9FB燃機(jī)燃料控制閥LVDT反饋偏差原因分析與解決方案

孔金波

（江蘇華電昆山熱電有限公司，江蘇 昆山 215300）

1 引言

GE 能源集團(tuán)是世界領(lǐng)先的發(fā)電設(shè)備和能源輸送技術(shù)的供應(yīng)商，從2005年初至今，GE 已向中國(guó)一期和二期的聯(lián)合循環(huán)電廠項(xiàng)目提供了20 臺(tái)總計(jì)860 萬(wàn)千瓦發(fā)電能力的F 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，使得燃機(jī)發(fā)電機(jī)組在中國(guó)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的比重進(jìn)一步加大[1]。華電昆山熱電廠聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)組使用的是美國(guó)GE 公司的9FB.05 型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)，燃機(jī)控制系統(tǒng)使用的是GE 的MARK VIe 控制系統(tǒng)。該熱電廠以熱定電的運(yùn)行方式對(duì)機(jī)組運(yùn)行的安全、可靠性進(jìn)行大大提高，然而燃機(jī)的燃料控制閥其執(zhí)行機(jī)構(gòu)三冗余LVDT 在日常運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有規(guī)律的線性偏差，極大地影響了燃料伺服閥閉環(huán)控制的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。燃料控制閥位置反饋問(wèn)題亟待解決。

2 燃料控制閥LVDT 及控制邏輯介紹

2.1 燃料控制閥LVDT 簡(jiǎn)介

華電昆山熱電450 MW 熱電聯(lián)產(chǎn)單元機(jī)組電廠聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)組使用的是美國(guó)GE 公司的9FB.05型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)，燃機(jī)控制系統(tǒng)使用的是GE 的MARK VIe控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)為三塊控制器冗余配置，其中燃機(jī)共裝有4 臺(tái)SonicFloTM型氣體燃料控制閥，每個(gè)燃料控制閥內(nèi)置3 組woodward 公司生產(chǎn)的型號(hào)為1886-7010型線圈LVDT 位置傳感器如圖1 所示。該型號(hào)LVDT 的出廠設(shè)置為：3 000 Hz 以下，加上7 Vrms 勵(lì)磁電壓時(shí)，在最小位置，提供0.7 Vrms 反饋；在最大位置，提供3.5 Vrms 反饋。其在日常運(yùn)行過(guò)程中用于燃料閥位置的測(cè)量、伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制等。

圖1 1886-7010 型LVDT 外形圖

2.2 燃料控制閥LVDT 控制邏輯

GE 9FB 燃機(jī)燃料控制閥的主要功能是使其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開度跟隨FSR2（氣體燃料行程基準(zhǔn)）的變化而變化，即滿足線性開度要求。在組態(tài)中FSR2 乘以計(jì)算后的增益常數(shù)和加上調(diào)零偏置后成為FSROUT，作為燃料控制閥的閥位開度基準(zhǔn)進(jìn)入伺服卡件中[2]。而3 組LVDT 通過(guò)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)閥位，將反饋信號(hào)也輸入伺服卡件中，經(jīng)過(guò)集成邏輯MINMAX 大值選擇后在PI 運(yùn)算放大器前與FSROUT 比較。如果存在差值則伺服卡件將改變送到伺服閥的輸出電流中驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，重新調(diào)整偏置電流直到差值消失為止。邏輯圖如圖2 所示。

圖2 燃料控制閥LVDT 邏輯控制圖

式中，C 為最終配置電流，V 為50%閥位偏置電壓，Kr 為伺服閥電阻，Ki 為伺服閥涉及電流（見(jiàn)設(shè)備銘牌）。

因此，3 組LVDT 所輸出的閥位開度參數(shù)FSGn，具有反應(yīng)閥門開度，并參與伺服閉環(huán)調(diào)節(jié)的功能，其參數(shù)的精準(zhǔn)，對(duì)于燃料閥的調(diào)整乃至整個(gè)燃機(jī)燃燒的穩(wěn)定有不可或缺的作用。

3 現(xiàn)狀分析

昆山熱電公司1#、2#機(jī)組分別于2017年9月26日和10月12日通過(guò)168 h 運(yùn)行，但自2018年6月開始，兩臺(tái)燃機(jī)各4 組燃料控制閥均在不同開度、不同工況下無(wú)規(guī)律地陸續(xù)出現(xiàn)“GCV LVDT different fault”此報(bào)警。該廠熱控人員通過(guò)marklve 控制系統(tǒng)內(nèi)TOOLBOX 邏輯查閱工具進(jìn)行組態(tài)查詢后發(fā)現(xiàn)，此報(bào)警為GE 公司設(shè)計(jì)的，利用軟件邏輯監(jiān)控LVDT及其相應(yīng)的伺服閥，以確保該燃料閥能夠按照其預(yù)期目標(biāo)進(jìn)行控制。當(dāng)燃料閥3 組LVDT 兩兩之間模擬量反饋值偏差超過(guò)0.75%時(shí)而觸發(fā)的報(bào)警，且GE 公司規(guī)定：如果故障嚴(yán)重，則會(huì)觸發(fā)FSRG1OUT 跳機(jī)邏輯，使機(jī)組跳閘。故障檢測(cè)基于以下4 種不同參數(shù)比較：閥門閥位未遵循參考值，閥門未遵循參考值運(yùn)行（閥門反饋值FSGR 與預(yù)測(cè)閥位反饋FSGAERR 之間的誤差在指定時(shí)間內(nèi)大于設(shè)定點(diǎn)K86GCVMN），位置反饋故障，伺服電流問(wèn)題和LVDT 差值報(bào)警（當(dāng)燃料閥LVDT 反饋振蕩即模擬量反饋跳變超過(guò)3%時(shí)），綜合以上可以得出：因此LVDT 的反饋穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠，對(duì)于機(jī)組的安全穩(wěn)定至關(guān)重要。

報(bào)警出現(xiàn)后，該熱電廠熱工專業(yè)會(huì)同機(jī)務(wù)專業(yè)，從設(shè)備原理出發(fā)，以組態(tài)邏輯參數(shù)和閥門結(jié)構(gòu)原理為切入對(duì)可能造成異?，F(xiàn)象的原因逐一進(jìn)行分析，總結(jié)可能原因如下：

第一，燃料控制閥LVDT 采用的電纜為ZRA-KVVP2-0.45/0.75 KV 型耐高溫電纜，采用單獨(dú)屏蔽線，接地方式為機(jī)柜側(cè)單端接地。因考慮其在電纜敷設(shè)時(shí)，設(shè)計(jì)規(guī)劃途經(jīng)強(qiáng)電回路等惡劣電磁環(huán)境中造成傳導(dǎo)干擾，以及電纜破損，接地屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)的作用下，屏蔽層內(nèi)有可能會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過(guò)屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號(hào)回路的可能。

第二，MARKIve 系統(tǒng)里，伺服卡件可手動(dòng)對(duì)輸入TSVO的LVDT 信號(hào)進(jìn)行全行程線性標(biāo)定，伺服卡件通過(guò)全開全關(guān)燃料閥將LVDT 的最大最小位置信息轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，儲(chǔ)存在I/O 卡件中，以調(diào)整其各個(gè)位置的線性偏差。但是這些電壓值并不是實(shí)時(shí)變化調(diào)整的，而是每次手動(dòng)標(biāo)定后的預(yù)設(shè)值。如若伺服閥出現(xiàn)問(wèn)題，或者伺服卡件的集成電路板中有元件損壞，則會(huì)造成階躍電壓監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確，引起未知位置的非線性偏差。

第三，LVDT 鐵芯與套筒之間是否存在碰磨，如果在安裝的過(guò)程中鐵芯與外套簡(jiǎn)安裝不同心的話，運(yùn)行中LVDT 就會(huì)發(fā)生摩擦。時(shí)間一久LVDT 長(zhǎng)期受到磨損的話會(huì)在磨損位置產(chǎn)生偏差。為避免此類事故的發(fā)生，在LVDT 安裝時(shí)—定要做到鐵芯與套筒的同心，在鐵芯和與銜桿相連的鐵芯支架固定前要做到鐵芯能在套筒中心孔和鐵芯支架孔之間做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)不與套筒和支架發(fā)生摩擦。而由于SonicFloTM燃料閥為封閉整體結(jié)構(gòu)，LVDT 為內(nèi)置型，且國(guó)內(nèi)GE 9FB 型機(jī)組尚未有現(xiàn)場(chǎng)解體先例。

4 解決方案制定與實(shí)施

4.1 方案制定

針對(duì)以上分析情況，該廠熱控人員制定以下方案：第一，針對(duì)是否存在回路干擾，導(dǎo)致燃料閥反饋異常跳變的情況。該廠熱控人員首先在燃機(jī)機(jī)柜側(cè)和控制閥就地接線盒處，對(duì)電纜外觀和接地情況進(jìn)行檢查，確保所有的信號(hào)電纜有很好的接地緣，不漏電，以防止接觸引入干擾，隨后將電纜兩端解開，使用兆歐表對(duì)電纜絕緣進(jìn)行搖測(cè)，查看絕緣情況。其次為防止供電線路上存在共模高頻干擾信號(hào)[3]，該廠熱控人員在LVDT 進(jìn)線回路上設(shè)置隔離器進(jìn)行干擾隔離。第二，針對(duì)伺服卡件是否存在伺服閥或集成電路板損壞造成LVDT 反饋顯示偏差的情況，該廠熱控人員重新采購(gòu)了同型號(hào)的伺服閥和伺服卡件，尋找停機(jī)的機(jī)會(huì)對(duì)一個(gè)燃料閥進(jìn)行集中更換，并對(duì)更換前和更換后的效果進(jìn)行對(duì)比。第三，針對(duì)LVDT 鐵芯與套筒之間是否存在碰磨，造成線性偏差的情況。由于SonicFloTM型燃料閥為整體封閉結(jié)構(gòu)，LVDT 為內(nèi)置設(shè)計(jì)，需將整個(gè)閥門進(jìn)行解體方能看清內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而國(guó)內(nèi)目前為止尚未有該型號(hào)的閥門解體記錄，需將閥門送至國(guó)外檢修，周期較長(zhǎng)。

4.2 方案實(shí)施

方案確定后，該廠熱控人員便利用機(jī)組停運(yùn)的機(jī)會(huì)對(duì)制訂的方案進(jìn)行了逐一實(shí)施，具體實(shí)施過(guò)程如表1 所示。

表1 燃料閥LVDT 偏差方案實(shí)施情況

閥門解體后，LVDT 安裝布置如圖3、圖4 所示。

圖3 LVDT 安裝圖

圖4 閥門結(jié)構(gòu)圖

由圖4 中可以看出LVDT 通過(guò)下方的可轉(zhuǎn)動(dòng)底座和上端的底座直接耦合在閥門上，當(dāng)液壓油驅(qū)動(dòng)彈簧壓縮時(shí)，LVDT 跟隨閥門一起做上下線程動(dòng)作。經(jīng)過(guò)檢查3 根LVDT細(xì)長(zhǎng)鐵芯，均在不同地方有不同程度的彎曲（見(jiàn)圖5）。

圖5 LVDT 鐵芯外觀圖

當(dāng)閥門做直行程運(yùn)動(dòng)時(shí)，由LVDT 的工作原理可以得出，當(dāng)銜鐵處于中心位置時(shí)由于兩個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，所以輸出電壓為0，而當(dāng)銜鐵偏離中心位置時(shí)電動(dòng)勢(shì)不等，產(chǎn)生電壓輸出，由于LVDT 三根鐵芯均發(fā)生不同程度的輕微彎曲，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也各不相同。雖然可能并沒(méi)有與外殼產(chǎn)生摩擦，但由于進(jìn)入伺服卡件的電壓不同，所以表決出的閥門位置也各不相同。至此可以確定該型號(hào)燃料閥反饋LVDT 異?；蝿?dòng)的原因?yàn)長(zhǎng)VDT 鐵芯發(fā)生異常彎曲導(dǎo)致的。

5 結(jié)論

利用機(jī)組檢修的機(jī)會(huì)，昆山公司采購(gòu)了同型號(hào)的LVDT進(jìn)行了更換，至此經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的觀察，停機(jī)、機(jī)組啟動(dòng)、正常運(yùn)行3 種工況下，均未出現(xiàn)LVDT 晃動(dòng)現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)效果。針對(duì)此問(wèn)題本文提出以下檢查優(yōu)化方案：

第一，針對(duì)電纜屏蔽接線進(jìn)行重新接線，保證屏蔽線接線單點(diǎn)接地且牢靠，增加抗干擾的可靠性。

第二，對(duì)燃料閥LVDT 各位置的輸出電壓進(jìn)行定期檢查，形成臺(tái)賬，定期進(jìn)行對(duì)比、排查。

第三，燃料閥反饋晃動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文針對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了深入的原因剖析，并提出解決方案。因SonicFloTM型燃料閥受限于其獨(dú)特的密封集成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如果現(xiàn)場(chǎng)冒然對(duì)閥門進(jìn)行解體，彈簧應(yīng)力發(fā)生變化，則會(huì)直接影響閥門流量特性，所以國(guó)內(nèi)尚未有現(xiàn)場(chǎng)解體案例，因此對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)、動(dòng)作方式安裝原理等了解甚少，本文率先展示了燃料閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理、LVDT 的安裝、動(dòng)作方式，為以后的閥門故障分析處理積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也希望能為同類型的機(jī)組和電廠提供參考和幫助。