傳感器在火電廠中的應(yīng)用及LVDT使用故障分析

劉榮輝，陳 東

(1.天津軍糧城發(fā)電有限公司，天津 300300；2.天津科技大學(xué)，天津 300222)

傳感器在火電廠中的應(yīng)用及LVDT使用故障分析

劉榮輝1，2，陳 東2

(1.天津軍糧城發(fā)電有限公司，天津 300300；2.天津科技大學(xué)，天津 300222)

傳感器技術(shù)在火電廠應(yīng)用廣泛，其意義也十分突出。文章簡單介紹了傳感器技術(shù)在火電廠中的應(yīng)用，以及DEH系統(tǒng)中LVDT傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及其作用。并以某電廠出現(xiàn)的LVDT故障為例，講解如何從現(xiàn)場顯示的現(xiàn)象出發(fā)，快速地找出故障點(diǎn)，及時采取相應(yīng)的處理措施。

傳感器；火電廠；LVDT；DEH；調(diào)門；故障

0 前 言

發(fā)電廠是一個復(fù)雜的、對安全性要求很高的系統(tǒng)，發(fā)電過程中的多個參數(shù)都需要用到傳感器來進(jìn)行監(jiān)視。

對于出現(xiàn)故障的設(shè)備，則需要根據(jù)傳感器所測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷，確保發(fā)電機(jī)組運(yùn)行設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)[1]。

1 電廠常用傳感器介紹

應(yīng)用在火電廠的傳感器種類很多。其中汽機(jī)側(cè)測量的重要參數(shù)包括主汽溫度、主汽壓力、速度級壓力、加熱器水位、凝汽器真空度、汽輪機(jī)軸振和瓦振、汽機(jī)轉(zhuǎn)速和LVDT調(diào)門位置等。

鍋爐側(cè)的重要參數(shù)包括汽包壓力、汽包水位、爐膛負(fù)壓、給水溫度、主汽流量、給水流量和減溫水流量等；化學(xué)水處理的水的酸堿含量、制氫中的氫純度、電導(dǎo)率和油質(zhì)檢測。

另外，隨著國家對環(huán)保工作越來越重視，對于脫硫和脫硝系統(tǒng)中二氧化硫含量、氮氧化物含量、氧量以及煙塵含量的測量也都用到了傳感器。下面介紹4種常用的傳感器。

1.1 流量傳感器

節(jié)流壓差式流量傳感器都是純機(jī)械機(jī)構(gòu)，具有耐高溫、技術(shù)成熟和工作可靠優(yōu)點(diǎn)，在電廠中的應(yīng)用非常廣泛。節(jié)流壓差式傳感器用于測量鍋爐和汽機(jī)的主要流量參數(shù)，主要有主汽流量和再熱蒸汽流量，在給水流量和減溫水流量的測量中也用到了此類傳感器。

在發(fā)電廠，差壓變送器輸出4-20mA的電流信號送到DCS控制系統(tǒng)中，但是此類傳感器有一定的缺點(diǎn)，由于需要加裝導(dǎo)壓管、冷凝罐等附件，因此對安裝條件要求略高。

其次，在使用中還需要定期維護(hù)，冬季還需要做防凍措施[2]。

在電廠的化學(xué)車間，流體大部分含有酸或堿等腐蝕性介質(zhì)，一般情況下都用到電磁式測速流量傳感器。

此類傳感器電極襯里材料種類很多，特別是哈氏合金B(yǎng)(C)、鈦、鉭、鉑/鈦合金等材料，能對抗包括硫酸、磷酸在內(nèi)的多種化學(xué)介質(zhì)，具有良好的耐腐蝕和耐磨損性。

電磁流量轉(zhuǎn)換器作用是放大傳感器輸出的毫伏信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后變成標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流頻率信號。轉(zhuǎn)換后的信號與流體的體積流量成線性關(guān)系，方便其與PLC配套使用或把數(shù)據(jù)直接傳入到DCS系統(tǒng)進(jìn)行顯示或參與邏輯運(yùn)算。

1.2 電渦流振動傳感器

電渦流傳感器體積較小、非接觸測量、長期工作可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、測量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的在線監(jiān)測與故障診斷中應(yīng)用廣泛，可測量例如軸振動和軸位移等物理量。在火電廠，汽輪機(jī)軸振動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、位移傳感器以及脹差傳感器等使用的都是此類非接觸式測量電鍋流振動傳感器。

電渦流傳感器能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。

由探頭、電纜線、前置器組成[3]。電渦流傳感器有很多的優(yōu)點(diǎn)，它可以非接觸地直接測量軸的振動、提供轉(zhuǎn)速和鍵相位參考信號、長時間使用可靠性高而且校驗(yàn)簡單。

但是它也有一定的缺點(diǎn)，即對被測材料性質(zhì)敏感、對被測物表面狀態(tài)敏感且安裝較為復(fù)雜，需要在機(jī)殼上鉆孔[4]。

1.3 溫度傳感器

應(yīng)用在電廠的溫度傳感器分為熱電偶型和熱電阻型。

熱電偶主要特點(diǎn)是測溫范圍較廣、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，輸出的信號為4-20mA的電流信號，方便把數(shù)據(jù)傳送到DCS系統(tǒng)進(jìn)行集中控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。熱電偶型傳感器一般用于汽輪機(jī)本體上金屬溫度的測量、鍋爐前后屏壁溫以及所有高溫高壓管道上水或蒸汽溫度的測量。

熱電阻型溫度傳感器的工作原理是利用物質(zhì)的電阻值隨溫度變化而改變的特性來測量溫度的。熱電阻型傳感器具有高靈敏性、強(qiáng)穩(wěn)定性和較高的準(zhǔn)確性的優(yōu)點(diǎn)。電廠熱電阻一般采用Pt100，PT10，Cu50，Cu100，鉑熱電阻測量溫度范圍一般為200～800 ℃度以下，銅熱電阻為-40～140 ℃。

熱電阻型傳感器一般用于測量汽機(jī)側(cè)推力瓦、定位瓦溫度，汽機(jī)和鍋爐的軸承溫度等。

1.4 LVDT傳感器

LVDT屬于直線位移傳感器中的一種。LVDT用于DEH系統(tǒng)中，用于測量汽輪機(jī)的高中壓缸調(diào)門的位置值，并輸出實(shí)時的位移反饋。

伺服放大器通過對比反饋信號和主控單元所發(fā)出的指令來調(diào)整輸出信號，以便于快速準(zhǔn)備地對油動機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制[5]。

LVDT是一種非接觸式位置傳感器，其處于運(yùn)動的鐵芯和靜止的部件沒有任何機(jī)械接觸，沒有任何磨損。

發(fā)電廠處于高噪聲工業(yè)環(huán)境，LVDT是一種絕對位置傳感器，其距離讀數(shù)有一個的固定基準(zhǔn)，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。由于LVDT具有抗高溫、測量精度高、可靠性高和安裝調(diào)整方便的優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛地應(yīng)用在電廠中。

LVDT是由一個初級線圈和兩個次級線圈組成，如圖1所示。

其中間部位是一個可以在中心部位自動移動的鐵芯。為防止相互碰觸，在鐵芯和孔膛之間留有足夠大的空隙。

次級線圈1、2的繞制方向是相反的以抵消它們之間的電壓。中心部位的鐵芯從中間向兩側(cè)移動時其位移量與其輸出的電壓值在線性的關(guān)系[6]。

圖1 LVDT的基本結(jié)構(gòu)

運(yùn)行人員通過設(shè)定汽輪機(jī)調(diào)門開度來控制汽輪機(jī)進(jìn)汽流量，從而改變汽輪機(jī)負(fù)荷大小，滿足電網(wǎng)負(fù)荷要求。

LVDT在調(diào)門控制中的作用如圖2所示。LVDT位移傳感器與調(diào)門連桿相連，根據(jù)調(diào)門位移，傳感器產(chǎn)生的頻率幅值做相應(yīng)地改變；然后通過LVDT變送器單元把頻率信號轉(zhuǎn)化成電壓(1～5 V)和電流(4-20mA)信號，通過DEH板傳達(dá)運(yùn)操作員畫面并進(jìn)入邏輯組態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算。

圖2 LVDT的基本作用

2 LVDT出現(xiàn)的故障及分析

2.1 故障現(xiàn)象

某電廠#7機(jī)1號高壓調(diào)門在全開位置發(fā)生劇烈振動，DEH系統(tǒng)閥門控制方式由順序閥方式跳至單閥方式。

運(yùn)行人員最初認(rèn)為是LVDT反饋信號故障，但是就地檢查發(fā)現(xiàn)1號高壓調(diào)門振動劇烈，其它調(diào)門運(yùn)行穩(wěn)定。

調(diào)取DEH系統(tǒng)中1號高壓調(diào)門的運(yùn)行曲線，發(fā)現(xiàn)調(diào)門指令及高調(diào)1的兩個反饋的曲線都在波動，而且波動上限可達(dá)90%以上。

2.2 故障排除

為防止在消除缺陷過程中指令誤動作造成調(diào)門突然開啟或關(guān)閉，引起蒸汽壓力波動，影響機(jī)組運(yùn)行。

將機(jī)組DEH系統(tǒng)保持在單閥運(yùn)行狀態(tài)，把1號高調(diào)門的指令在緩慢遞減的情況下強(qiáng)置到零，在此過程中要求運(yùn)行人員注意監(jiān)視機(jī)組的參數(shù)變化，以防出現(xiàn)異常情況。

1)為防止調(diào)門振動是由于線路原因造成，熱控人員對LVDT連接電纜、就地接線盒及DCS端子全部進(jìn)行緊固處理，沒有發(fā)現(xiàn)有松動的現(xiàn)象；

2)檢查1號高調(diào)門LVDT鐵芯、線圈，沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的損壞，且機(jī)柜內(nèi)VCC卡指示燈顯示正常；

3)檢查LVDT調(diào)節(jié)模塊，用備用LVDT模塊更換后進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動現(xiàn)象有所改善，但是仍然振動。

2.3 處理方法

根據(jù)LVDT調(diào)節(jié)模塊對振動現(xiàn)象有所改善的現(xiàn)象，所LVDT調(diào)節(jié)模塊改位置移動到現(xiàn)場1號高調(diào)門附近的端子盒內(nèi)，對其單獨(dú)控制。更改位置后的1號高調(diào)門運(yùn)行平穩(wěn)，指令與反饋保持一致。

2.4 故障分析

本廠DEH系統(tǒng)采用的是北京國電智深供應(yīng)EDPF-NT型DEH系統(tǒng)，LVDT傳感器采用的是無錫市河埒傳感器有限公司生產(chǎn)的TD-1型傳感器。

7#機(jī)組一共有8個調(diào)門，中高壓缸調(diào)門各4個，中壓缸調(diào)門一般處于全開狀態(tài)。每個調(diào)門安裝兩個LVDT傳感器用于輸出各個調(diào)門的實(shí)際位置。在DEH系統(tǒng)中，規(guī)定每個調(diào)門的位置反饋為高選，即取兩值中的高值作為此調(diào)門的實(shí)際反饋值。對調(diào)門擺動故障進(jìn)行分析，信號反饋缺陷大部分原因都是由于LVDT故障造成的。

通過此次事故可以發(fā)現(xiàn)，LVDT傳感器所使用的電纜盡可能的耐用，最好選擇耐高溫的屏蔽電纜。

由于高中壓缸附近長期高溫，且靠近調(diào)門附近的溫度更高。因此鎧裝屏蔽電纜保護(hù)層也要做好電纜保護(hù)層的絕緣保護(hù)問題。

除此之外，LVDT其他故障也會造成調(diào)門的擺動。如其反饋裝置的反饋桿是用螺母固定在閥體支架托板上面的，在長期運(yùn)行的情況下，因?yàn)榘惭b不同心或震動等原因，造成反饋桿和反饋套筒內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦而出現(xiàn)LVDT反饋擺動或壞死現(xiàn)象。這時我們需要更換新的裝置和LVDT支撐托架。新更換的反饋桿不是用螺母固定在閥體支架托板上而是通過彈簧壓在上面，這樣可以避免因安裝不同心或震動等原因，造成負(fù)荷擺動的后果。

3 結(jié) 語

本文簡要介紹了溫度、流量、振動和位移傳感器在電廠中的應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展和提高，現(xiàn)在的傳感器種類由過去單一測量改為了復(fù)合型統(tǒng)一測量，而且測量的精度和范圍也逐步提高。

另外，LVDT傳感器在火電廠汽輪機(jī)控制中處于相當(dāng)重要的作用，它的故障會對系統(tǒng)造成巨大的影響，所以要特別重視LVDT傳感器的安裝和維護(hù)工作。

在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，從現(xiàn)場顯示的現(xiàn)象出發(fā)快速地找出故障點(diǎn)，及時采取相應(yīng)的處理措施，把故障消滅在萌芽階段。

[1]周金華,張靜.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在電廠狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2011(11)：271-273.

[2]胡珊.流量傳感器技術(shù)在熱電廠中的應(yīng)用及其發(fā)展[J].儀器儀表用戶,2003(05)：27-28.

[3]梁建宏，電渦流傳感器在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的應(yīng)用[J].儀器儀表與應(yīng)用，2007(04)：74.

[4]孫艷秋，電渦流傳感器的技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用[J]，電子元件與材料，2014(03)：35-37.

[5]王丹麟等，基于位移傳感器LVDT的信號斷線故障檢測[J].電力自動化設(shè)備，2011(12)：59-61.

[6]片秀紅等，LVDT傳感器在發(fā)電廠應(yīng)用中的研究與探討[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2010(06)：101-102.

1007-7596(2014)12-0081-03

2014-10-16

劉榮輝(1976-)，女，河北邯鄲人，工程師；陳東(1968-)，男，山東平原人，博士生導(dǎo)師，教授。

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