台山电厂高压调门LVDT故障对机组运行造成的影响与处理
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【摘要】高压抗燃油汽轮机组，在运行过程中，经常出现高压调门LVDT 故障情况，而且故障现象也是多种多样，本文以台山电厂5号机组高调门一种故障现象为例，从DEH的构成上进行分析，探讨出一种快速查找故障点、在线处理故障的方法，为类似问题的解决提供技术参考与借鉴。
1.引言
汽轮机是将热能转换成高速旋转的机械动能，它带动发电机就将热能转变为电能。台山电厂一期汽轮机组是仿引进美园西屋电气公司技术制造的中间再热汽轮发电机组，数字式电液控制系统分别采用上海新华DEH-V型控制系统（1、2、3号机组）和西门子PCS7控制系统（4、5号机组），用以实现对汽轮机转速、功率控制以及满足各项试验要求。
2.电厂DEH构成
要了解高压调门LVDT故障对机组的影响，就要了解一下DEH的构成、功能以及DEH控制高压调门的原理。
DEH系统是一个独立的汽轮机控制系统，它的功能包括汽轮机的调节、保安和安全监控三大内容。能够实现：a、远方挂闸功能;b、高/中压缸启动方式;c、操作员手动运行方式、遥控运行方式;d、转速回路控制（一次调频）;e、阀门切换;f、阀门管理功能;g、单顺阀切换与控制; h、阀门全行程活动试验与部分活动试验;i、阀门严密性试验;l、负荷自动调节;m、超速试验与保护（103%超速试验、110%超速试验、机械超速试验）等基本功能。DEH控制系统计算机组成部分包括两部分，人机接口部分、DEH控制机柜部分。以西门子系统为例。
图1 DEH控制原理图
整个系统由电源模块PS405、主CPU AS417、通信CP443、快速处理器FM458及其通信接口卡EXM448组成。其中LVDT是汽轮机各主气门调门的反馈单元，通过测量机械位置的变化，将调门开度反馈到DEH控制系统，系统根据指令经运算，比较与反馈信号的偏差，做出开大或关小调门的指令，通过每个调门的伺服阀及高压抗燃油系统提供的高压抗燃油油压实现对阀门的开关控制。
3.存在问题及对机组运行的危害
机组运行中，调门阀杆会在汽流力和弹簧力的作用下发生偏转，将LVDT铁芯杆压在线圈的一侧。在这种情况下，蒸汽流动引起的阀体和阀杆振动，控制系统引起的阀杆抖动，以及频繁的频率和负荷调节（一次调频、AGC）都会引起铁芯杆与线圈发生摩擦，并使得LVDT铁芯杆和连接横杆经受交变力的作用。日积月累，将造成LVDT铁芯杆和线圈严重磨损，甚至铁芯杆和连接横杆疲劳断裂;若将连接横杆同时作为高调阀防转杆使用，将会增大连接横杆发生断裂的危险。LVDT断裂后反馈值固定不变，如DEH系统参与计算反馈取值于故障LVDT反馈，则调门将出现异常反应。
自台山电厂投产以来，曾多次发生LVDT故障引起的影响机组安全运行的事件。对机组运行造成危害，轻者造成机组负荷及蒸汽参数大幅波动，严重时造成机组停运事故。
台山电厂一期600MW机组有2只高压缸主汽门，2只中压缸主汽门，4只高压缸调门，4只中压缸调门。高压缸主汽门与高中压缸调门中每个阀门配有两只LVDT反馈装置，采用双支冗余配置。1、2、3号机组DEH系统有专用阀门控制卡，其对LVDT信号采集进行高选处理（即双支LVDT信号，取高值）;4、5号机组DEH系统利用软件实现阀门控制，其对LVDT信号采集进行取接近指令处理（即双支LVDT信号，取与阀门指令偏差小的信号）。这两种方式各有利弊，依据LVDT故障的现象，阀门会出现不同的动作情况。LVDT故障，一般是高压调门其中一个调门的一只LVDT发生故障，反馈值无法跟踪实际调门开度变化。根据调门反馈选取逻辑，调门反馈值可能取故障一只LVDT数值，也可能取跟踪良好的一只LVDT数值。但因机组负荷不断变化，如未及时发现一只LVDT故障，机组工况变化，最终故障LVDT都会影响到调门开度变化，造成汽轮机一只调门突关，突开，极少数情况会造成故障调门突关突开交替出现，引起机组参数大幅波动。在机组单阀运行状态下，机组一只高压调门故障对机组运行造成影响较小，因为一只高压调门故障关闭或者开启，控制系统会根据负荷变化做出调整，其余三只高压调门会反方向同时开打或关小，这样对机组个参数影响较小。但台电一期600MW机组汽轮机全部采用节能的顺阀控制方式（即根据机组负荷由低到高，汽轮机首先同时开启1、4号调门，然后开启3号调门，最后开启4号调门）。当一只调门故障突关或者突开，会对机组产生较大影响，尤其在机组满负荷运行或者汽轮机1、4号调门全开而3号调门刚刚开启较小开度的危险工况时。
LVDT故障会造成机组产生以下异常状态：
（1）造成汽包虚假水位。虚假水位程度影响给水系统的稳定运行，存在机组因给水系统无法自动调节虚假汽包水位的能力而致使水包水位异常导致MFT（锅炉跳闸）的可能。
（2）协调波动致风烟系统、制粉系统跳出自动。需要手动干预，以满足稳定要求。
（3）造成主汽压力超压，严重时安全门动作。
（4）造成汽轮机1、2、3瓦振动加剧，严重时可能达到跳闸限值。
（5）造成汽轮机调节级超压，高压缸进出口压比超限，严重时可能达到机组跳闸限值。
4.事故案列
2011年11月27日20：58，5号机组负荷300MW，机组AGC投入，顺阀方式，T-MAST指令63%，GV1、GV4开度均为60%，GV2、GV3开度均为0;机组其它各项参数稳定。
20：59，5号机负荷AGC方式下运行，负荷由300MW升至330MW;
21：02，负荷到330MW时，负荷突降至264MW，且大幅波动（最低206MW，最高380MW），主机调门、主汽压力、汽包水位大幅波动（最高56mm，最低-207mm），机组切手动控制;
21：03，启动电泵，汽包水位切手动控制，稳定工况在300MW，处理期间，2瓦振动最高160μm;5A汽泵转速偏差大跳至MEH，手动打闸;
23：10，查原因为GV1的LVDT1故障，生技部组织专业组人员进行处理;
23：30，启动5A汽泵，冲转到3100转，备用;
23：40，热工人员将GV1故障的LVDT1退出运行;
00：18，5号机调门由顺序阀切至单阀;
00：30，热工人员将GV1关闭至0，GV2、GV3、GV4运行正常，机组振动、瓦温正常;
02：15，热控人员更换完LVDT1，调整好零度。联系热控人员缓慢开启GV1至正常开度，检查GV1调节正常。检查5号机组参数正常后，将5号机组由单阀切至顺阀运行，投入5号机组一次调频，5号机组恢复正常运行方式（经热控检查，5号机组GV1调门LVDT1故障原因为LVDT1的一组线圈故障）;
02：20，检查5A汽泵参数正常，将5A汽泵并入系统，退出电泵运行;
03：01，停止电泵运行，投入5号机组AGC。
具体工况如图2和图3所示：
图2 事故工况曲线
图3 汽机的1-3瓦振动
图4 DEH控制系统LVDT反馈与指令曲线
整个过程除给水系统因波动大，一台汽泵跳出自动外，其他参数虽剧烈波动，但总体在极限范围之内，检查机组个子系统未见异常，故判断为汽轮机调门故障波动所致。通过工程师站DEH控制系统操作电脑输出如图4所示图片。
从曲线上可以看出，GV1的阀位反馈LVDT1在27日19：53：17秒（波动发生前）时由27.6%跳变至62.7%（图中直线），保持数值不变化，确认此时LVDT1已故障。但因负荷一直在300MW，调门开度在30%左右，GV1指令跟踪LVDT2.当AGC指令由330MW升至336MW时，GV1指令上升至60.8%，GV1PZ2为58.38%，GV1PZ1为62.7%，GV1的闭环控制切换至跟踪故障LVDT1反馈且指令低于反馈，导致GV1关信号动作，GV1快速关闭（第一个矩形下降曲线）。因负荷突降，协调使汽机主控继续继续增大，GV1指令继续上升，当其大于62.7%时，控制回路发开调门信号，GV1开启，且开度大于LVDT1，GV1开度指令与LVDT2反馈接近，调门重新跟踪GV1PZ2。在调门开度大于62.7的时候，GV1调门指令与反馈跟踪良好。但是，在协调的作用下，开度过大的调门开始关小，在GV1关小至62.7%以下的某个位置时，其指令值再次接近GVPZ1，导致指令跟踪故障反馈且小于故障反馈，导致调门关信号一直在，调门实际突关至零位（第二次矩形下降曲线）。这样GV1快开快关几个回合，导致机组参数快速波动。而大多数LVDT故障只会造成调门突开或突关的结果，而不是像此次一样开关大幅波动，是因为DEH所取的LVDT没有像此次一样在故障反馈值（PZ1）与良好反馈值（PZ1）之间切换。阀门开指令或关指令一只存在，伺服阀一直执行开或关动作，从而导致阀门全关或全开。
5.对LVDT经常故障应采取的措施及建议
鉴于LVDT故障可能引起的问题，应采取措施尽快处理。
（1）立即解除AGC，根据故障现象，确定是否解除机组协调控制。调门全关（汽压突涨），则应减少总煤量，防止主汽压超限。如果调门剧烈波动应解除协调控制，减少总煤量，调整汽机主控偏离调门波动区域。
（2）观察汽包水位变化，若汽泵自动调节不过来，可以解除自动手动干预。虚假水位由压力波动引起，应尽量调整调门整体开度，使汽包压力趋于稳定，有利于水位调节。
（3）防止汽包超压，必要时可以开启PVC安全泄压阀泄压。
（4）监视好振动，若汽轮机突然发生强烈振动或汽轮发电机组任一轴振达0.254m，应破坏真空紧急停机。如需要，可将汽轮机控制方式由顺阀切至单阀。
（5）监视机组其他参数正常，如有设备自动调节跳出，应在主控指令稳定的前提下及早投入自动或手动调节至稳定工况。
（6）维持故障高压调门开度，要求热控人员将故障调门开度指令跟踪实际开度，避免故障调门再次波动。
预防事故的发生时机组安全运行的首要任务，针对LVDT故障，建议如下：
（1）定期检查调门LVDT情况，避免断裂事件发生。
（2）DEH系统内监控两只LVDT反馈值，出现偏差时及时发出报警，目前此报警已实现，当1-3号机组出现”LVDT FAULT”报警时，说明两支位反值存在偏差，目前按照10%设置。4、5号机组会在DCS系统报警栏中出现GV调门LVDT报警，报警设置也是10%。
（3）根据机组负荷情况，与近期历史数据比较，判断LVDT反馈值是否偏离，及时发出报警。因为机组工况复杂多变，同一负荷下调门开度不尽相同，所以，无法自动剔除故障反馈，如果自动剔除也存在风险，应根据历史记录，对照阀门开度，给出偏离报警。由运行人员综合判断。
（4）将两只LVDT反馈值全部显示在运行操作员电脑上，以便尽早发现故障。
6.结束语
通过对机组的故障分析，应在机组的DEH画面上增加汽机调门GV1-GV4的指令和反馈的显示。当升降负荷调门开度开始变化时，盘操可以有效的监视汽机调门运行情况，特别在事故处理时可以快速的发现调门事故。盘上增加汽机调门GV1-GV4的LVDT两个反馈偏差5%报警，当出现一个LVDT故障时触发反馈偏差5%报警。这样盘操可以及时发现。
还有运行人员应经常翻看DEH监视画面，尤其在机组负荷、主汽压力变化时，以便及时发现汽轮机各调门LVDT反馈、功率等信号是否长期不变，当发现这些信号长期不变时，应立即解除AGC、一次调频，保持机组参数稳定，并及时通知热控人员到场检查。
参考文献
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