只有1块调门控制卡、1个LVDT，缺乏冗余设计，一旦卡件或LVDT出现故障，立即会出现调门波动或关闭，导致机组瞬态[2]。至今已多次出现调门控制卡故障，导致调门突关、机组降功率检修的情况。

目前，秦山二期1、2号机组已完成调门双LVDT的改造，使用情况良好，未出现异常情况。借此，对其他需要改造的电厂在设计、安装、调试过程中给予参考。

1 改造思路

在DEH控制机柜内，原来1个调门对应1块调门控制卡，改造还需增加4块调门控制卡，每个调门对应两块调门控制卡，每块卡各自对应1个LVDT；原先LVDT的1组初级线圈和2组次级线圈以及MOOG阀的两组线圈都接到1块调门控制卡上，改造后每个LVDT的1组初级线圈和2组次级线圈接到对应的调门控制卡上，MOOG阀的第1组线圈接到主的调门控制卡上，MOOG阀的第2组线圈接到副的调门控制卡上；冗余调门控制卡之间采用屏蔽双绞线互连。

新加的4块调门控制卡与原有的调门控制卡为硬件冗余配置。由DEH系统按照下列条件判定调门控制卡和其对应的LVDT的工作状态：①调门控制卡硬件故障；②LVDT故障；③MOOG阀线圈故障（短路或开路），需进行主卡和备用卡（冗余备用）的切换。

图2 LVDT接线图Fig.2 Wiring diagram of LVDT

双LVDT改造正值DEH系统升级改造窗口，新增卡件的设计在DEH升级改造中一并考虑。由于各个电厂的上层控制系统不同，这里不再对上层卡件改造部分进行赘述。

改造后示意图如图1所示。在日常运行期间，如调门控制卡A为主，调门控制卡B为副，根据机组工况、LVDT反馈等信息给出调门开度指令的运算都在主的调门控制卡A中进行，并输出到MOOG阀线圈上，而备用调门控制卡B仅复制主卡的伺服阀线圈输出。如主卡或主的LVDT出现故障，备用的调门控制卡B卡切换为主卡，并由调门控制卡B计算给出调门开度指令。

图1 改造后结构图Fig.1 Assumption diagram after upgrade

新的调门控制界面也需在组态时，增加卡件主备状态、伺服线圈电压输出、每个LVDT的阀位反馈等信息的画面显示，并增加相应报警，而且新的调门控制卡还具有调门校验参数上传和下载功能。每次大修启机前，校验好的调门参数可以上传到控制器上进行保存，如调门控制卡故障更换后，仅需将保存的参数下载即可。

2 LVDT原理

目前使用的LVDT是交流六线制，外壳中有1组初级线圈和两组次级线圈，在线圈内部有1个可自由移动的铁芯，3组线圈的3组接线按说明书要求分别接到调门控制卡对应的端子上。正常工作时，调门控制卡给初级线圈提供一定频率的交变电压，通过改变铁芯在线圈内的相对位置来改变空间的磁场分布，从而改变了初级线圈、次级线圈之间的互感量，两组次级线圈也就产生了不同的感应电动势，调门控制卡根据两组次级线圈的电压值来判断铁芯在线圈内的位置，从而得出阀门当前的开度反馈。

LVDT差动变压器式位移传感器的特点：①原理直观、结构简单、工作可靠、使用寿命长，其出线都用绝缘材料包住，能抗高温；②灵敏度高、线性范围宽、重复性好；③分辨率高、微小的动作即有感应电压输出；④结构对称、零位可恢复，可重复安装使用；⑤输入和输出隔离，抗干扰性好。

3 双LVDT的安装

原调门的单支LVDT装在阀门油动机侧面，油动机上开有2个固定螺栓孔和2个定位销，用以固定LVDT的线圈。LVDT的铁芯上端固定在一块角铁上，角铁连至调门阀杆上。

要安装第2支LVDT必须新增2个固定螺栓孔和2个定位销，考虑到在油动机上开孔的风险（如打孔出现裂纹，整个油动机无法使用），放弃了在原LVDT的安装孔水平位置开孔的方案，因此需要考虑一种改动量较小的方案。

设计人员考虑新加工一块固定板，大小和油动机侧面大致一样，利用原LVDT的安装孔和定位销将固定板和油动机固定，并在4个角进行电焊，保证安装牢固可靠。该固定板的外侧提前布置好双LVDT的安装位置并打上螺栓孔和定位销孔，将双LVDT固定在安装板上。这样一来，可以免去油动机上打孔的风险，仅需加工一块固定板。

铁芯固定方案较为简单，原先固定角铁可以继续使用，待LVDT线圈固定完毕后，试装铁芯，并重新开孔即可。

新增LVDT后，多了3组接线。根据各厂需要，在油动机接线盒增加端子排。

4 双LVDT调试

4.1 铁芯位置的固定

LVDT工作过程中，铁芯的活动不能超出线圈的线性范围。若超出线性区域，测量数值将不准确。因此，所有的LVDT均有一个线性范围。由于LVDT线性度在中间位置最好，因而需要阀门在全行程动作的时候，铁芯在两组次级线圈中间来回动作，也就是说最佳的安装位置是：当阀门在50%开度时，铁芯的下端正好在两个次级线圈的中间[3]。

假定：现场油动机（被测量物）行程是a，LVDT的行程是b（实际中b≥a，否则无法使用该LVDT）。油动机的全行程a是指全开到全关的距离，而LVDT的行程是指LVDT铁芯的有效行程的距离（铁杆上2个黑线圈间的距离），实际控制油动机的全开和全关是靠着输出的0%～100%的指令来完成的。0%～100%对应油动机从0～a的开度，所以0%～100%也要对应LVDT的线性范围内的0～a的距离。一般来说，LVDT中点左右线性最好，因此只要把LVDT行程的中点与油动机行程的中点重合在一起，就可以让LVDT在最好的线性范围内活动。由于安装LVDT的时候不能让油动机来回开关，故应找到油动机的中点。现场LVDT的外壳实际是固定在汽轮机上，可以认为不动，而铁芯则与油动机固定在一起，油动机的开关则带动铁芯活动产出位移差。因此，可以在门处于全关状态下，让LVDT的第1个黑线圈露出套筒（b-a）/2。这样，当门全开的时候，LVDT还有b-a-（b-a）/2=（b-a）/2的距离，与初始露出的相同，保证了LVDT的中点跟油动机的中点很好地重合在一起，保证了控制的精度[4]。同样，DEH系统里调门全行程校验的数据也要求全开校验位置（TOP CAL POSITION）和全关校验位置（BOT CAL POSITION）的值的绝对值基本一致，即全开位置时次级线圈的电压正值和全关位置时次级线圈的电压负值，两者的绝对值要一致。

由于无法在阀门动作50%时进行铁芯的固定，而且调门全行程校验前也无法准确定位50%的位置，因而只有通过其他测量手段，通过计算后再在0%位时进行固定[5]。

首先，先通过调门本体的手册或机械专业处得到调门全行程的距离（也可以将调门全开全关一遍，手动进行测量）；然后，在阀门全关的时候，用两块万用表分别测量两组次级线圈的交流电压值，缓慢移动铁芯在线圈内的位置，通过两组电压值来确定出阀门50%时铁芯的位置。根据LVDT的特性，当两组电压的正负相反、绝对值一致的时候，就是50%的位置，应做好标记；最后，从当前位置将铁芯下移调门全行程距离的一半，该位置即是零点位置，用螺帽将铁芯固定好。

通过4个调门的全行程校验，这个方法安装铁芯的位置完全满足调门校验的数据要求。

4.2 双LVDT切换试验

校验完成后，还需对系统进行如下调试：汽机挂闸后，全部阀门强制开到50%左右。

1）对1～4号调门的主备两路控制回路进行冗余切换试验，确认调门控制无明显波动。

2）伺服阀线圈短路、断路试验。断开或短接主的MOOG阀线圈，备用的调门控制卡切换为主卡。在这种情况下，调门阀位无明显波动，调门命令及反馈在实验前后保持一致，确认调门控制卡切换无扰。

3）LVDT断线试验，分别断开初级线圈、次级线圈。同样，备用的调门控制卡切换为主卡。在这种情况下，调门阀位无明显波动，调门命令及反馈在实验前后保持一致，调门控制卡切换过程中未产生扰动。

4）调门控制卡故障试验。通过拔出主卡试验，备用的调门控制卡切换为主卡。在这种情况下，调门阀位无明显波动，调门命令及反馈在实验前后保持一致，调门控制卡切换无扰。

5 改造后优点

以之前出现过的调门控制卡故障事件为例，对改造前、改造后的情况进行分析对比，详见表1。

表1 改造前、改造后的情况分析对比Table 1 Analysis and comparison of the situation before and after the transformation

6 结束语

调门双LVDT改造后的设备通过提升冗余配置获得了可靠性的提升[6]，使机组瞬态的可能性大大降低，保证了机组的满功率安全稳定运行，提高了机组的效益，而且在故障处理过程中，时间大大缩减，步骤的困难和复杂程度大大降低，极大地减少了人为失误造成的风险，保障了机组的安全。结合多年汽机维护经验以及升级改造实施调试经验，给出了调门双LVDT改造安装调试的一些建议，希望能给后续需要改造的电厂给予帮助。