趙軍，徐亞濤，王紅武，張秋生，孫鵬（. 神華國(guó)華國(guó)際電力股份有限公司，北京 0005）（. 神華國(guó)華（北京）電力研究院有限公司，北京 0005）

汽輪機(jī)高調(diào)門位移差動(dòng)傳感器故障分析及解決

趙軍1，徐亞濤2，王紅武1，張秋生2，孫鵬2
（1. 神華國(guó)華國(guó)際電力股份有限公司，北京 100025）
（2. 神華國(guó)華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025）

1　引言

火力發(fā)電廠汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥位移傳感器大量采用線性可變差動(dòng)變壓器LVDT（Linear Variable Differential Transformer，縮寫LVDT），該傳感器具有無(wú)摩擦測(cè)量、無(wú)限分辨率、電氣位可重復(fù)性高以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用在電力行業(yè)。大型機(jī)組高調(diào)門的操縱機(jī)構(gòu)由彈簧筒和油動(dòng)機(jī)組成，置于閥體的上方，運(yùn)行中由于蒸汽流動(dòng)引起的閥體和閥桿振動(dòng)，易在操縱機(jī)構(gòu)上產(chǎn)生高頻振動(dòng)；同時(shí)閥芯小幅轉(zhuǎn)動(dòng)，使軸向運(yùn)動(dòng)的LVDT受力磨損或與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)振蕩撞擊；閥體周圍環(huán)境溫度高，對(duì)電子元器件的壽命影響也很大。LVDT在此環(huán)境下，常發(fā)生鐵芯桿和線圈嚴(yán)重磨損、鐵芯桿和連接橫桿疲勞斷裂的故障。

此類故障在行業(yè)內(nèi)屬于共性問(wèn)題，文獻(xiàn)1、2、3從不同時(shí)期反映了此類問(wèn)題。近10年來(lái)神華國(guó)華60臺(tái)機(jī)組共發(fā)生LVDT故障70起。傳感器及其接線部分的故障占總故障的77%。其中連接桿的故障占總故障的18%，萬(wàn)向節(jié)的故障共2次，少量故障還造成機(jī)組非停。針對(duì)該問(wèn)題，公司積極開展專項(xiàng)研究、制定解決方案。

2　原因分析

將LVDT傳感器及其接線部分的故障再進(jìn)行細(xì)分，可以分為以下5類部件：LVDT線圈、LVDT鐵芯、LVDT支架、測(cè)量回路接線、數(shù)據(jù)采集卡件及控制系統(tǒng)。

分析發(fā)現(xiàn)LVDT線圈故障的比例高達(dá)64%，LVDT鐵芯故障的比例為20%。分析故障發(fā)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）LVDT鐵芯對(duì)LVDT線圈內(nèi)孔的異常磨損。一是由于LVDT鐵芯的運(yùn)動(dòng)軌跡與LVDT線圈內(nèi)孔不同心造成；二是當(dāng)汽輪機(jī)閥門振動(dòng)大時(shí)，LVDT鐵芯對(duì)線圈的碰撞磨損。（2）LVDT傳感器及其接線高溫老化。當(dāng)傳感器或接線處在閥門輻射熱的高溫環(huán)境下，嚴(yán)重時(shí)直接接觸閥桿處泄漏的高溫蒸汽，造成LVDT元件的加速老化。（3）LVDT鐵芯及其它部件松動(dòng)脫落。由于閥門及操縱機(jī)構(gòu)的振動(dòng)大導(dǎo)致LVDT各部件容易發(fā)生部件松脫或斷裂的情況，上汽產(chǎn)600MW亞臨界機(jī)組高調(diào)門振動(dòng)大問(wèn)題就是這一現(xiàn)象的典型代表[4]。（4）閥桿在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)。由于閥桿的扭轉(zhuǎn)造成LVDT鐵芯的運(yùn)動(dòng)軌跡與LVDT線圈內(nèi)孔不同心，當(dāng)防轉(zhuǎn)桿間隙過(guò)大或失效時(shí)，LVDT鐵芯會(huì)由于受到扭轉(zhuǎn)力而可能發(fā)生斷裂。

LVDT連接桿故障主要表現(xiàn)為斷裂、松動(dòng)和脫落。公司所屬機(jī)組的大部分連接桿故障均發(fā)生在上汽產(chǎn)600MW亞臨界機(jī)組上。一個(gè)主要因素是閥門在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)大[3]，對(duì)此公司組織研究并實(shí)施了高壓調(diào)速汽門故障防治。

3　處理措施

在LVDT上加裝萬(wàn)向節(jié)（關(guān)節(jié)軸承）裝置，規(guī)范安裝方案。加裝萬(wàn)向節(jié)，是目前行業(yè)內(nèi)的普遍做法，它降低了LVDT鐵芯與連接桿的連接剛性[5]，減少LVDT鐵芯與線圈套筒之間因?yàn)椴煌耆膶?dǎo)致的磨損、卡澀等。汽輪機(jī)高調(diào)門汽流激振是系統(tǒng)固有的特征，無(wú)論采取什么改進(jìn)措施，均不能徹底消除該特征，因此為解決LVDT鐵芯對(duì)線圈的碰撞磨損，以及LVDT鐵芯與其它固定結(jié)構(gòu)的碰撞斷裂，公司與無(wú)錫河埒公司研究采用了圖1的針對(duì)性設(shè)計(jì)方案，該方案與圖2雙LVDT安裝方案比較，萬(wàn)向節(jié)部分簡(jiǎn)化為一個(gè)，增加一導(dǎo)向桿，與其它方案比較，大大減少LVDT鐵芯所承受的外力，提高了LVDT的可靠性，圖3是一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

圖1 單組萬(wàn)向節(jié)連接的雙LVDT安裝方案

圖2 分別帶萬(wàn)向節(jié)連接的雙支LVDT安裝實(shí)例

圖3 單組萬(wàn)向節(jié)連接的雙支LVDT安裝實(shí)例

對(duì)LVDT包覆新材料降低摩擦。在LVDT鐵芯前端部分包覆100mm長(zhǎng)的尼龍面料，尼龍的耐磨性、韌性、穩(wěn)定性均十分優(yōu)良，可有效防治LVDT鐵芯的磨損、斷裂；LVDT線圈套筒端部涂覆聚四氟乙烯材料，聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)只有0.04，可避免磨穿線圈套筒內(nèi)壁。如圖4所示。

圖4 LVDT包覆尼龍面料和聚四氟乙烯改進(jìn)前后對(duì)比圖

統(tǒng)一LVDT連接桿規(guī)格及防轉(zhuǎn)桿安裝方式。該措施通過(guò)改變連接桿的結(jié)構(gòu)形式，避開應(yīng)力集中區(qū)，降低了連接桿斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，LVDT連接桿規(guī)格如圖5所示尺寸定制，LVDT連接桿與防轉(zhuǎn)桿應(yīng)分別裝設(shè)在調(diào)節(jié)門閥桿連接件的兩側(cè)，如圖6所示。

圖5 LVDT連接桿規(guī)格

圖6 LVDT連接桿安裝截面示意圖

將航空插頭的接線形式改為固定焊接的形式。為檢修方便，某些機(jī)組設(shè)計(jì)的傳感器引出線采用航空插頭連接形式，而傳感器長(zhǎng)期工作在溫度高、振動(dòng)大的環(huán)境，極易造成插針氧化、接觸不良[5]，改為固定焊接可避免上述問(wèn)題。

編制針對(duì)LVDT測(cè)量裝置的專項(xiàng)檢查方案和定期工作制度。對(duì)象是鎖緊螺母、連桿，并隨檢修計(jì)劃對(duì)LVDT連接桿、防轉(zhuǎn)桿等定期進(jìn)行金屬表面探傷和外觀檢查，重點(diǎn)檢查裂紋、彎曲和螺紋退刀槽變截面處有無(wú)圓角過(guò)渡等缺陷，連接桿間隙符合標(biāo)準(zhǔn)[1]。拆裝調(diào)節(jié)門閥桿時(shí)，禁止LVDT連接桿和防轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿受力，應(yīng)制作專用螺桿，完成轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿的拆裝工作，在閥桿安裝調(diào)整完畢之后，再安裝LVDT連接桿、防轉(zhuǎn)桿，避免LVDT連接桿、防轉(zhuǎn)桿因受力過(guò)大而產(chǎn)生裂紋。

在DEH增加“DEH閥門指令與反饋偏差大報(bào)警”邏輯。目前對(duì)雙支LVDT的閥位反饋采取三種方案，其優(yōu)劣性如表1所示，采取該措施后，還應(yīng)設(shè)置指令與閥位反饋偏差大或雙支LVDT反饋偏差大時(shí)的報(bào)警，提醒運(yùn)行人員注意，及時(shí)進(jìn)行LVDT的更換。

表1 雙支LVDT閥位反饋選擇方案比較

減輕高調(diào)門汽流激振烈度。高調(diào)門做以下優(yōu)化措施[6]：

? 改進(jìn)閥碟形式，加強(qiáng)閥碟分離能力，固定其分離點(diǎn)，改附閥碟流型為附閥座對(duì)稱流型，提高流場(chǎng)穩(wěn)定性；

? 在閥碟與襯套開孔增加閥碟上加載力；

? 改變閥桿與油動(dòng)機(jī)軸連接結(jié)構(gòu)，提高其對(duì)中精度；

? 增強(qiáng)彈簧支撐架，提高縱操作穩(wěn)定性；

? 配汽優(yōu)化規(guī)避振動(dòng)工況。

4　結(jié)語(yǔ)

LVDT是一個(gè)長(zhǎng)期困擾行業(yè)的難題，解決此類問(wèn)題需要在研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、安裝、維護(hù)等環(huán)節(jié)上協(xié)調(diào)一致，共同研究改進(jìn)措施。安裝現(xiàn)場(chǎng)存在高頻振動(dòng)、磨損以及高溫環(huán)境是一個(gè)系統(tǒng)固有的特征，因此，首先研發(fā)新產(chǎn)品要適用該環(huán)境；其次特殊環(huán)境的安裝方案、巡檢內(nèi)容需要有針對(duì)性。這些都是解決問(wèn)題的主要方向。對(duì)于閥體的激流振蕩，應(yīng)本著相互配合的原則，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，提高設(shè)備的測(cè)控水平。

[1] 班志偉, 張學(xué)淵. 600MW機(jī)組DEH系統(tǒng)故障探究與維護(hù)策略[J]. 華北電力技術(shù), 2009, (Z1): 89 – 91.

[2] 張平, 趙立, 等. 600MW機(jī)組高壓調(diào)門典型事故分析及處理[J]. 發(fā)電技術(shù), 2011, (12): 41 – 44.

[3] 徐熙瑾, 張寶. 給水泵汽輪機(jī)調(diào)門LVDT脫落造成的事故分析[J]. 汽輪機(jī)技術(shù), 2006, 48(3): 221 – 223.

[4] 朱珂, 高生輝, 等. 亞臨界600MW機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥線性可變差動(dòng)變送器故障分析及改進(jìn)[J]. 熱力發(fā)電, 2011, 40(1): 79 – 81.

[5] 刁保圣. 600MW汽輪機(jī)高壓調(diào)門晃動(dòng)原因分析和對(duì)策[J]. 汽輪機(jī)技術(shù), 2004, 46(01): 64 – 67.

[6] 國(guó)華電力. 600MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥振動(dòng)和閥桿斷裂機(jī)理研究及消除[R]. 北京: 國(guó)華電力, 2012.

Trouble Analysis and Solution to the Linear Variable Differential Transformer of High-pressure Regulating Valve in Steam Turbine

汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥位線性位移可變差動(dòng)變壓器在應(yīng)用中故障率很高，通過(guò)對(duì)公司所屬機(jī)組的調(diào)查，總結(jié)出LVDT線圈故障、LVDT鐵芯故障、LVDT連接桿故障三大類故障產(chǎn)生的主要原因，研究各機(jī)組LVDT的應(yīng)用情況和改進(jìn)措施，提出LVDT連接桿規(guī)格及防轉(zhuǎn)桿安裝方式、雙LVDT萬(wàn)向節(jié)安裝方案、運(yùn)行報(bào)警規(guī)則、安裝巡檢專項(xiàng)方案及減輕高調(diào)門汽流激振烈度的一些解決措施。

測(cè)量?jī)x表；高壓調(diào)節(jié)閥；位移傳感器；差動(dòng)變壓器；鐵芯；連接桿

The fault rate of Linear Variable Differential Transformer of Highpressure regulating valve in steam turbine is very high. By investigating all units in our company, the main reasons related to the LVDT coil fault, LVDT core fault, LVDT connecting rod fault are summarized. The application and improvement measures about LVDT are studied. Some solving measures about LVDT connecting rod specifications, anti rotating rod installation mode, double LVDT joint installation, operation alarm rule, installation and inspection programs, and reduction method of valve steam exciting force vibration intensity are introduced.

Measuring instrument; High-pressure regulating valve; Displacement transducer; Differential transformer; Core; Connecting rod

B 文章編號(hào)：1003-0492(2015)01-0078-03 中圖分類號(hào)：TP273

趙軍（1968- ），男，山西保德人，教授級(jí)高工，碩士，現(xiàn)就職于神華國(guó)華國(guó)際電力股份有限公司，主要從事發(fā)電廠熱力過(guò)程自動(dòng)控制方面的研究。

徐亞濤（1965- ），男，北京人，高工，本科，現(xiàn)就職于神華國(guó)華（北京）電力研究院有限公司，主要從事發(fā)電廠汽輪機(jī)方面的研究。

王紅武（1971- ），男，河北保定人，高工，本科，現(xiàn)就職于神華國(guó)華國(guó)際電力股份有限公司，主要從事發(fā)電廠汽輪機(jī)方面的研究。

張秋生（1970- ），男，河北石家莊人，教授級(jí)高工，碩士，現(xiàn)就職于神華國(guó)華（北京）電力研究院有限公司，主要從事發(fā)電熱工自動(dòng)化方面的研究。

孫鵬（1981- ），男，北京人，工程師，本科，現(xiàn)就職于神華國(guó)華（北京）電力研究院有限公司，主要從事發(fā)電廠汽輪機(jī)方面的研究。

*注： 假設(shè)在穩(wěn)態(tài)下分支a正常，分支b振蕩。當(dāng)分支a大于給定值時(shí)，分支a與給定值對(duì)分支b信號(hào)構(gòu)成上下限幅；當(dāng)分支a小于給定值時(shí)，由于分支a與給定值很接近，等效于對(duì)分支b半向削波，調(diào)節(jié)器這時(shí)只輸入負(fù)偏差，閥門只關(guān)不開，不存在振蕩調(diào)整，且動(dòng)作過(guò)程中一旦分支a大于給定值，即可進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)，兼顧了故障安全關(guān)和抑制振蕩兩種功能。