新型調節閥位置反饋裝置的開發與應用

□胡海波

一、引言

位置反饋裝置是電動調節閥重要組成部分，其主要功能是將閥門機械開度以要求的模擬量反饋至控制系統。調節閥的開度反饋除了告知機組操作員當前閥位實際開度之外，還有可能參與系統的相關保護或控制。俄羅斯電動調節閥電動頭內的位置反饋裝置可靠性低，機組運行期間缺陷頻繁，這些缺陷造成了電動調節閥無法正常運行，進而影響系統和機組的穩定性。

在總結整理俄供的位置反饋裝置存在問題及實際工況需求的基礎上，研發了一套新型調節閥位置反饋裝置，根據行業相關標準制定了型式試驗的要求，并安裝到現場進行了功能驗證。

二、俄供位置反饋裝置存在的問題

電動調節閥位置反饋裝置主要原理是將電動頭的輸出角度通過減速齒輪或直接傳遞至位置反饋裝置，位置反饋裝置利用類多普勒曲面的凸輪和杠桿將角位移轉化成位置反饋模塊中差動變壓器鐵芯的線性位移，反饋裝置控制板上的差動變壓器，將位置信號轉換成電信號，經后級V/I轉換電路輸出反饋電流信號。

此類型位置反饋裝置的設計存在一定的缺陷，主要是以下幾種。

(一)輸出值突變。俄供位置反饋模塊抗干擾能力差，設備周圍有電焊施工之類較大電磁場影響下，其輸出的4～20mA電流可能出現突變。位置反饋模塊在使用一段時間后，輸出電流也有可能出現不明原因突變的情況。

(二)模擬量輸出突然消失。俄供位置反饋模塊在使用一段時間后，容易出現開度突然消失的缺陷，造成主控OM畫面失去開度顯示，并有可能造成控制系統連鎖反應。

(三)調節區間變化。俄供位置反饋模塊在使用一段時間后，因凸輪材質不耐磨造成凸輪表面磨損，同樣位置的模擬量輸出出現變化，引發調節閥的開度反饋整體變化。

(四)制造工藝粗糙，尺寸精度低。俄供位置反饋模塊限位反饋凸輪及開度反饋凸輪制造工藝粗糙，裝配尺寸精度控制低，轉動部件的軸向固定及傳動嚙合不佳，在振動較高的工況下容易出現傳動失效、輸出線性不佳等缺陷。

三、新型位置反饋裝置的設計制造

(一)整體設計思路。根據電子行業內對角位移測量的成熟技術，設計一種全新的位置反饋裝置主框架如圖1所示。

圖1 整體功能流程框架

其中，機械限位單元主要由機械固定接口、框架、傳動軸、凸輪、微動開關等組成，完成裝置的固定、機械傳動、設定開關限位的觸發、限位信號的傳送；傳感器完成機械轉動角度信號到SER信號的轉換；電控單元主要完成角度信號的采集、處理及轉換，最終輸出4～20mA電流信號。

(二)工作原理設計。閥門位置反饋裝置與電動調節閥同軸安裝，4個微動開關可標定閥門開關限位點，同時機械限位單元將輸出軸的轉動角度信息傳送至傳感器，傳感器將機械轉動角度信號轉換成相應電信號，由電控裝置將電信號最終轉換成4～20mA電流信號輸出。

閥門位置反饋裝置安裝到電動調節閥上使用時，需要對凸輪位置及對應的電流信號4～20mA進行調整校準。將位置反饋裝置安裝到電動調節閥上以后，調整閥門至全關狀態，然后轉動關限位對應的凸輪至剛好觸發關限位微動開關的位置，傳感器輸出位置信號，并通過電控單元調整此時的電流輸出為4mA；反向調整閥門至全開狀態，然后轉動開限位對應的凸輪至剛好觸發開限位微動開關的位置，傳感器輸出另一位置信號，并通過電控單元調整此時的輸出電流為20mA；電控單元經過特定的邏輯處理，將閥門的角度位置轉換成4～20mA電流值。

四、型式試驗要求

根據電子產品常用標準內容中對工業電子設備的要求，綜合考慮現場運行時可能遇到的工況，確認新型位置反饋裝置需進行性能試驗(包括電壓突變影響、電壓短時消失影響等)、電磁抗干擾試驗。

根據閥門相關常用標準內容中對安全級閥門要求，篩選部件功能參與整機試驗重要部分的各類試驗，參考1E/K3級閥門鑒定試驗要求，確認新型位置反饋裝置需進行熱老化試驗、循環老化試驗、濕熱老化試驗、機械振動試驗、地震模擬試驗，這部分試驗需安裝到電動頭內進行。

(一)性能試驗。按照已經指定的技術要求，新型位置反饋裝置必須完成相應的試驗，其結果能夠滿足技術參數所要求的范圍。在此基礎上，還應參考GB/T 3797-2005(電氣控制設備)完成電壓突變及短時消失情況下的性能鑒定。

(二)電磁抗干擾試驗。電磁抗干擾試驗相關的標準主要有IEC 61000：2000(Electromagnetic Compatibility (EMC))、GB/T17626-2006(電磁兼容)，因兩個標準技術內容接近一致，此項試驗可依據GB/T17626-2006(電磁兼容)進行。

(三)熱老化試驗。與閥門熱老化試驗相關的標準主要有：EJ/T1022.11-96、IEEE std 382-1996、NB/T 20093-2012、GB/T 12727-2002(核電廠安全系統電氣設備質量鑒定)、IEEE Std 101-1987(Guide for the Statistical Analysis of Thermal Life Test Date)。分析認為IEEE std 382-1996標準中的Part-Ⅲ—Tests部分2. Normal thermal aging test中對熱老化試驗進行了詳細描述，標準附錄C中對試驗的溫度及變化要求進行了詳細的描述和要求。較為適用新型位置反饋裝置的熱老化試驗。

(四)循環老化試驗。與閥門循環老化試驗相關的標準主要有：EJ/T 1022.11-96、NB/T 20093-2012。EJ/T 1022.11-96標準中6.6.1機械磨損老化試驗中對循環老化試驗進行了較為簡單的內容描述，僅要求電動裝置在加載情況下進行2,000次循環。NB/T 20093-2012標準中12循環老化試驗對試驗進行了詳細的描述，并對開關型、調節型電動裝置進行了區分。

綜上所述，確認新型位置反饋裝置應按照NB/T 20093-2012標準對調節型電動裝置進行循環老化試驗。

(五)濕熱老化試驗。對濕熱老化試驗有要求的標準主要有NB/T20079-2012和GB/T 2423.4(電工電子產品基本環境試驗規程試驗：交變濕熱試驗方法)，其中NB/T 20079-2012標準僅對電動頭執行濕熱老化的步驟進行描述，未對試驗條件進行描述，且其試驗結果主要針對電動頭。而GB/T 2423.4對濕熱老化試驗的條件更適用于電動頭電工電子部分，標準中對試驗方法、試驗條件進行了詳細的描述，適用于此位置反饋裝置。

(六)機械振動試驗。與閥門振動試驗相關的標準有：EJ/T1022.11-96、IEEE std 382-1996、NB/T 20093-2012、NB/T20079-2012、GB/T2423.10-2008。分析討論得出GB/T 2423.10-2008是針對電子產品抗振動試驗，內容包括了各類型振動的分類試驗方法及驗收標準，比較適用于電子產品的振動試驗。

(七)地震模擬試驗。與閥門地震模擬試驗相關的標準有：OTT-87、EJ/T1022.11-96、IEEE std 382-1996、NB/T 20093-2012、NB/T20079-2012，分析討論得出NB/T 20093-2012標準的15地震模擬試驗中對試驗的目的、準備及試驗過程進行了描述，在附錄C(標準中是附錄B，有誤)中對原理進行了描述。試驗的技術內容與IEEE std 382-1996相同，選取的技術參數及包絡圖也一致，試驗參數較完整，標準參數高于其他標準，適用于此新型位置反饋裝置的地震模擬試驗。

五、安裝功能試驗

新型調節閥位置反饋裝置已在電廠安裝使用，在完整的實現原俄供位置反饋裝置功能的基礎上，憑借其優越的性能，徹底解決俄供電動調節閥開度異常波動、漂移等情況，并減少調試所需時間。

為了進一步驗證新型位置反饋裝置性能，選取了電廠最高環境問題、最高振動水平、使用頻率最高三種工況進行了安裝試驗。經過一個大修周期的驗證，這些位置反饋裝置實現了既定功能，并未表現出任何性能降質或缺陷的情況。截至目前，這些惡劣工況下的新型位置反饋裝置已穩定運行兩個大修周期，尚未出現任何缺陷。

綜上，新型調節閥位置反饋裝置在完整的實現原俄供位置反饋裝置功能的基礎上，其優越的性能，徹底解決俄供電動調節閥開度異常波動、漂移等情況，消除了俄供位置反饋裝置故障頻發的缺陷，減少調試所需時間。

六、結語

VVER核電機組大量安裝使用俄供位置反饋裝置，這些位置反饋裝置可靠性低，備件更換較為頻繁，因結構及接口與國內其他電動調節閥電動頭存在較大區別，歷史上只能依靠進口備件使用。通過科研活動，研發出一套國產的位置反饋裝置，成功解決了設備可靠性低的問題，并擺脫了對俄供設備的依賴，降低了備件采購成本。

本項目的研究成果在生產中已成功應用，完整地實現原設備功能的同時，減少了設備故障次數，根本上解決了實際問題，提高了核電站電動調節閥運行可靠性，保證了電站安全穩定運行。