重慶建峰化工股份有限公司一化合成氨裝置的空氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)為 5001 系列單軸式燃?xì)廨啓C(jī)，2004 年控制系統(tǒng)改造為 TS3000 系統(tǒng)。該系統(tǒng)#大的優(yōu)點(diǎn)在于其軟件和硬件都采用 “三取二”表決的三重冗余結(jié)構(gòu)，安全可靠。

 

1 問題的提出

2017 年 8 月 12—13 日，燃?xì)廨啓C(jī)空氣入口導(dǎo)葉（IGV）1# 閥位變送器（LVDT1）反饋顯示 間 斷 性兩次從 74 °跳變到 67 °左右， 一段時(shí)間后恢復(fù)，隨后 3 個(gè)月間斷性出現(xiàn)類似情況。

 

燃?xì)廨啓C(jī)入口導(dǎo)葉設(shè)置 2 個(gè)閥位變送器反饋（LVDT1 和 LVDT2） 信號(hào)， 由于測(cè)量誤差，LVDT2略低 2 °~5 °，2 個(gè)信號(hào)經(jīng)高選后作為測(cè)量值進(jìn)入控制系統(tǒng)。 燃?xì)廨啓C(jī)正常運(yùn)行時(shí)選擇 LVDT1， 一旦LVDT1 跳變到低值，控制系統(tǒng)將選擇 LVDT2 作為測(cè)量值。這將引發(fā)入口導(dǎo)葉閥位波動(dòng)，燃?xì)廨啓C(jī)瞬間出現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)，排氣溫度一定幅度上升，并迫近聯(lián)鎖值，給工藝運(yùn)行帶來影響。多次排查無果，無奈之下，用機(jī)械方法調(diào)整了LVDT1 和 LVDT2 偏差值，但仍然無法解決 LVDT1階躍下降和燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行波動(dòng)問題。

 

2 原因分析

2.1 控制原理［1］

該空氣壓縮機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)入口導(dǎo)葉控制是在MARK-Ⅳ控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造而成，原 MARK-Ⅳ控制系統(tǒng)集成了伺服放大卡， 三控制器 R ／ S ／ T分別輸出-8~+8.0 mA 直流電， 分別驅(qū)動(dòng)由三線圈電磁力疊加而成的伺服閥， 作用在油動(dòng)機(jī)上構(gòu)成執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)入口導(dǎo)葉。 伺服閥中任意 1 個(gè)或 2個(gè)線圈因故障造成電流中斷， 但只要 1 個(gè)線圈能正常工作，也能驅(qū)動(dòng)油動(dòng)機(jī)正常調(diào)節(jié)，體現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)“三取二”設(shè)計(jì)理念的高度容錯(cuò)性。因 TS3000 控制系統(tǒng)輸出標(biāo)準(zhǔn) 4~20 mA 信號(hào)，與原 MARK-Ⅳ控制系統(tǒng)輸出-8~+8.0 mA 直流電不符，因此在改造時(shí)增加了 3 個(gè)好立伺服放大卡，取代了原集成在 MARK-Ⅳ控制系統(tǒng)中伺服放大卡的功能，信號(hào)制也發(fā)生了相應(yīng)的變化：新系統(tǒng)中3 塊伺服卡接收來自控制器模擬輸出卡的標(biāo)準(zhǔn) 4~20 mA 控制信號(hào)， 作為 IGV 閥位控制指令；4 線制的 LVDT1 由卡 1 提供 3 000 Hz／ 5 V 交流電源，并反饋 0~2.5 V 交流信號(hào)回卡 1， 在卡 1 內(nèi)部轉(zhuǎn)換成4~20 mA 信號(hào)，同時(shí)還分別送到卡 2 和卡 3，作為LVDT1 的信號(hào)；同理，4 線制的 LVDT2 由卡 2 提供3 000 Hz／ 5 V 交流電源， 并反饋 0~2.5 V 交流信號(hào)回卡 2，在卡 2 內(nèi)部轉(zhuǎn)換成 4~20 mA 信號(hào)，分別送到卡 1 和卡 3， 作為 LVDT2 信號(hào)。 在 3 塊卡中，LVDT1 和 LVDT2 信號(hào)經(jīng)過高選后作為入口導(dǎo)葉閥位測(cè)量信號(hào)， 控制指令和測(cè)量信號(hào)在 3 塊卡中經(jīng) PID 運(yùn)算后分別輸出-8~+8.0 mA 直流電的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服閥線圈及后續(xù)機(jī)構(gòu)，組成三冗余控制系統(tǒng)。伺服回路原理如圖 1 所示。

 

2.2 檢查過程

1） 在燃?xì)廨啓C(jī)在線運(yùn)行的情況下， shou先判斷LVDT1 性能不穩(wěn)定，而造成測(cè)量值階躍下降。由于更換 LVDT 后需調(diào)試伺服卡，重新寫入數(shù)據(jù)，因此無法在線更換 LVDT，只能采用調(diào)整機(jī)械零位的方法，消除 LVDT1 和 LVDT2 偏差值。但隨后又出現(xiàn)LVDT1 測(cè)量值階躍下降， 故障的根本原因沒有找到，問題沒得到解決。

 

2） 對(duì) LVDT1 測(cè)量回路進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)伺服卡對(duì) LVDT1 供電電壓偏低，正常值應(yīng)為 5 V 交流電，實(shí)測(cè)只有 1.5 V 左右交流電， 判斷伺服卡有故障。由于伺服卡更換后需要對(duì)入口導(dǎo)葉全行程進(jìn)行調(diào)試，因此，燃?xì)廨啓C(jī)將無法在線更換，只能堅(jiān)持運(yùn)行。

 

3） 2017 年 10 月，利用短暫停車機(jī)會(huì)，檢查伺服卡。將 LVDT1 供電接線拆除，測(cè)量伺服卡供電電壓為 5 V 交流電，正常，判斷卡件正常，確定后端回路有接地現(xiàn)象，電纜、LVDT1 均有可能。因時(shí)間緊迫，沒有進(jìn)行處理，仍堅(jiān)持運(yùn)行。

 

4） 裝 置 大 修 期 間 ， 對(duì)伺服卡后端電纜和LVDT1 進(jìn)行徹底檢查。對(duì)電纜絕緣、阻值檢查，正常。拆掉 LVDT1 后，發(fā)現(xiàn) LVDT1 到接線箱引出線加裝了一層黃臘管， 該線是由于此處環(huán)境溫度高達(dá) 60 ℃，為保護(hù) LVDT1 的引出線而加裝的。黃臘管外徑為 6 mm， 其外層金屬保護(hù)管內(nèi)徑為 8 mm，而接線箱格欄端頭內(nèi)徑只有 5 mm， 造成黃臘管端頭在格欄端頭受阻且被壓縮，LVDT1 的引出線就因內(nèi)部張力而拉伸，并擱置在格欄端口的直角上。燃?xì)廨啓C(jī)長時(shí)間運(yùn)行帶來高頻振動(dòng)， 該直角就如一把較鈍的鋸子長時(shí)間磨損引出線， 使得 4 根引出線中信號(hào)反饋線黃線的絕緣層破裂而接地，成為事故的根本原因。

 

2.3 電路原理

LVDT 內(nèi)部原理圖如圖 2 所示。

 

從圖 2 可以看出，LVDT 內(nèi)部有三組線圈，勵(lì)磁線圈 L 紅黑兩端連接到 3 000 Hz／ 5 V 交流電源，感應(yīng)線圈由 L1 和 L2 反相串聯(lián)構(gòu)成，其黃藍(lán)兩端輸出電壓 E0（0~2.5 V 交流電）閥位測(cè)量信號(hào)。勵(lì)磁線圈與感應(yīng)線圈間設(shè)有鐵磁性鐵芯連到入口導(dǎo)葉閥桿上，當(dāng)入口導(dǎo)葉閥位變化時(shí)，中間鐵芯在 LVDT內(nèi)位置隨之移動(dòng)， 改變感應(yīng)線圈 L1 和 L2 感應(yīng)電壓， 從而輸出相對(duì)應(yīng)輸出電壓 E0， 即閥位測(cè)量信號(hào)，并對(duì)應(yīng)相應(yīng)閥位。若 LVDT 勵(lì)磁線圈 L 輸入電源電壓 Ei 及頻率穩(wěn)定時(shí)， 閥位變送器輸出電壓 E0等于 L1、L2 及抽頭線圈 L 抽三線圈電壓矢量和，即：

E0=EL -EL +E 抽

當(dāng)黃線接地時(shí)，勵(lì)磁線圈 L 的抽頭接地，相當(dāng)于在抽頭的部分線圈上并聯(lián)了一個(gè)接地電阻，勵(lì)磁線圈總阻抗減小， 從而導(dǎo)致了勵(lì)磁線圈 L 電流增加，抽頭部分線圈電流減小，根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知：EL 增加，EL 減小。 同時(shí)， 如果 LVDT 黃線接地，E 抽將減小， 且減小的程度與接地電阻大小相關(guān)，當(dāng)完全接地時(shí)，E抽≈0，EL 增加量、EL 減小量也將達(dá)到#大值，LVDT 輸出電壓 E0 下降達(dá)#大值，LVDT 閥位測(cè)量誤差達(dá)#大值，造成階躍下降。

 

3 處理措施及效果

據(jù)查證用戶數(shù)據(jù)手冊(cè)，LVDT 的引出線本身就是針對(duì)高溫環(huán)境設(shè)計(jì)和選材的， 沒必要進(jìn)行額外保護(hù)。因此在大修時(shí)更換新 LVDT， 就不加裝黃臘管，調(diào)試伺服卡并重新寫入數(shù)據(jù)后，LVDT1 測(cè)量值完全正常［2-3］。燃?xì)廨啓C(jī)在大修后開車，入口導(dǎo)葉控制完全正常。

 

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