IGCC汽机主汽调门双LVDT优化研究

丁建博，冯 松，张 宇，王鑫伦，苏 岩，刘凤琪

（1.华能（天津）煤气化发电有限公司，天津 300452；2.华能通辽风力发电有限公司，内蒙古自治区 通辽 028000）

0 引言

IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）作为目前最为清洁的煤电技术，以煤作为燃料，通过过气化炉煤气化过程，产生合成气（经净化过程处理得到净煤气），净煤气输入燃气轮机燃烧驱动燃气轮机发电，燃机的高温排气在余热锅炉中换热产生蒸汽驱动汽轮机发电，形成燃气—蒸汽联合循环集成的一种洁净煤发电技术[1-3]。

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是线性可变差动变压器，属于直线位移传感器[4-6]。天津IGCC联合循环发电汽轮机EDH系统中，主汽调阀反馈装置LVDT都是单支，LVDT传感器与伺服阀通过伺服卡控制，实现对主汽调门调节动作。在机组运行过程中一旦LVDT故障将导致主汽调阀失控，不仅会出现无法正常进行机组负荷调节的问题，甚至会出现阀门关闭导致机组汽机跳闸的情况。所以说LVDT设备的稳定性决定汽机DEH系统液动阀门调节的可靠性，也间接决定汽轮机运行的可靠性。LVDT传感器都以行程拉伸的形式存在，在主汽调门不断调节过程中LVDT传感器机械磨损也会越变越大，同时主汽调门的LVDT工作环境多数是高温和振动大，因此这些情况都会加速LVDT设备老化，LVDT的输出值会出现波动，导致阀门会在某个位置抖动。单支LVDT控制的主汽调门的可靠性相对比较低，因此本文主要通过设计新双LVDT支架来安装双LVDT，增加线缆和变送器把新的LVDT的信号接入DEH系统中，在通过控制的逻辑优化确保任意一个LVDT故障，阀门仍然保持正常调节动作。与此同时也要保证在逻辑优化后，双LVDT选择实现无扰切换功能，以保证设备稳定运行[7,8]。

1 主汽调阀LVDT支架设计及安装

汽机主调阀主要分为两种：高压主汽调阀和中压再热主汽调阀。由于两种调阀阀门行程不同，所以两种调阀对应使用的LVDT的形式型号也不同[9]。高压选用无锡河埒传感器有限公司生产的A156.33.01.28，测量范围：0mm～250mm，适用环境温度：-40℃～150℃，该LVDT为拉筒式，特点：适合量程较小，拉伸稳固测量精准。而中压再热调门选无锡河埒传感器有限公司生产的B151.36.09.04，测量范围：0～300mm，适用环境温度：-40℃～150℃，是拉杆式LVDT，特点：适用较长的量程，拉杆灵活，适合于动作幅度较大的执行器。两种不同形式的LVDT使用不同环境，表1为两种不同LVDT性能对比表。

表1 拉筒式与拉杆式对比表Table 1 Comparison of pull-drum and pull-rod

汽机的高压主汽调门机械行程40mm左右，高压侧调门LVDT安装在阀门油动机的右侧，LVDT控制行程在190mm左右。阀门的活动端链接到LVDT拉筒活动，中间定位块和底部固定块是固定在油动机上的。图1为高压LVDT更改前后示意图，为能够保证双LVDT安装稳固可靠，又保证两个LVDT测量精准无偏差，选的并排安装，并设计双LVDT支架。

图1 IGCC汽机高压主调门双LVDT更改图Fig.1 IGCC Turbine high pressure main throttle valve double LVDT change

汽机的中压再热调门机械行程为70mm左右，中压再热调门LVDT安装在阀门油动机的正前方，LVDT控制行程在240mm左右，采用拉杆式。图2为再热LVDT更改前后示意图，为了保证双LVDT测量精度，选择并排安装，并设计双LVDT支架。

图2 IGCC汽机再热主调门双LVDT更改图Fig.2 IGCC Turbine reheat main throttle double LVDT change

通过以上两种新型的支架，能有效保证LVDT安装稳固性，同时也能减小两支LVDT测量产生系统误差。最主要的优势在于任意一个LVDT故障可以在线拆卸更换，而不影响另一个LVDT正常工作。图3是现场高压与再热主汽调阀更改后情况。为保证油动机设备完整性，未在油动机开新孔固定，安装的新支架都是使用旧的螺丝孔位，总体表现来看实用牢固并且美观。

图3 高压和再热主汽调门双LVDT现场实图Fig.3 High pressure and reheat main valve dual LVDT diagram

2 IGCC主汽调阀双LVDT与EDH系统对接

双LVDT控制不仅包括现场支架安装，也包含新增的LVDT信号接入到DEH系统中。图5为单LVDT与更改后的双控制回路图，原有单LVDT信号进入变送器LDM1000，LDM1000将电压信号转换为4mA～20mA标准电流信号，输出的标准的电流信号串入DHE系统的两个快速卡中，DEH接收两个信号值，再通过逻辑控制伺服阀行程闭环控制[10]。

原有控制回路虽然有两个LVDT信号接收的快速处理卡，但是只要有LVDT、变送器LVDT和快速处理卡，及线路任意一点故障都会导致DEH系统无正常接收信号，无正常的闭环控制伺服阀。为了保证新增的LVDT独立起来，同时也必须新增一个新的变送器LDM1000。

从图4中可以看出，新增加的LVDT与变送器组合将测得信号单独传送到DEH系统中一块快速处理卡中。真正实现信号的冗余，保证DEH接收到两个单独的LVDT信号，其中任意一个线路故障，也能保证另一个信号正常接收，从而确保了阀门控制回路的正常的工作。

图4 单LVDT和双LVDT控制回路图Fig.4 Single LVDT and Dual LVDT control loop diagrams

3 IGCC主汽调阀LVDT逻辑优化

虽然优化双LVDT的目的是任意一LVDT故障，阀门都能够正常调节使用，但是由于主蒸调阀的动作也会影响机组负荷及机组运行参数，如果双LVDT在故障情况切换导致阀门开关动作幅度太大，将严重影响机组的稳定运行，所以双LVDT之间无扰切换非常重要[11-13]。

只有双LVDT实现无扰切换，才真正意义上实现了设备冗余功能。因此，通过对双LVDT的控制逻辑优化来实现设备无扰切换以保证机组的稳定运行。

如图5将两个LVDT的信号值分别与阀门控制指令值进行作差，再将这两个差值取绝对值，再比较这两个绝对值大小，取最小的绝对值所对应的LVDT的值与阀门闭环进行调节控制。这样可以保证阀门控制稳定性，避免了在调节过程中取不同的LVDT值造成一些扰动调节。同时也保证了当一个LVDT故障时，LVDT值与阀门指令产生较大偏差，逻辑中自动排除掉，控制系统会选择较小偏差继续调节。该逻辑可以有效保证双LVDT的无扰切换，也能够保证阀门稳定的调节动作，减少抖动现象发生。

图5 双LVDT逻辑控制图Fig.5 Dual LVDT Logic control diagram

4 双LVDT性能测试

安装好的双LVDT需要重新定位才能使用。高压主汽调门机械行程在40mm，再热主汽调门机械行程在70mm，为保证汽机稳定运行，左右侧主汽调门进汽量和进汽压力要保持一致，所以必须保证阀门开度一致。考虑到机械结构和温度对LVDT的影响，一般不会将阀门的机械全开位置设定阀门全开位置，通常将阀门全开位置设定在机械行程的90%～95%。如果将机械全开位置设定阀门全开位置，会因为设备温度变化产生一定形变偏差，结果将是阀门指令全开，而阀门实际反馈不能达到100%。这会导致伺服线圈持续工作和阀门机械限位持续受力，时间久了将会造成伺服阀结构损坏和阀门机械限位的损坏，确定好的机械限位值同时也需要在DEH中标定LVDT的零点和量程对应的电流值[13-15]。标定LVDT电流值就是对阀门位置标定，将汽机打闸后油动机无油压，此时可以将阀门位置定为0位，标定LVDT电流值，即此时最低电流值MAG电流值。将汽机挂闸后，将阀门开到指定全开位置即可标定阀门的全开位置，标定LVDT电流值，即此时最大电流值MEG电流值。表2为对双LVDT进行标定的数据表。

表2 双LVDT数值整定表Table 2 Dual LVDT value setting

实验结果测试：为了确保优化后双LVDT控制可靠，对主蒸汽调进行一些实验测试，主要是模拟阀门正常工作状态下，1个LVDT故障，观察其阀门状态，并对阀门进一步调节控制，确认其是否能正常工作。LVDT 故障状态主要以每个LVDT断电（可以模拟变送器故障断电），即以LVDT接线断开来模拟初级和次级线圈故障状态。

通过将双LVDT有效数值整定及阀门定位后，对阀门进行测试。在单个LVDT故障的条件下，阀门会保持正常调节，阀门无抖动情况，且阀门继续给指令，阀门正常动作。

5 结论

因单LVDT故障导致阀门无法正常调节情况时常发生，本文为解决单LVDT的主汽调门调节可靠性低的问题，通过设计双LVDT来提高主汽调门的稳定性和可靠性。以设计新型双LVDT支架为基础，保证支架牢固可靠的同时，采用双LVDT并排安装模式以减小两支测量产生的误差。同时增加一套单独变送器，使两个LVDT形成单独信号分别送入不同DEH快速处理卡中，保证双LVDT信号冗余。通过合理逻辑优化，也实现了两个LVDT无扰切换的使用，提高整个双LVDT控制的稳定性。对优化后的双LVDT控制进行测试实验，结果表明任意一个LVDT故障，阀门未发生误动，阀门调节正常。该双LVDT优化的结果不仅适用于汽机主汽调门中，也可以适用于其他液动阀调系统，具有广泛的使用性。

表3 双LVDT测试表Table 3 Dual LVDT testings