鄭 健

（三門核電有限公司，浙江 臺州 317112）

0 引言

線性可變差動變送器LVDT（Linear Variable Differential Transformer）屬于直線位移變送器。LVDT具有無摩擦測量、無限機械壽命、無限的分辨率和環(huán)境適應(yīng)性強等眾多優(yōu)勢和特點，應(yīng)用較為廣泛。

在汽輪機控制系統(tǒng)中，一般使用LVDT測量汽輪機進(jìn)汽閥門的閥位開度，作為閥門伺服控制中的反饋信號，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)確測量閥門的真實開度。

三門核電一期汽輪機主閥門使用的LVDT在現(xiàn)場測試中，發(fā)現(xiàn)LVDT的反饋電壓與閥位開度之間的關(guān)系并非線性，控制系統(tǒng)無法準(zhǔn)確檢測汽輪機主閥門的開度，該故障會導(dǎo)致汽輪機轉(zhuǎn)速和功率無法準(zhǔn)確控制或閥門波動。針對該問題進(jìn)行研究分析，并深入探討三門核電采取的解決方案。

1 LVDT驅(qū)動原理

LVDT的工作原理如圖1所示。其中，P為LVDT初級激勵線圈，S1、S2分別為LVDT的兩個次級反饋線圈。

LVDT初級線圈P提供一定頻率及幅值的激勵信號（E0）,通過可移動的磁芯，激勵信號耦合到兩個次級線圈，產(chǎn)生兩個同頻率的正弦波（E1、E2）。當(dāng)磁芯發(fā)生位移時，2個次級線圈耦合到的正弦波的幅值（Ua、Ub）將會發(fā)生變化，且（Ua-Ub）值正比于磁芯位移即外部的機械位移。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)計時將兩個次級線圈繞組反串相接（電壓極性相反），LVDT輸出電壓為其電壓之差，通過測量（Ua-Ub）的值，可轉(zhuǎn)換測得此時的機械位置。

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

圖2 閥門控制框圖Fig.2 Valve control block diagram

圖3 功率運行控制算法Fig.3 Power operation control algorithm

當(dāng)磁芯處在次級線圈S1、S2的中間時，Ua=Ub；當(dāng)磁芯向S1方向移動時，Ua＞Ub；當(dāng)磁芯向S2方向移動時，Ua＜Ub。根據(jù)電壓差和磁芯位移的線性關(guān)系，對兩個次級線圈反饋電壓進(jìn)行采集和換算從而可得到磁芯的位移量[1]。

2 三門核電汽輪機LVDT配置及算法

三門核電汽輪機控制系統(tǒng)為西屋設(shè)計的Ovation控制系統(tǒng)，其通過閥位卡（Valve Positioner）對安裝有伺服閥、LVDT的油動機進(jìn)行控制。閥位卡為主汽門（MSV）、主調(diào)門（GV）和再熱調(diào)門（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，伺服閥控制油動機進(jìn)油和排油，維持閥門開度，安裝在閥桿上的LVDT反饋閥位信號至閥位卡。其控制原理如圖2所示。

三門核電項目中，汽輪機每個調(diào)節(jié)型汽門（MSV&GV&ICV）配置兩個冗余的LVDT，對應(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。伺服閥帶有兩個相互隔離的伺服線圈，每個伺服線圈動作，都可以控制油動機進(jìn)油和排油。主卡與備用卡分別驅(qū)動一個伺服線圈。兩塊閥位卡通過硬接線進(jìn)行通訊、同步信息。正常運行時，備用卡計算的結(jié)果不輸出到伺服指令信號，但會跟蹤主卡的伺服輸出信號，一旦主卡故障，備用卡會立即切換為主卡，實現(xiàn)閥門控制無擾切換[2]。

正常功率運行時，MSV、ICV全開，汽輪機控制系統(tǒng)通過改變GV的開度，控制汽輪機功率，控制算法如圖3所示。

升功率時，在LL（Load Limiter）運行模式下投運ALR，通過控制系統(tǒng)自動功率調(diào)節(jié)以較低的速率使汽輪機功率達(dá)到目標(biāo)值。MSV/GV在閥門測試時投運IMP及MW回路，用以補償由于閥門測試引起蒸汽流量變化的負(fù)荷波動。

3 LVDT閥位反饋不線性問題

汽輪機控制系統(tǒng)在三門核電現(xiàn)場調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)閥位實際提升高度與閥門開度指令不對應(yīng)，出現(xiàn)此問題的閥門包括汽輪機主汽閥、主調(diào)閥和再熱調(diào)閥。經(jīng)過進(jìn)一步測試發(fā)現(xiàn)此問題的原因為汽輪機主閥門使用的LVDT反饋不線性。圖4是三門核電一號機組汽輪機主汽閥A的線性度測試曲線。

通過圖4的曲線可以看出，在0%、50%和100%開度時，閥門的開度指令與閥位反饋基本一致。設(shè)計上要求閥門全行程的實際開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%開度過程中，閥位實際反饋曲線類似“S”型，并且閥位實際反饋已經(jīng)超出了設(shè)計方要求的誤差范圍。

圖4 汽輪機主汽閥A的線性度測試曲線Fig.4 Linearity test curve of steam turbine main valve A

表1 LVDT上行程實測數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data on stroke LVDT

表2 閥門開度的設(shè)計要求Table 2 Design requirements for valve opening

表3 LVDT上行程實測數(shù)據(jù)修正Table 3 Correction of the measured data on the stroke on LVDT

汽輪機閥門的LVDT閥位反饋不線性，會造成汽輪機沖轉(zhuǎn)、升功率和功率運行階段的控制不穩(wěn)定。因為控制系統(tǒng)要求的開度與實際不一致，會導(dǎo)致汽輪機控制邏輯中的轉(zhuǎn)速和閥位開度轉(zhuǎn)化關(guān)系、功率和閥位開度轉(zhuǎn)化關(guān)系都不準(zhǔn)確，必然會造成實際控制過程中的閥位波動和系統(tǒng)擾動[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

三門核電一期工程，汽輪機主閥門使用的LVDT有兩種型號：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。在三菱的初始設(shè)計上，可以通過一套硬件解調(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，解調(diào)后信號為兩線制電壓信號。OVATION閥位卡與LVDT的接口信號為六線制，所以即使采用硬件解調(diào)電路對LVDT反饋電壓進(jìn)行修正，其仍無法直接應(yīng)用于三門核電現(xiàn)場，因為硬件解調(diào)電路與OVATION閥位卡接口無法直接匹配，所以此方案未被選用為最終解決方案。

4.2 控制邏輯修正開度指令和閥位反饋

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

4.2.1 測量LVDT的原始數(shù)據(jù)

閥位指令按每10%階躍從0%～100%開度，記錄每個開度指令下的閥門實際提升高度，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LVDT的上行程實測數(shù)據(jù)記錄。

4.2.2 設(shè)計方要求的閥門開度

汽輪機設(shè)計方會明確要求在特定閥位指令開度下，閥門實際提升的高度值，以此來滿足汽輪機控制的要求。例如表2為閥門開度的設(shè)計要求。

4.2.3 實際閥位指令和反饋修正

因為閥門實際開度是通過閥門本體的刻度尺來讀取的，所以X0不一定恰好在刻度尺的0mm，所以需要首先對閥門實際提升開度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理方法和結(jié)果如表3所示。

對閥門控制指令的修正，最終目的是讓閥門實際開度與設(shè)計中要求的開度保持一致。

對于0%和100%開度，因為在閥門全關(guān)和全開位，所以無需修正。

對于10%和90%之間的閥位指令，結(jié)合LVDT的實測數(shù)據(jù)與設(shè)計方要求的閥門開度要求，通過插值的方法來計算新的閥位指令。在每個點的測試數(shù)據(jù)，如果實測設(shè)值低于設(shè)計值，則使用當(dāng)前的實測值和向上階躍10%的實測值進(jìn)行線性修正。如果實測值高于設(shè)計值，則使用當(dāng)前的實測值和向下階躍10%的實測值來進(jìn)行線性修正。下面的計算方法是基于10%開度指令下（假設(shè)為Z10%）來分析的：

即

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

對于其他開度的閥位指令修正均采用上述的線性插值方法來實現(xiàn)，最終得出閥門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，對于LVDT閥位反饋也需要進(jìn)行修正，其修正過程中直接使用修正計算的開度指令來實現(xiàn)，例如，修正前閥門10%開度閥位反饋為10%；修正后閥門10%開度閥位反饋為Z1%。

實測閥門LVDT數(shù)據(jù)時（表1），選取的點數(shù)量越多，則最終修正出來的結(jié)果越接近線性，但是修正的工作量和邏輯也會相應(yīng)增加，所以實際使用過程中需要平衡考慮，選取合適的數(shù)量點來進(jìn)行實測和計算。

通過上述方法對閥位指令和反饋修正后，閥門實際開度和轉(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題。此方法對現(xiàn)場所有的硬件無任何改動，且軟件邏輯修正后可以實現(xiàn)要求的閥位控制，所以三門現(xiàn)場最終采用了此方案。

4.3 更換線性的LVDT

三門核電一期工程LVDT的設(shè)計和供貨方，基于其設(shè)計經(jīng)驗不建議更換LVDT。

5 結(jié)論

三門核電一期工程中LVDT反饋電壓不線性問題，主要是常規(guī)島和核島設(shè)計方的接口不一致導(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反饋電壓不線性問題。雖然三門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)過啟動試驗以及功率運行后，控制邏輯修正的參數(shù)是否需要大修期間再重新計算和修正等問題都有待驗證。

隨著核電的發(fā)展，核電廠的設(shè)計也日趨成熟。在這個發(fā)展過程中，特別是引進(jìn)國外設(shè)備和技術(shù)時，對其設(shè)計理念和原理要理解和掌握，以便于后續(xù)的設(shè)備國產(chǎn)化和自主檢修，以及在后續(xù)機組運行的過程中進(jìn)行自主改進(jìn)和完善。