给水泵汽轮机伺服控制系统LVDT故障分析及处理

第27卷第12期
电力科学与工程Vol.27，No.1269
给水泵汽轮机伺服控制系统LVDT 故障分析及处理
郭凌云，李涌斌
(广东大唐国际潮州发电公司，广东潮州515723)
摘要:阐述了给水泵汽轮机伺服控制系统中线性可变差动变送器LVDT 的作用及工作原理，并结合实例对其典型故障进行了分析，并介绍采取的对策与处理情况。

关键词:给水泵汽轮机伺服控制系统;LVDT 工作原理;典型故障;分析处理中图分类号:TK263
文献标识码:A
收稿日期:2011－10－10。

作者简介:郭凌云(1979-
)，男，工程师，从事电厂热控技术研究，E-mail :guotoulong@126．com 。

0引言
给水泵汽轮机控制系统的安全稳定运行是整台机组稳定运行的前提和基础，其控制系统异常不仅会导致其转速失控和给水流量突变，也会造成小机跳闸，机组RB 严重时会导致锅炉MFT ，汽机跳闸恶性事故的发生。

给水泵汽轮机的转速调节是通过高、低压调门的正确动作来实现的，因此，作为测量阀门开度的一次元件LVDT 就显得尤为重要。

1LVDT 的结构及工作原理
给水泵汽轮机伺服系统主要由伺服阀、伺服卡及LVDT 组件等组成，线性可变差动变送器LVDT (Line Variable Differential Transformers )是伺服系统中反馈主汽门及调速汽门开度的测量元件，LVDT 的作用是将油动机的位移信号转换为电压信号，其工作原理如图1所示。

图1LVDT 原理图Fig．1
Schematic of LVDT
LVDT 的工作原理类似于变压器的作用原理，采用线性差动变压器测量位置。

在外壳中有3个
绕组，主要包括铁心、初级线圈和两个次级线圈，这两个二次绕组完全相同，由1kHz 交流电源激励。

一、二次绕组间的耦合能随铁心的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而改变。

由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方向输出，因此输出电压为两者的电压差。

输出的电压信号送到伺服放大器经高选后与控制指令信号进行比较，差值经伺服放大器功率放大并转换为电流信号后，驱动电液伺服阀控制油动机，控制阀门的开启和关闭，当阀门开度达到指令要求后，伺服放大器输入偏差为零，于是阀门又处于新的稳定位置。

目前，火电厂汽轮机及给水泵汽轮机的调速汽门上分别安装有2支LVDT ，2路反馈值经过高选后与指令值计算偏差，然后经伺服卡功率放大并转换为电流信号后，通过伺服阀驱动油动机，控制阀门的开度，最终构成一闭环控制回路。

其伺服卡控制原理图如图2所示。

2LVDT 反馈杆断裂引起给水泵汽轮机转速突降
目前，大部分给水泵汽轮机的调速汽门LVDT 是通过螺母、垫片、连接件与油动机连接的，由
于运行时油动机振动、LVDT 安装时反馈杆与线圈不同心等原因，在调门大幅度的来回动作之后LVDT 会产生松动或磨损，直接导致LVDT 线圈被
70电力科学与工程2011
年
图2
伺服卡控制系统图
Fig．2
Schematic of servo control system
磨损甚至损坏，LVDT 反馈杆脱落或断裂等故障。

2011年6月22日1号机组A 小机低压调门开度从48.86%突增至100%，而A 小机实际转速及给水流量却快速下降，险些造成机组跳闸的事故发生。

经过检查发现小机A 低压调门处于全关状态，低压调门其中一只LVDT (LVDT2)反馈杆断裂。

原因分析，由于初始安装方法不当，LVDT2反馈杆和线圈安装时不在同一直线上，LVDT 反馈杆与线圈外壳长期磨损，造成LVDT2反馈杆折断，折断后的阀杆掉入线圈外壳内，导致其反馈信号突增至100%。

由图2伺服卡控制系统图可知，在系统处于动态平衡时，低压调门开度指令与开度反馈(经高选后)是一致的，其电压的偏差很小，伺服阀保持原位，油动机也保持原位。

在小机LVDT2反馈杆断裂后，其(经高选后)位置反馈信号变为100%，远大于开度指令，两者产生了偏差电压，经伺服卡PID 运算后控制电流信号驱动伺服阀使油动机朝阀门关闭的方向移动，直至低压调门全关，小机转速下降，汽泵出力下降导致给水流量减少。

为防止LVDT 反馈杆断裂或脱落故障对机组安全运行的影响，可采取以下技术措施:(1)改造LVDT 安装方式，在LVDT 反馈装置上增加万向节，既消除了LVDT 反馈杆上所承受的偏转应力，又确保了在阀杆发生偏转时LVDT 反馈杆能够与套筒保持同心，即使阀杆偏转或振动较大，也不容易使LVDT 反馈杆与线圈摩擦或发生断裂。

(2)在安装LVDT 时，注意调整LVDT 的同心度，保证LVDT 反馈杆在调节阀全行程范围内始终与
阀杆保持平行，安装后应测试LVDT 的行程特性。

另外，LVDT 应按制造厂要求定期更换，其线圈尽量远离高温热源。

(3)优化控制器的逻辑组态，增加给水泵无出力保护逻辑，当汽泵实际转速从高转速降至低于转速定值(3300r /min )且与目标转速偏差大于定值(300r /min )时，直接跳闸小机，并触发RB 连锁启动电泵(如图3所示逻辑图)，避免出现LVDT 故障时运行人员处理不及时导致给水流量低锅炉MFT 。

(4)修改控制器组态，对两路LVDT 的反馈信号进行判断，增设阀门行程偏差大声光报警功能。

当出现阀门的指令与反馈信号偏差大情况时，触发光字报警，以便运行人员及早发现和解决问题。

图3
给水泵无出力保护逻辑
Fig．3
Feed-water pump-free output protection logic
3LVDT 信号电缆屏蔽不良，有干扰信号串入信号回路引起给水泵汽轮机调门瞬间关闭后又打开
由于LVDT 直接与阀门的油动机连接，靠近汽门本体，环境温度高，同时一些工程在基建安装期间使用的信号电缆质量较差，经过一段时间的运行后，信号电缆的绝缘性能下降，屏蔽功能不良，容易造成LVDT 的信号回路中串入干扰信
第12期郭凌云，等给水泵汽轮机伺服控制系统LVDT 故障分析及处理71
号，使LVDT 产生虚假信号。

2011年8月11日，1号机组B 小机低压调门指令未变，反馈信号突然上升，而B 小机转速和主给水流量却快速降低，B 小机转速最低降至3434r /min ，低压调门LVDT 反馈信号为40.1%，3s 后小机转速又自动恢复正常，且小机B 低压调门的指令信号与LVDT 的反馈信号趋于一致。

其过程趋势曲线如图4所示。

后热控人员对B 小机伺服阀、LVDT 、伺服卡及LVDT 输入板等设备进行检查，均正常。

图4小机B LVDT 反馈信号趋势曲线Fig．4
Feedback signal trend lines of feed-water pump B LVDT
造成小机低压调门突然关闭的可能原因有:(1)伺服阀故障，包括接线脱落、伺服阀损坏及伺服阀堵塞。

假设伺服阀堵塞导致小机低压调门关闭后自动打开，那么小机低压调门的反馈信号是能够真实地反应出阀门的实际动作情况的，应该是先下降再上升，而从图4的趋势曲线中可以看出，小机B 低压调门反馈是先上升后下降，因此，伺服阀故障或堵塞导致小机低压调门瞬间关闭的原因是不成立的。

(2)伺服卡故障。

在小机停运后，通过多次强制开及关1号机组B 小机低压调门，指令及反馈进入伺服卡都正常，实际动作也正常。

同样如果是伺服卡故障导致小机低压调门关闭后自动打开，那么小机低压调门的反馈信号是能够真实地反应出阀门的实际动作情况的，应该也是先下降再上升，与实际动作情况不符，故也可排除伺服卡故障引起小机低压调门瞬间关闭。

(3)LVDT 故障，包括LVDT 接线松动、脱落、信号电缆干扰。

在小机B 低压调门全关反馈信号返回，同时小机的转速及给水流量也在下降，然而此刻的小机低压调门反馈值为49%，说明B
小机低压调门反馈值不是真实的测量值而是一个虚假信号。

由于LVDT 的反馈信号值大于低压调门的指令值，经伺服卡PID 运算后控制电流信号驱动伺服阀使油动机朝阀门关闭的方向移动，从而造成低压调门关闭。

而当低压调门关闭，转速下降时，转速自动控制回路为了维持小机转速，将逐步提高低压调门指令，因此低压调门指令增大是正常的。

而后当反馈值小于指令值，在伺服卡的PID 控制回路调节下，控制伺服阀打开小机低压调门。

同时通过查看历史记录，发现在B 小机LVDT 反馈发生异常前，运行人员启动了A 火检冷却风机，如图5所示，从趋势曲线上可以看出，在A 火检冷却风机的启动信号返回的同一时刻，LVDT 的反馈信号也开始变大。

综合历史趋势曲线和小机低压调门的实际动作情况，造成小机B 低压调门瞬间关闭的原因为原先敷设的LVDT 信号电缆质量较差，且受现场长期高温环境的影响，绝缘效果降低，对干扰信号的屏蔽作用大大降低，当A 火检冷却风机启动时，产生了干扰信号串入至LVDT 的信号电缆中，造成LVDT 反馈信号突增，在伺服卡的PID 控制回路调节下，驱动伺服阀使油动机朝阀门关闭的方向移动，进而导致低压调门瞬间关闭。

图5火检冷却风机启动对小机B LVDT 信号干扰趋势曲线
Fig．5
Signal interference trend lines of
feed-water pump B LVDT for switch cooling fan
为防止由于信号电缆受干扰造成的LVDT 信号故障，可采取以下技术措施:(1)更换屏蔽性能较差的LVDT 信号电缆，采用耐高温防干扰的高品质屏蔽电缆;(2)对LVDT 信号电缆采取就地屏蔽浮空，在电子间机柜接地端单点接地的方式;(3)在机组检修期间重点对LVDT 的信号电缆的接地及屏蔽情况进行检查，发现异常及时处理。

72电力科学与工程2011年
4结束语
以上所述由LVDT 故障引起给水泵汽轮机转
速调节系统异常动作的典型故障，也是很多电厂在运行中时常出现的情况，在分析清楚原因后，通过采取相关的技术措施改进后，能够大大降低LVDT 的故障率，提高机组的安全性。

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Fault Analysis and Processing of LVDT in Pump-turbine Servo Control System
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Abstract :This article describes the function and working principle of LVDT in pump-turbine servo control system．It analyses the reason for typical fault ，and introduces the processing methods．
Key words :pump-turbine servo control system ;LVDT working principle ;typical fault ;檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮
analysis and processing
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Li Qingzhi ，Meng Qingwei
(School of Control and Computer Engineering ，North China Electric Power University ，Baoding 071003，China )Abstract :In this paper ，the system pure delay as a priori knowledge ，through the separation and reconstruction of the random and deterministic system error component ，we calculated the thermal control system of random and deterministic performance ，analysis of many types of system disturbance comprehensive performance evaluation．And the actual use of the normal operation of a power plant on the findings of the study data were verified．The re-sults show that the proposed evaluation method to objectively reflect the actual control system running．
Key words :minimum variance ;performance evaluation ;ARMA models ;random performance ;determine per-formance ;main steam pressure。