主蒸汽隔離閥驅動裝置動作性能優化方法研究

邢璐輝　陳劍鋒

摘要：主蒸汽隔離閥及其驅動裝置是保障核電站安全運行的重要設備，其動作性能關系到核電站的安全。為此，提出了一種基于聯合仿真的主蒸汽隔離閥驅動裝置動作性能優化研究方法，分析了各工況下的動作性能指標與影響參數，揭示了氮氣壓力對動作性能指標的影響規律，給出了一種動作性能優化模型及算例，得到了最佳動作性能隨氮氣壓力變化的曲線，計算結果可為主蒸汽隔離閥驅動裝置的國產化研發和工程實際優化應用提供參考。

關鍵詞：驅動裝置;主蒸汽隔離閥;動作性能;優化方法

0 引言

核電站主蒸汽隔離閥驅動裝置是一種典型的機電液一體化設備[1]，采用氣液聯動方式，是一種復雜的非線性系統，無法用數學模型精確描述，更難以對其進行進一步優化。聯合仿真是目前研究復雜工程問題的有效手段，可用于分析與優化系統動態特性及關鍵指標，以在許多工程領域均有應用。

主蒸汽隔離閥驅動裝置是1E級設備，當主蒸汽管道破損時，需在2～5 s內快速可靠關閉，以保障核電站的安全。目前主蒸汽隔離閥應用最廣泛的驅動裝置型式是氣液聯動型[2]。

主蒸汽隔離閥驅動裝置的關鍵指標參數包括快關時間、閥桿最大受力、工況壓力和流量等，這些指標參數之間相互耦合，目前還沒有相關理論針對這些指標參數進行聯合優化。在實際試驗中，這些耦合關系也難以得出，而聯合仿真提供了一種解決上述問題的有效手段。因此，有必要基于聯合仿真研究指標參數之間的影響規律，并提出優化模型，為國產化工程研發提供參考。

1 動作性能研究方法

1.1? ? 試驗研究

試驗是研究主蒸汽隔離閥驅動裝置動作性能的一個重要手段，但是試驗研究存在費時久、花費高等缺點。另外，試驗也無法得到一些動作性能的曲線以及重要參數對動作性能的影響規律曲線，增加了國產化工程研發的難度。主蒸汽隔離閥驅動裝置試驗設備如圖1所示，表1為CAP1400主蒸汽隔離閥驅動裝置動作性能試驗結果。

1.2? ? 聯合仿真研究

主蒸汽隔離閥及其驅動裝置聯合仿真模型如圖2所示。聯合仿真可以快速方便地得到任一動作性能曲線以及重要參數對動作性能影響的規律，便于優化，優化結果可再供試驗研究驗證，將大大縮短國產化研發進程。因此，本文后續研究是基于此模型展開的。

1.3? ? 優化方法研究

主蒸汽隔離閥驅動裝置的動作性能優化研究方法流程如圖3所示。首先要找出動作性能指標，接著按重要性排序，給各指標設置權重，提出目標優化數學模型;其次，要找出影響動作性能的參數，研究其對動作性能指標的影響規律;最后得到主蒸汽隔離閥驅動裝置的最佳動作性能參數。

該優化方法流程適用于研究多指標機電設備的最佳動作性能參數。

2 動作性能建模

2.1? ? 閥桿動作過程受力分析

主蒸汽隔離閥閥桿受力可以等效為X和Y兩個方向的力。設定FN2是氮氣對閥桿的壓力，FH是液壓油對閥桿的壓力，G是閥桿的重力，NS是主蒸汽在管道內對閥桿的壓力，N1、N2、N3、N4和N5是主蒸汽隔離閥及其驅動裝置對閥芯的作用力，FM是動態黏性摩擦力，FA是使閥桿產生加速度的合力。閥桿動作過程受力分析如圖4所示。

主蒸汽隔離閥在不同的動作狀態下，閥桿受力情況是不同的。

式中，FM=CMV，CM是黏性摩擦系數，V是閥桿關閉或者開啟速度;FA=am，a是閥桿關閉或者開啟的加速度，m是閥桿質量;FN2=PN2S1，PN2是氮氣壓力，S1是氮氣作用在閥桿頂端的面積;FH=PHS2，PH是液壓油的壓力，S2是液壓油作用在閥桿頂端下面的面積。

在工程應用中，主蒸汽隔離閥驅動裝置中的電磁閥等元件壓力不能超過8.2 MPa，因此需FN2、FH越小越好，也就是氮氣、液壓油壓力要盡量小。此外，要減小閥門快關時對閥座的沖擊，則FA需盡量小。但是如果這些力過小，則無法滿足主蒸汽隔離閥驅動裝置在2～5 s內關閉的需求。

在聯合仿真中，FN2、FH、G、FM可以通過仿真測算得到，因此閥桿所受合力FA也可以得到。

2.2? ? 閥門關閉動作性能

圖5是閥門關閉時一些參數的特征曲線，式（3）中的FA如圖5（a）所示。初始階段，由于液壓油和氮氣之間存在壓差，會產生短暫的受力震蕩;到了t1時刻驅動裝置打開電磁閥，此時液壓出油通道瞬間連接油池，壓力陡降，造成閥桿受到巨大向下的關閉力Fmax1和出油通道巨大流量Qmax，如圖5（b）所示;接著閥桿受力幾乎平衡，以近乎勻速直線的方式運動;在快要完全關閉的t2時刻，驅動裝置關閉電磁閥，此時液壓出油通道與油池斷開，壓力瞬間增大，閥桿產生沖擊力Fmax2，通道流量很快變為0。

經過仿真可以得出，無論是快關還是慢關，單通道還是雙通道，閥桿的受力和出油通道的特征曲線都如圖5所示。快關與慢關的不同在于t2-t1的時間長短以及Fmax1、Fmax2和Qmax數值的量級不同，因此在圖4中并未標出數值具體的數量級。單通道快關和雙通道快關，在通油的油路上，閥桿受力和流量曲線的數值、大小均是相似的，只是t2-t1的時間有差別。

在以上這些性能參數中，快關t2-t1的數值必須在2～5 s，Fmax2越小則閥座受到的沖擊力越小，在條件允許的情況下，使用的氮氣壓力越小越好，主要是因驅動裝置電磁閥能承受的壓力所致。另外，關閉力Fmax1和管道流量Qmax也是越小越好。慢關的性能參數要求則相對寬松，只要滿足快關的使用條件，慢關也可滿足。

然而這些性能參數在不同的氮氣壓力作用下，變化規律尚未得到研究，而且這些參數之間往往互相制約，無法同時達到最佳。因此，有必要對此展開研究，得到驅動裝置的最佳性能參數，為裝置的工程化應用提供參考。

2.3? ? 閥門開啟動作性能

如表1所示，由于開啟過程時間一般都比較長，閥桿開啟過程中的合力和流量特征曲線如圖6所示，閥桿開啟過程所受的合力和管道流量都會低于快關過程中的相應量。因此，一般只要閥桿閥座的受力強度、材料等性能滿足快關要求，開啟性能也能得到滿足。

3 動作性能參數影響規律研究

影響主蒸汽隔離閥驅動裝置動作性能的參數可分為工程硬件參數和工況參數兩大類。工程硬件參數主要包括管道粗細與長度、閥桿直徑、行程等，這些參數對于一個設計好的驅動裝置是無法改變的。工況參數主要包括氮氣壓力、溫度、液壓油的屬性等，這些參數在做試驗時也不太容易改變，其中，氮氣壓力對動作性能影響很大。由于電磁閥的限制，氮氣絕對壓力不能超過8.2 MPa。本節將對一款硬件參數已經設計好的驅動裝置進行研究，得到在不同的氮氣壓力下該驅動裝置的性能規律。

3.1? ? 閥門快關

閥門快關時驅動裝置的動作性能特征曲線如圖5所示，在氮氣絕對壓力8.101 3 MPa，即相對壓力8 MPa下，閥門從完全打開到完全關閉的快關過程中，單通道和雙通道的動作性能如表2所示。

把其他因變量固定，改變氮氣壓力，得到不同的動作性能曲線，如圖7～圖8所示，可見氮氣壓力越大，快關時間越短，管道最大流量越大，閥桿最大所受合力也越大。

3.2? ? 閥門慢關

通過圖5和表1可知，慢關和快關性能曲線是相似的，只是關閉時間不同，各項性能的數量級不同。慢關時間通過表2中變速閥開口度系數進行調節，調節時間可以長達幾分鐘。在氮氣相對壓力為8 MPa、時長為252.4 s下的慢關動作性能如表3所示，各項數值均比快關小很多，因此只要滿足快關要求，慢關性能也能得到保障。

3.3? ? 閥門開啟

閥門開啟動作性能特征如圖6所示。利用仿真得到開啟時長為660 s的驅動裝置動作性能如表4所示，各項數值也均比快關小很多，因此只要滿足快關要求，開啟性能也能得到保障。

4 動作性能優化研究

在動作性能中，快關時間最重要，關系到核電站的安全，設雙通道快關時間為td，單通道快關時間為ts，快關時間隨氮氣壓力表現規律如圖7（a）所示，則td和ts需在2～5 s，離3.5 s越近越好，即3.5-td、ts-3.5越小越好。（3.5-td）u1+（ts-3.5）u2=ts-td，其中u1、u2是權重因子，由于兩種通道快關同等重要，取u1=u2=1，因此可以得到ts-td越小越好。

最大閥桿所受合力Fmax2是閥桿對閥座的沖擊力，設雙通道最大閥桿所受合力F d max2和單通道最大閥桿所受合力F s max2，這兩個值也是越小越好，從圖8（b）中得到，F d max2始終大于F s max2，因此在建立目標優化函數時，這兩個量可以僅考慮F d max2。

最大閥桿所受合力Fmax1是在啟動關閉時閥桿的力，從圖8（a）中得到，單通道的F s max1始終小于雙通道的F d max1，在建立目標優化函數時，這兩個量可以僅考慮F d max1。

最大瞬態流量Qmax在條件允許的情況下越小越好，且從圖7（b）中得到，單通道Qs max始終大于雙通道的Qd max，在建立目標優化函數時，這兩個量可以僅考慮Qs max。

優化模型F（P）隨氮氣壓力變化曲線如圖9所示，隨著m取值增加，ts-td指標權重隨之增加，曲線整體隨著氮氣壓力增加而發生傾斜。

在氮氣相對壓力P=6.8 MPa和P=7.8 MPa時，存在兩個性能拐點，在局部壓力附近性能最好，因此可在試驗中對此兩處氮氣壓力下的動作性能進行研究。

在氮氣相對壓力P=5.8 MPa時，優化模型隨著m的取值變化有較大改變，適合在動作性能優化模型中快關時間指標項夠用的情況下，考慮優化其他指標項;在氮氣相對壓力P=8 MPa時，m取不同的值，優化模型F（P）均會匯集到一處，這說明在此處壓力下，快關時間指標項已經是最優的，不用再考慮，但此時的壓力非常接近此驅動裝置中電磁閥能接受的壓力。

主蒸汽隔離閥驅動裝置動作性能優化目標函數不止式（4）一種，m、n、w和v的取值還有非常多的組合，相關研究還可以繼續拓展，此處給出了一種動作性能優化模型及算例，在工程優化中可以采用不同的優化目標函數輸入，可供試驗參考。

5 結論

本文開展了以主蒸汽隔離閥驅動裝置為依托的機電設備動作性能優化研究，具體結論如下：

（1）提出了一種基于主蒸汽隔離閥驅動裝置的機電設備動作性能優化方法流程，能夠結合工程需求和實際情況設置優化權重，得到最優動作性能參數;

（2）分析了主蒸汽隔離閥驅動裝置在不同工況下的動作性能指標及影響參數，基于聯合仿真，揭示了驅動裝置壓力對這些動作性能指標的影響規律;

（3）給出了一種動作性能優化模型，將動作性能指標無量綱化，并按權重設置，舉例計算了動作性能優化目標函數隨氮氣壓力的變化規律，在氮氣相對壓力P=6.8 MPa和P=7.8 MPa處，得到最優性能的參考點，可供工程試驗進一步優化研究。

[參考文獻]

[1] 蔡云良.核電站主蒸汽隔離閥選型比較[J].流體機械，2003，31（11）：27-29.

[2] 倪宇峰.主蒸汽快關隔離閥的發展及在田灣核電站的應用[J].通用機械，2007（8）：22-24.

收稿日期：2020-04-03

作者簡介：邢璐輝（1990—），男，陜西人，工程師，研究方向：機電設備控制。