一种汽轮机阀门的行程测量装置、行程监控系统及方法与流程

本发明涉及汽轮机领域，具体地，涉及一种汽轮机阀门的行程测量装置、行程监控系统及方法。

背景技术：

LVDT(linear Variable Different Transformer，线性可变差动变压器)位移传感器(以下可将LVDT位移传感器简称为LVDT)利用差动电感原理，可以将一个物件的直线运动的机械变化量转换成相对应的电信号，从而进行位移(或行程)的自动监测和控制。如图1所示，常规的LVDT位移传感器通常包括电缆线11、套筒12(套筒中包括线圈和铁芯，图1中未示出)、铁芯13(铁芯的一部分包括在套筒内，图1中未示出，另一部分则延伸出套筒)和螺母14，在实际应用时，螺母14将从套筒12中延伸出的一段铁芯13和被测物固定以测量被测物的行程。LVDT应用广泛，目前国内外已设计有各种防爆、耐高压、真空环境、海底等专用LVDT。

火力发电厂将LVDT用于监视汽轮机阀门位移量反馈，一般的安装方式为阀门的阀门引出杆(也可称为阀体连杆)和LVDT用螺母连接，紧固后阀门引出杆和LVDT成为一个固定整体。对应于这种一般的安装方式，传统的基于LVDT的汽轮机阀门行程监控对应有以下几种采样方式：

1)单路采样方式，即就地安装一支LVDT位移传感器作为阀门反馈，LVDT返回相应检测量以和汽轮机的控制系统发出的指令形成闭环控制，控制系统再判断阀门实际状态以控制阀门开度。

2)双路采样方式，即就地安装两支LVDT位移传感器作为阀门反馈，LVDT返回相应检测量，对两路检测量进行二取均值、二取高值或者二取接近指令值，以和控制系统发出的指令形成闭环控制，控制系统再判断阀门实际状态以控制阀门开度。

但是，由于火电机组汽轮机阀门高频振动、阀门门杆转动、门杆高温漏气等恶劣工况，LVDT反馈杆韧性下降，螺纹处的集中热应力上升且得不到释放，导致LVDT元件铁芯处缓慢产生裂纹，最终断裂。因此传统的基于LVDT的汽轮机阀门行程监控也随之存在很大的局限性，具体包括：

1)对于单路采样方式，LVDT断裂或故障时，会完全失去其对于阀门状态的监控。

2)对于双路采样方式，二取均值时，存在单路故障，反馈值为准确值的50％；二取高值时，出现指令随反馈值向上跳变的几率较高；二取接近指令值时，在LVDT故障后，指令随反馈波动严重。因此，在双路采样方式下，控制系统难以准确区分LVDT的故障点(也称为坏点)与非故障点(也称为好点)，导致控制系统不能准确地判断阀门实际状态，引发阀门失控，存在汽轮机跳闸的风险，影响机组安全运行。

因此，传统的基于LVDT的汽轮机阀门行程监控方案及LVDT安装方式存在局限性，影响LVDT的可靠性及汽轮机阀门行程监控的准确度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种汽轮机阀门的行程测量装置、行程监控系统及控制方法，用于解决传统的基于LVDT的汽轮机阀门行程监控方案及LVDT安装方式存在局限性的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种汽轮机阀门的行程测量装置，该行程测量装置包括与汽轮机阀门的阀门引出杆连接的第一LVDT位移传感器、第二LVDT位移传感器和第三LVDT位移传感器，其中所述第一LVDT位移传感器安装在所述汽轮机阀门的防转杆侧，所述第二LVDT位移传感器和所述第三LVDT位移传感器平行安装在所述汽轮机阀门两侧的焊接板板上，且所述焊接板固定在所述汽轮机阀门的LVDT连杆侧。

可选地，所述第一LVDT位移传感器、第二LVDT位移传感器及第三LVDT位移传感器通过连接横杆和所述阀门引出杆连接。

可选地，所述连接横杆的一侧通过第一万向节连接所述阀门引出杆，且另一侧通过第二万向节连接对应的第一LVDT位移传感器、第二LVDT位移传感器或第三LVDT位移传感器。

可选地，所述第一LVDT位移传感器、第二LVDT位移传感器及第三LVDT位移传感器的铁芯通过螺母连接所述连接横杆，且所述螺母与所述连接横杆的连接处设置有弹性件。

本发明还提供一种汽轮机阀门的行程监控系统，该行程监控系统包括：上述的行程测量装置；辅阀门控制卡，连接所述第一LVDT位移传感器的输出端，用于接收所述第一LVDT位移传感器采集的汽轮机阀门的第一路行程信息；以及主阀门控制卡，连接所述第二LVDT位移传感器和所述第三LVDT位移传感器的输出端，用于接收所述第二LVDT位移传感器和所述第三LVDT位移传感器分别采集的汽轮机阀门的第二路行程信息和第三路行程信息；其中，所述主阀门控制卡还与所述辅阀门控制卡连接，用于从所述辅阀门控制卡接收所述第一路行程信息，并用于对所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息进行逻辑处理，以及根据逻辑处理后的信息来进行汽轮机阀门控制。

可选地，所述主阀门控制卡和所述辅阀门控制卡采用MVP50阀门卡件。

可选地，所述主阀门控制卡和所述辅阀门控制卡中各自配置有控制器，所述控制器用于对所述第一路行程信息、第二路行程信息或第三路行程信息进行调节。

可选地，所述控制器为PID控制器。

本发明还提供一种汽轮机阀门的行程监控方法，该行程监控方法利用上述的行程测量装置，且该行程监控方法包括：通过辅阀门控制卡接收所述第一LVDT位移传感器采集的汽轮机阀门的第一路行程信息；通过主阀门控制卡接收所述第二LVDT位移传感器和所述第三LVDT位移传感器分别采集的汽轮机阀门的第二路行程信息和第三路行程信息；以及对所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息进行逻辑处理，并根据逻辑处理后的信息来进行汽轮机阀门控制。

可选地，所述对所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息进行逻辑处理包括：获取所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息的平均值；

当所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息中的任意一者与其他两者的差值大于设定值时，获取另外两者的平均值；或者当所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息之间两两差值均大于设定值时，获取所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息中最接近上一周期指令值的一者；或者当所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息中的任意一者为坏点，且另外两者的差值小于所述设定值时，取该另外两者的平均值；或者当所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息中的任意一者为坏点，且另外两者的差值大于所述设定值时，获取所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息中最接近于上一周期指令值的一者；或者当所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息中的任意二者为坏点，获取非坏点的一路行程信息，若该非坏点的一路行程信息与指令值的差值大于设定值，则指令值输出零；或者当所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息均为坏点，则指令值输出零。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明设置了LVDT位移传感器的三重冗余结构，提高了汽轮机阀门的LVDT位移传感器的可靠性，解决了LVDT位移传感器在现场恶劣环境下容易断裂的问题，同时避免了LVDT位移传感器故障时导致阀门失控，降低了汽轮机机组跳闸风险。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是常规LVDT位移传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例的行程测量装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的行程测量装置中LVDT位移传感器的装置示意图；

图4是本发明实施例的行程监控系统的结构示意图；

图5是本发明实施例的行程监控方法的流程示意图。

附图标记说明

11 电缆线 12 套筒

13 铁芯 14 螺母

21 阀门引出杆 22 第一LVDT位移传感器

23 第二LVDT位移传感器 24 第三LVDT位移传感器

25 防转杆 26 焊接板

27 LVDT连杆 28 防转护板

29 油动机支架 31 滑套定位装置

32 连接横杆 33 第一万向节

34 第二万向节 35 油动机中心轴

36 导向杆 41 行程测量装置

42 辅阀门控制卡 43 主阀门控制卡

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明实施例中，所述汽轮机阀门主要是指汽轮机的油动机的高压调门(也可称为高调门)。

本发明实施例给出了一种汽轮机阀门的行程测量装置，图2为该行程测量装置的结构示意图，且其为俯视图。如图2所示，该行程测量装置包括与汽轮机阀门的阀门引出杆21(图2中未示出)连接的第一LVDT位移传感器22、第二LVDT位移传感器23和第三LVDT位移传感器24，其中，所述第一LVDT位移传感器22安装在所述汽轮机阀门的防转杆25侧，所述第二LVDT位移传感器23和所述第三LVDT位移传感器24平行安装在所述汽轮机阀门两侧的焊接板26上，且所述焊接板26安装在所述汽轮机阀门的LVDT连杆27侧。

其中，在所述防转杆24的下方位置还安装有防转护板28，且该防转护板28与汽轮机的油动机支架29连接，该油动机支架29向一侧开口，且开口位置能使汽轮机阀门的阀门引出杆21穿过。

图3是本实施例中的LVDT位移传感器与阀门引出杆的装配示意图。需说明的是，图3中的LVDT位移传感器是示意性的，第一LVDT位移传感器22、第二LVDT位移传感器23和第三LVDT位移传感器24均可采用图3中的装配方式与阀门引出杆连接。

图3中的LVDT位移传感器的结构与图1的LVDT位移传感器的结构相近，也包括电缆线11、套筒12、铁芯13以及螺母14，并且铁芯13上还安装有滑套定位装置31，该滑套定位装置31用于为定位铁芯13。

进一步地，如图3所示，LVDT位移传感器通过连接横杆32和所述阀门引出杆21连接，并且所述连接横杆32的一侧通过第一万向节33连接所述阀门引出杆21，且另一侧通过第二万向节34连接对应的LVDT位移传感器(第一LVDT位移传感器、第二LVDT位移传感器或第三LVDT位移传感器)。其中，万向节还可优选为具有配套固定衬套，而阀门引出杆21的位置需要与油动机中心轴35相适配。

此外，LVDT位移传感器的铁芯通过螺母14连接所述连接横杆32时，优选为在所述螺母14与所述连接横杆32的连接处设置弹性件(图3中未示出)，该弹性件优选为弹簧，其可以起到缓冲的作用，有效地抑制LVDT位移传感器断裂。并且，在LVDT位移传感器侧还安装有导向杆36，用于为LVDT位移传感器的铁芯导向。

如此，通过在LVDT位移传感器侧设置滑套定位装置31和导向杆36，实现了LVDT位移传感器侧对LVDT位移传感器的“导向”和“定向”，而通过在连接横杆32侧设置第一万向节33和第二万向节34，实现了在连接横杆侧“卸力”，从而基于滑套定位装置的定位特性、导向杆的导向特性和万向节的变角度特性，本发明实施例的行程测量装置既能保证LVDT位移传感器进行行程测量的精确性，又可以有效地抑制LVDT位移传感器断裂。

基于上述的行程测量装置，本发明的另一实施例还提出了一种汽轮机阀门的行程监控系统，如图4所示，该行程监控系统包括：上述的行程测量装置41；辅阀门控制卡42，连接所述第一LVDT位移传感器22的输出端，用于接收所述第一LVDT位移传感器22采集的汽轮机阀门的第一路行程信息；以及主阀门控制卡43，连接所述第二LVDT位移传感器23和所述第三LVDT位移传感器24的输出端，用于接收所述第二LVDT位移传感器和23所述第三LVDT位移传感器24分别采集的汽轮机阀门的第二路行程信息和第三路行程信息。进一步地，所述主阀门控制卡43还与所述辅阀门控制卡42连接，用于从所述辅阀门控制卡42接收所述第一路行程信息，并用于对所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息进行逻辑处理，以及根据逻辑处理后的信息来进行汽轮机阀门控制。

本实施例中，三支LVDT位移传感器就地安装，一支安装在防转杆侧，另两支安装在LVDT连杆侧，其中防转杆和LVDT连杆均为汽轮机阀门的常规配件，在此不再多述。

优选地，所述主阀门控制卡43和所述辅阀门控制卡41可以采用MVP50阀门卡件。由于MVP阀门卡件的运算周期达到10ms，大大快于普通系统组态的200ms，高调门的整个反馈采集和处理都在阀门卡件内部完成，因此在快速切换三支LVDT位移传感器的冗余控制中，油动机开度丝毫未受影响，能够有效地提高了阀门控制的稳定性。

进一步地，所述主阀门控制卡42和所述辅阀门控制卡43中可以各自配置有控制器44，所述控制器44用于对所述第一路行程信息、第二路行程信息或第三路行程信息进行调节。其中，所述控制器可以优选为PID控制器。这里，关于主阀门控制卡对三路行程信息在控制将在下文通过实例来说明。

基于上述的行程测量装置，本发明的另一实施例还提出了一种汽轮机阀门的行程监控方法，该行程监控方法与上述的行程监控系统的发明思路相同。

如图5所示，本实施例的行程监控方法利用了上述的行程测量装置，且可以包括以下步骤：

步骤S51，通过辅阀门控制卡接收所述第一LVDT位移传感器采集的汽轮机阀门的第一路行程信息。

步骤S52，通过主阀门控制卡接收所述第二LVDT位移传感器和所述第三LVDT位移传感器分别采集的汽轮机阀门的第二路行程信息和第三路行程信息。

其中，步骤S51与步骤S52的执行顺序可以交换，本发明实施例并不限制于此。

步骤S53，对所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息进行逻辑处理，并根据逻辑处理后的信息来进行汽轮机阀门控制。

其中，所述步骤S53是由主阀门控制卡执行的，其通过对三路行程信息进行逻辑处理以得到准确度较高的阀门行程信息(即，逻辑处理后的信息)，再将得到的准确度较高的阀门行程信息与预先给定的指令值相比较，再基于比较结果进行PID控制以形成阀门闭环控制来调节汽轮机阀门。

其中，在步骤S53中，对所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息进行逻辑处理，主要步骤可以包括：

1)获取所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息的平均值；或者

2)当所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息中的任意一者与其他两者的差值大于设定值时，获取另外两者的平均值；或者

3)当所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息之间两两差值均大于设定值时，获取所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息中最接近上一周期指令值的一者；或者

4)当所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息中的任意一者为坏点(即故障点)，且另外两者的差值小于所述设定值时，取该另外两者的平均值；或者

5)当所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息中的任意一者为坏点，且另外两者的差值大于所述设定值时，获取所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息中最接近于上一周期指令值的一者；或者

6)当所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息中的任意二者为坏点，获取非坏点的一路行程信息，如果此时最后一路行程信息与指令值差值大于设定值，则指令值输出零；或者

7)或者当所述第一路行程信息、第二路行程信息和第三路行程信息均为坏点，则指令值输出零。

更为具体地，对于上述第1)点，其主要针对三路行程信号在正常情况下测量的情形，有利于平滑LVDT位移传感器的波动；对于第2)点，其主要针对三路行程信号均为好点，但是有单个信息与正常值偏差大的情形；对于第3)点，其也是主要针对三路行程信号均为好点，但是三个信息两两偏差大的情形；对于第4)点，其主要针对任意一路行程信号为坏点，其他两路正常的情形；对于第5)点，也是主要针对任意一路行程信号为坏点，其他两路偏差大的情形；对于第6)点，针对任意两路行程信号为坏点的情形；对于第7)点，针对三路行程信号均为坏点的情形。

下面通过一个实例带具体说明本发明实施例的行程测量装置、行程监控系统及行程监控方法在现场的应用。

本实例中，某电厂4号机采用LVDT位移传感器作为阀门行程监控设备，GE新华公司生产的MVP阀门控制卡进行信号采集和运算处理，实现高压调门LVDT三重冗余测量，并模拟各种故障的信号剔除及选取，如LVDT断线、元件铁芯断裂、信号升降速度过快、三支偏差大等等，试验情况良好，目前已经投入正常使用。具体的实现过程主要包括：

(1)就地安装3支LVDT位移传感器。其中一支LVDT装于防转杆侧，另两支LVDT装于LVDT连杆侧，安装方式可参考图2和图3。

(2)本实例中硬件采用MVP50阀门卡件，采集和处理周期达到10ms，具有冗余输入/输出。由于单块MVP50阀门控制卡只接收两路LVDT信号，三重冗余方式每个阀门需要配置两块阀门控制卡，一主一辅，需内置有数据PID调节环节。辅阀门控制卡则只接收一支LVDT反馈信号，转换为电压信号送至主阀门控制卡中的AI通道，主阀门控制卡接收两支LVDT反馈信号，并对三路LVDT信号进行逻辑选择判断，其输出作为阀门闭环控制反馈值。

对于该实例，LVDT位移传感器焊接板焊接位置、铁芯长度可根据现场情况进行调整，配置及安装完成后，可进行试验。通过试验结果，可知该实例中投入本发明的新型LVDT三重冗余测量方式后，试验中在各种LVDT故障模式下，均能及时剔除故障信号，保留正常信号，且故障点变好点后可以自由设置其投切时间。另外，单从指令反馈闭环控制角度讲，保留双支LVDT反馈控制前提下，在线处理单支故障LVDT可以实现不用关闭高调门，做到真正意义上在线处理故障LVDT，显著地提升了汽轮机发电机组的可靠性。

综上所述，本发明实施例设置了LVDT位移传感器的三重冗余结构，提高了汽轮机阀门的LVDT位移传感器的可靠性，解决了LVDT位移传感器在现场恶劣环境下容易断裂的问题，同时避免了LVDT位移传感器故障时导致阀门失控，降低了汽轮机机组跳闸风险。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，可以将两个阀门控制卡改变为三个阀门控制卡或者一个可接受三路LVDT信息的阀门卡。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。