AP1000汽輪機(jī)主閥門(mén)LVDT不線性問(wèn)題分析和修正

鄭 健

（三門(mén)核電有限公司，浙江 臺(tái)州 317112）

0 引言

線性可變差動(dòng)變送器LVDT（Linear Variable Differential Transformer）屬于直線位移變送器。LVDT具有無(wú)摩擦測(cè)量、無(wú)限機(jī)械壽命、無(wú)限的分辨率和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等眾多優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。

在汽輪機(jī)控制系統(tǒng)中，一般使用LVDT測(cè)量汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門(mén)的閥位開(kāi)度，作為閥門(mén)伺服控制中的反饋信號(hào)，直接影響系統(tǒng)的控制性能。為保證系統(tǒng)可靠地完成閉環(huán)控制，LVDT必須能準(zhǔn)確測(cè)量閥門(mén)的真實(shí)開(kāi)度。

三門(mén)核電一期汽輪機(jī)主閥門(mén)使用的LVDT在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)LVDT的反饋電壓與閥位開(kāi)度之間的關(guān)系并非線性，控制系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)汽輪機(jī)主閥門(mén)的開(kāi)度，該故障會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和功率無(wú)法準(zhǔn)確控制或閥門(mén)波動(dòng)。針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究分析，并深入探討三門(mén)核電采取的解決方案。

1 LVDT驅(qū)動(dòng)原理

LVDT的工作原理如圖1所示。其中，P為L(zhǎng)VDT初級(jí)激勵(lì)線圈，S1、S2分別為L(zhǎng)VDT的兩個(gè)次級(jí)反饋線圈。

LVDT初級(jí)線圈P提供一定頻率及幅值的激勵(lì)信號(hào)（E0）,通過(guò)可移動(dòng)的磁芯，激勵(lì)信號(hào)耦合到兩個(gè)次級(jí)線圈，產(chǎn)生兩個(gè)同頻率的正弦波（E1、E2）。當(dāng)磁芯發(fā)生位移時(shí)，2個(gè)次級(jí)線圈耦合到的正弦波的幅值（Ua、Ub）將會(huì)發(fā)生變化，且（Ua-Ub）值正比于磁芯位移即外部的機(jī)械位移。為提高傳感器靈敏度，改善傳感器線性度，增大傳感器線性范圍，設(shè)計(jì)時(shí)將兩個(gè)次級(jí)線圈繞組反串相接（電壓極性相反），LVDT輸出電壓為其電壓之差，通過(guò)測(cè)量（Ua-Ub）的值，可轉(zhuǎn)換測(cè)得此時(shí)的機(jī)械位置。

圖1 LVDT工作原理Fig.1 Working principle of LVDT

圖2 閥門(mén)控制框圖Fig.2 Valve control block diagram

圖3 功率運(yùn)行控制算法Fig.3 Power operation control algorithm

當(dāng)磁芯處在次級(jí)線圈S1、S2的中間時(shí)，Ua=Ub；當(dāng)磁芯向S1方向移動(dòng)時(shí)，Ua＞Ub；當(dāng)磁芯向S2方向移動(dòng)時(shí)，Ua＜Ub。根據(jù)電壓差和磁芯位移的線性關(guān)系，對(duì)兩個(gè)次級(jí)線圈反饋電壓進(jìn)行采集和換算從而可得到磁芯的位移量[1]。

2 三門(mén)核電汽輪機(jī)LVDT配置及算法

三門(mén)核電汽輪機(jī)控制系統(tǒng)為西屋設(shè)計(jì)的Ovation控制系統(tǒng)，其通過(guò)閥位卡（Valve Positioner）對(duì)安裝有伺服閥、LVDT的油動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。閥位卡為主汽門(mén)（MSV）、主調(diào)門(mén)（GV）和再熱調(diào)門(mén)（ICV）提供了閉環(huán)的閥位伺服控制回路——閥位卡輸出閥位指令給伺服閥，伺服閥控制油動(dòng)機(jī)進(jìn)油和排油，維持閥門(mén)開(kāi)度，安裝在閥桿上的LVDT反饋閥位信號(hào)至閥位卡。其控制原理如圖2所示。

三門(mén)核電項(xiàng)目中，汽輪機(jī)每個(gè)調(diào)節(jié)型汽門(mén)（MSV&GV&ICV）配置兩個(gè)冗余的LVDT，對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)中配置兩塊冗余的閥位卡接收閥位反饋信號(hào)。伺服閥帶有兩個(gè)相互隔離的伺服線圈，每個(gè)伺服線圈動(dòng)作，都可以控制油動(dòng)機(jī)進(jìn)油和排油。主卡與備用卡分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)伺服線圈。兩塊閥位卡通過(guò)硬接線進(jìn)行通訊、同步信息。正常運(yùn)行時(shí)，備用卡計(jì)算的結(jié)果不輸出到伺服指令信號(hào)，但會(huì)跟蹤主卡的伺服輸出信號(hào)，一旦主卡故障，備用卡會(huì)立即切換為主卡，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)控制無(wú)擾切換[2]。

正常功率運(yùn)行時(shí)，MSV、ICV全開(kāi)，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)改變GV的開(kāi)度，控制汽輪機(jī)功率，控制算法如圖3所示。

升功率時(shí)，在LL（Load Limiter）運(yùn)行模式下投運(yùn)ALR，通過(guò)控制系統(tǒng)自動(dòng)功率調(diào)節(jié)以較低的速率使汽輪機(jī)功率達(dá)到目標(biāo)值。MSV/GV在閥門(mén)測(cè)試時(shí)投運(yùn)IMP及MW回路，用以補(bǔ)償由于閥門(mén)測(cè)試引起蒸汽流量變化的負(fù)荷波動(dòng)。

3 LVDT閥位反饋不線性問(wèn)題

汽輪機(jī)控制系統(tǒng)在三門(mén)核電現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)閥位實(shí)際提升高度與閥門(mén)開(kāi)度指令不對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)此問(wèn)題的閥門(mén)包括汽輪機(jī)主汽閥、主調(diào)閥和再熱調(diào)閥。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步測(cè)試發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題的原因?yàn)槠啓C(jī)主閥門(mén)使用的LVDT反饋不線性。圖4是三門(mén)核電一號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)主汽閥A的線性度測(cè)試曲線。

通過(guò)圖4的曲線可以看出，在0%、50%和100%開(kāi)度時(shí)，閥門(mén)的開(kāi)度指令與閥位反饋基本一致。設(shè)計(jì)上要求閥門(mén)全行程的實(shí)際開(kāi)度均要與閥位指令基本保持一致，但是閥位指令按每10%階躍從0%～100%開(kāi)度過(guò)程中，閥位實(shí)際反饋曲線類似“S”型，并且閥位實(shí)際反饋已經(jīng)超出了設(shè)計(jì)方要求的誤差范圍。

圖4 汽輪機(jī)主汽閥A的線性度測(cè)試曲線Fig.4 Linearity test curve of steam turbine main valve A

表1 LVDT上行程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data on stroke LVDT

表2 閥門(mén)開(kāi)度的設(shè)計(jì)要求Table 2 Design requirements for valve opening

表3 LVDT上行程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正Table 3 Correction of the measured data on the stroke on LVDT

汽輪機(jī)閥門(mén)的LVDT閥位反饋不線性，會(huì)造成汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、升功率和功率運(yùn)行階段的控制不穩(wěn)定。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)要求的開(kāi)度與實(shí)際不一致，會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)控制邏輯中的轉(zhuǎn)速和閥位開(kāi)度轉(zhuǎn)化關(guān)系、功率和閥位開(kāi)度轉(zhuǎn)化關(guān)系都不準(zhǔn)確，必然會(huì)造成實(shí)際控制過(guò)程中的閥位波動(dòng)和系統(tǒng)擾動(dòng)[3]。

4 LVDT閥位反饋不線性解決方案分析

4.1 增加硬件解調(diào)電路修正LVDT反饋電壓

三門(mén)核電一期工程，汽輪機(jī)主閥門(mén)使用的LVDT有兩種型號(hào)：GM12008（用于主汽閥、主調(diào)閥）和GM7869-002（用于再熱調(diào)閥），其由日本三菱供貨，六線制設(shè)計(jì)。在三菱的初始設(shè)計(jì)上，可以通過(guò)一套硬件解調(diào)電路，將LVDT反饋電壓修正為線性，但是其硬件解調(diào)電路入口為六線制設(shè)計(jì)，解調(diào)后信號(hào)為兩線制電壓信號(hào)。OVATION閥位卡與LVDT的接口信號(hào)為六線制，所以即使采用硬件解調(diào)電路對(duì)LVDT反饋電壓進(jìn)行修正，其仍無(wú)法直接應(yīng)用于三門(mén)核電現(xiàn)場(chǎng)，因?yàn)橛布庹{(diào)電路與OVATION閥位卡接口無(wú)法直接匹配，所以此方案未被選用為最終解決方案。

4.2 控制邏輯修正開(kāi)度指令和閥位反饋

在不修改現(xiàn)場(chǎng)硬件配置的前提下，使用控制邏輯軟件修正是最簡(jiǎn)便的方案。軟件修正方法如下：

4.2.1 測(cè)量LVDT的原始數(shù)據(jù)

閥位指令按每10%階躍從0%～100%開(kāi)度，記錄每個(gè)開(kāi)度指令下的閥門(mén)實(shí)際提升高度，并且分為閥位指令上行程和下行程兩組數(shù)據(jù)。例如表1為L(zhǎng)VDT的上行程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄。

4.2.2 設(shè)計(jì)方要求的閥門(mén)開(kāi)度

汽輪機(jī)設(shè)計(jì)方會(huì)明確要求在特定閥位指令開(kāi)度下，閥門(mén)實(shí)際提升的高度值，以此來(lái)滿足汽輪機(jī)控制的要求。例如表2為閥門(mén)開(kāi)度的設(shè)計(jì)要求。

4.2.3 實(shí)際閥位指令和反饋修正

因?yàn)殚y門(mén)實(shí)際開(kāi)度是通過(guò)閥門(mén)本體的刻度尺來(lái)讀取的，所以X0不一定恰好在刻度尺的0mm，所以需要首先對(duì)閥門(mén)實(shí)際提升開(kāi)度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理方法和結(jié)果如表3所示。

對(duì)閥門(mén)控制指令的修正，最終目的是讓閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度與設(shè)計(jì)中要求的開(kāi)度保持一致。

對(duì)于0%和100%開(kāi)度，因?yàn)樵陂y門(mén)全關(guān)和全開(kāi)位，所以無(wú)需修正。

對(duì)于10%和90%之間的閥位指令，結(jié)合LVDT的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)方要求的閥門(mén)開(kāi)度要求，通過(guò)插值的方法來(lái)計(jì)算新的閥位指令。在每個(gè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，如果實(shí)測(cè)設(shè)值低于設(shè)計(jì)值，則使用當(dāng)前的實(shí)測(cè)值和向上階躍10%的實(shí)測(cè)值進(jìn)行線性修正。如果實(shí)測(cè)值高于設(shè)計(jì)值，則使用當(dāng)前的實(shí)測(cè)值和向下階躍10%的實(shí)測(cè)值來(lái)進(jìn)行線性修正。下面的計(jì)算方法是基于10%開(kāi)度指令下（假設(shè)為Z10%）來(lái)分析的：

即

對(duì)于閥門(mén)下行程數(shù)據(jù)，也采用上面的方法計(jì)算出修正后的10%開(kāi)度指令（假設(shè)為Z1%），最終10%開(kāi)度指令（假設(shè)為Z1%）修正結(jié)果為閥門(mén)上行程和下行程修正結(jié)果的均值，即Z1=（Z10+Z11）/2。

對(duì)于其他開(kāi)度的閥位指令修正均采用上述的線性插值方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終得出閥門(mén)全行程的閥位指令修正結(jié)果。除了閥位指令需要修正以外，對(duì)于LVDT閥位反饋也需要進(jìn)行修正，其修正過(guò)程中直接使用修正計(jì)算的開(kāi)度指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，修正前閥門(mén)10%開(kāi)度閥位反饋為10%；修正后閥門(mén)10%開(kāi)度閥位反饋為Z1%。

實(shí)測(cè)閥門(mén)LVDT數(shù)據(jù)時(shí)（表1），選取的點(diǎn)數(shù)量越多，則最終修正出來(lái)的結(jié)果越接近線性，但是修正的工作量和邏輯也會(huì)相應(yīng)增加，所以實(shí)際使用過(guò)程中需要平衡考慮，選取合適的數(shù)量點(diǎn)來(lái)進(jìn)行實(shí)測(cè)和計(jì)算。

通過(guò)上述方法對(duì)閥位指令和反饋修正后，閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度和轉(zhuǎn)速與功率要求的閥位之間保持了一致，解決了LVDT反饋電壓不線性的問(wèn)題。此方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有的硬件無(wú)任何改動(dòng)，且軟件邏輯修正后可以實(shí)現(xiàn)要求的閥位控制，所以三門(mén)現(xiàn)場(chǎng)最終采用了此方案。

4.3 更換線性的LVDT

三門(mén)核電一期工程LVDT的設(shè)計(jì)和供貨方，基于其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不建議更換LVDT。

5 結(jié)論

三門(mén)核電一期工程中LVDT反饋電壓不線性問(wèn)題，主要是常規(guī)島和核島設(shè)計(jì)方的接口不一致導(dǎo)致的。綜上3種方案的具體分析，理論上3種方案都可以解決LVDT反饋電壓不線性問(wèn)題。雖然三門(mén)核電一期工程中最終選擇了控制邏輯修正方案，但是后續(xù)經(jīng)過(guò)啟動(dòng)試驗(yàn)以及功率運(yùn)行后，控制邏輯修正的參數(shù)是否需要大修期間再重新計(jì)算和修正等問(wèn)題都有待驗(yàn)證。

隨著核電的發(fā)展，核電廠的設(shè)計(jì)也日趨成熟。在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中，特別是引進(jìn)國(guó)外設(shè)備和技術(shù)時(shí)，對(duì)其設(shè)計(jì)理念和原理要理解和掌握，以便于后續(xù)的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化和自主檢修，以及在后續(xù)機(jī)組運(yùn)行的過(guò)程中進(jìn)行自主改進(jìn)和完善。