核電廠閥門電動裝置開關(guān)工作模式探討

楊靜遠(yuǎn)，趙世成，陳陽陽，劉景賓,*，劉　平，

核電廠閥門電動裝置開關(guān)工作模式探討

楊靜遠(yuǎn)1，趙世成2，陳陽陽1，劉景賓1,*，劉平3，

（1. 生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082；2. 中國核電工程有限公司，北京 100840；3. 中核蘇閥科技實業(yè)股份有限公司，江蘇 蘇州 215129）

核電廠1E級閥門電動裝置是安全級閥門的控制設(shè)備，對保證核電廠安全運行至關(guān)重要。電動裝置的驅(qū)動控制回路和工作模式對閥門的運行可靠性有較大影響。本文分析了在扭矩關(guān)閥工作模式下引起的閥門錘擊現(xiàn)象，提出了優(yōu)化驅(qū)動控制回路和增加自鎖離合器兩種解決方案。進(jìn)行了自鎖離合器模擬試驗，研究了轉(zhuǎn)速、延時時間、扭矩開關(guān)設(shè)定值和閥門剛度對閥門最大停止扭矩的影響。結(jié)果表明：閥門電動裝置開關(guān)工作模式應(yīng)采取有效措施避免閥門錘擊現(xiàn)象，并考慮上述因素對閥門最大停止扭矩的影響。

閥門電動裝置；開關(guān)工作模式；扭矩；閥門自鎖

1 引言

閥門電動裝置（以下簡稱“電裝”）是通過電機(jī)驅(qū)動控制閥門的一類裝置，不同種類的閥門、不同功能的應(yīng)用以及閥門的安裝環(huán)境決定了電裝的工作特性和使用狀態(tài)。[1]電裝通過行程控制機(jī)構(gòu)（以下簡稱“行程開關(guān)”）和扭矩限制機(jī)構(gòu)（以下簡稱“扭矩開關(guān)”）來控制電機(jī)的啟停，從而對閥門運動行程和狀態(tài)進(jìn)行控制。[2]電裝開關(guān)設(shè)置不當(dāng)、扭矩過大造成密封面損壞泄漏和長期可靠性降低等是造成閥門故障的常見問題。目前，電裝開關(guān)工作模式分為行程關(guān)閥和扭矩關(guān)閥，一些重要的安全級閘閥和截止閥均采用扭矩關(guān)閥的工作模式。[3-5]本文討論了常見的電裝開關(guān)工作模式特點，分析了扭矩關(guān)閥工作模式引起的閥門錘擊現(xiàn)象，對其解決方案及實際應(yīng)用過程中重點關(guān)注的問題進(jìn)行了討論。

2 電裝開關(guān)工作模式

通常，電裝傳動通過電機(jī)、蝸桿、蝸輪的組合或手輪連接行程齒輪機(jī)構(gòu)來驅(qū)動輸出軸。核安全級電裝按照RCC-E分為K1、K2和K3類，在正常環(huán)境條件、事故環(huán)境條件和SSE期間或之后均保持可運行性。[6-8]電裝驅(qū)動系統(tǒng)組成及各部分功能如下：

（1）電機(jī)，提供較大的啟動扭矩，高過載、轉(zhuǎn)動慣量小，支持高頻短時工作模式；

（2）減速機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)輸出扭矩；

（3）行程開關(guān)，用以調(diào)節(jié)和準(zhǔn)確控制閥門的開度；

（4）扭矩開關(guān)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩（或推力）來控制閥門的開關(guān)狀態(tài)；

（5）手動/電動切換機(jī)構(gòu)，用以進(jìn)行手動或電動的切換；

（6）開度指示器，顯示閥門的開度。

典型的電裝內(nèi)部執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的閥門電動裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)

在實際工程應(yīng)用中，對于不同類型閥門、不同工況和不同應(yīng)用功能，通過行程開關(guān)和扭矩開關(guān)的不同控制邏輯組合，可以實現(xiàn)閥門開啟和關(guān)閉。通常，對于平板閘閥、中線蝶閥等類型閥門，受閥門關(guān)閉時的水流影響以及閥門密封特性的要求，閥門開啟和關(guān)閉都通過行程開關(guān)來控制，扭矩開關(guān)主要起保護(hù)作用。但是，對于無調(diào)節(jié)和節(jié)流功能，其運行工況只是全開或全關(guān)的閘閥和截止閥，在開啟過程中，在閥門全開位要求執(zhí)行器觸發(fā)開方向的行程限位開關(guān)后停止（閥門開位置靠行程開關(guān)停止），扭矩開關(guān)主要起保護(hù)作用；在關(guān)閉過程中，由于某些閥門的特殊性每次關(guān)閉時的理論位置會隨著管道溫度的變化而變化（管道和閥座存在熱脹冷縮現(xiàn)象），所以在關(guān)閉的時候不能通過執(zhí)行器在全關(guān)位的行程開關(guān)停止執(zhí)行器，在行程已經(jīng)走到位的情況下，需要施加額外的力，依靠關(guān)方向的扭矩開關(guān)停止執(zhí)行器，這樣可以保證每次都擠緊閥板和閥座，保證閥門的密封性能，確保閥門完全關(guān)閉并實現(xiàn)零泄漏，行程開關(guān)主要起指示作用。

3 閥門錘擊現(xiàn)象

在扭矩關(guān)閥的情況下，受扭矩開關(guān)觸發(fā)到電機(jī)停電之間的延時影響，執(zhí)行器的斷電扭矩往往大于其設(shè)定扭矩?？刂葡到y(tǒng)不同，延時長短也不同，最終的斷電扭矩和設(shè)定扭矩差值也不同。電機(jī)斷電后由于慣性等原因，執(zhí)行器和閥門的所有運動部件不會馬上停止，所以執(zhí)行器的斷電扭矩小于最終停止后的扭矩。當(dāng)電裝完成關(guān)閥動作電機(jī)停止驅(qū)動之后，受管道內(nèi)流體的密度、壓力、流速、閥板質(zhì)量、閥門密封面粗糙度、閥門剛度等因素的影響，最終的關(guān)閥停止扭矩都會增加。整體來說有如下關(guān)系：

執(zhí)行器的關(guān)閥設(shè)定扭矩＜執(zhí)行器斷電扭矩＜關(guān)閥停止扭矩。整體關(guān)系如圖2所示。

圖2 扭矩關(guān)閥示意圖

由于電裝在扭矩關(guān)閥過程中，執(zhí)行器從全速運轉(zhuǎn)降速到零時，受閥座給閥板的反作用力影響，執(zhí)行器會有一定的回彈，帶動輸出軸反向運動，扭矩減小，行程微動，扭矩開關(guān)重新閉合，執(zhí)行器通電繼續(xù)關(guān)閥，在重新關(guān)閥到位后扭矩開關(guān)重新觸發(fā)電機(jī)斷電，這個循環(huán)會重復(fù)出現(xiàn)，也就是出現(xiàn)閥門的錘擊現(xiàn)象。反復(fù)的錘擊會導(dǎo)致閥門關(guān)閉不嚴(yán)產(chǎn)生泄漏，嚴(yán)重情況下會對閥桿和驅(qū)動螺母產(chǎn)生不可逆損傷。核電廠中特定功能位號的閥門快速開啟或關(guān)閉功能非常重要，例如主蒸汽隔離閥在異?；蚴鹿使r下，在接到隔離信號后需要在5 s內(nèi)關(guān)閉。[9]對于快速開關(guān)閥門和大扭矩閥門，受慣性效應(yīng)影響，閥門錘擊現(xiàn)象更加嚴(yán)重，對核電廠的運行產(chǎn)生極大的影響和安全隱患。

4 解決方案對比分析

從根本上避免閥門錘擊現(xiàn)象需要執(zhí)行器有良好的自鎖能力，即為閥門扭矩關(guān)閉后即使閥桿有回彈的力，造成執(zhí)行器扭矩減小甚至行程微動也不會觸發(fā)二次關(guān)閥。由于閥門錘擊現(xiàn)象對于高輸出速度的電裝較為明顯，可以在選型時選用低輸出速度的電裝來解決。但是執(zhí)行器和閥門配套時會有很多不同速度組合，所以只有在任何不同速度組合的情況下，執(zhí)行器均提供良好的自鎖性能才能從根本上解決閥門錘擊的問題，單純選用低輸出速度的執(zhí)行器反而會帶來閥門開關(guān)速度降低，閥門關(guān)閉時間超時，無法滿足安全分析中對閥門關(guān)閉時間的要求，從而影響核電廠的安全。

電裝開關(guān)工作模式是通過行程開關(guān)和扭矩開關(guān)的時序組合來實現(xiàn)的，實現(xiàn)閥門自鎖就是實現(xiàn)電機(jī)在首次觸發(fā)關(guān)閥到位信號后的準(zhǔn)確停機(jī)。對于通常的扭矩關(guān)閥的工作模式，電機(jī)啟停受扭矩開關(guān)控制，一種方法是可以通過優(yōu)化驅(qū)動控制回路來控制電機(jī)的啟停，另一種方法是增加電機(jī)側(cè)雙向自鎖離合器，阻斷蝸桿軸對電機(jī)軸的反向驅(qū)動力。以下對兩種解決方案的原理及實現(xiàn)方式進(jìn)行對比分析。

4.1 優(yōu)化驅(qū)動控制回路

對于通過驅(qū)動控制回路實現(xiàn)自鎖功能的電裝，閥門錘擊現(xiàn)象造成執(zhí)行器回彈，執(zhí)行器扭矩會降低，電機(jī)斷電后關(guān)方向的扭矩開關(guān)會重新回到常閉狀態(tài)，造成閥門不斷地關(guān)閉。在電控邏輯上可以通過串聯(lián)關(guān)行程開關(guān)和關(guān)繼電器，并外接關(guān)接觸器輔助觸點旁路來避免錘擊現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化驅(qū)動控制回路

關(guān)閥過程：收到關(guān)閥信號后，關(guān)扭矩開關(guān)取常閉觸點處于閉合狀態(tài)，關(guān)行程開關(guān)取常閉觸點也處于閉合狀態(tài)，閥門開始關(guān)閉，關(guān)繼電器通電，關(guān)接觸器閉合，關(guān)接觸器輔助觸點同時把關(guān)方向的行程開關(guān)旁路。當(dāng)閥門行程走到關(guān)位后，關(guān)扭矩開關(guān)仍處于閉合狀態(tài)，關(guān)行程開關(guān)斷開，但是關(guān)接觸器輔助觸點將行程開關(guān)旁路，電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動閥門關(guān)閉，執(zhí)行器驅(qū)動扭矩繼續(xù)加大，當(dāng)達(dá)到扭矩觸發(fā)設(shè)置值時，關(guān)扭矩開關(guān)斷開，關(guān)繼電器斷電，電機(jī)停止。此時，閥門錘擊現(xiàn)象造成執(zhí)行器回彈，微弱回彈不會造成關(guān)行程開關(guān)重新閉合，但關(guān)扭矩開關(guān)閉合。由于關(guān)扭矩開關(guān)在首次觸發(fā)后已將關(guān)繼電器斷開，整個關(guān)閥控制回路仍處于斷開的狀態(tài)，所以不會引起電機(jī)的再次啟動。此種模式下，閥門不會處于擠緊壓嚴(yán)的狀態(tài)，閥門的關(guān)閥扭矩有可能會小于閥門密封所需扭矩，執(zhí)行器斷電后有泄漏的風(fēng)險。

開閥過程：在電控邏輯上將開扭矩開關(guān)和開行程開關(guān)串聯(lián)。收到開閥信號后，開扭矩開關(guān)取常閉觸點處于閉合狀態(tài)，開行程開關(guān)取常閉觸點也處于閉合狀態(tài)，閥門開始開啟。開閥停止信號通過觸發(fā)開行程開關(guān)停止，整個開閥的過程中開扭矩開關(guān)只起到保護(hù)的作用。閥門關(guān)閉后執(zhí)行器不會保持閥門的最大扭矩，開閥門過扭矩信號通常由閥門卡澀或故障引發(fā)。

4.2 增加自鎖離合器控制

對于帶自鎖離合器的電裝，利用執(zhí)行器的特殊機(jī)構(gòu)設(shè)計，動力傳遞只可以通過電機(jī)到蝸桿軸，當(dāng)蝸桿軸反向運行時，蝸桿軸不可以驅(qū)動電機(jī)軸，而且這個方向是雙向的。當(dāng)執(zhí)行器電機(jī)斷電后，仍然可以保持執(zhí)行器物理上的過扭矩輸出狀態(tài)，關(guān)閥可以通過關(guān)扭矩開關(guān)獨立控制，但需對電控邏輯進(jìn)行優(yōu)化來避免開方向的過扭矩報警，如圖4所示。

圖4 增加自鎖離合器驅(qū)動控制回路

關(guān)閥過程：收到關(guān)閥信號后，關(guān)扭矩開關(guān)處于閉合狀態(tài)，關(guān)繼電器閉合，閥門開始關(guān)閉，執(zhí)行器驅(qū)動扭矩逐漸加大，當(dāng)達(dá)到扭矩觸發(fā)設(shè)置值時，關(guān)扭矩開關(guān)斷開，電機(jī)停止，閥門關(guān)緊。

開閥過程：閥門處于關(guān)緊狀態(tài)時，帶自鎖離合器的執(zhí)行器在閥門關(guān)閉后扭矩不會消失，每次關(guān)閉之后閥門閥板和閥座都是擠緊的狀態(tài)，大概率會導(dǎo)致開閥時觸發(fā)開扭矩開關(guān)。在控制邏輯設(shè)計中，開方向的過扭矩開關(guān)并聯(lián)一個關(guān)位置的行程開關(guān)，在閥門全關(guān)位置閉鎖開方向過扭矩信號。當(dāng)閥門離開全關(guān)位后，關(guān)行程開關(guān)斷開，開扭矩開關(guān)仍可通過扭矩信號保護(hù)閥門。

5 自鎖離合器模擬試驗

自鎖離合器根本上是通過摩擦力將動能轉(zhuǎn)化成熱能，相關(guān)機(jī)構(gòu)每次使用有摩擦消耗，具體的摩擦損耗量和閥門的類型、運動部件質(zhì)量、閥桿尺寸、螺紋升角、螺紋頭數(shù)、閥門閥座剛度有關(guān)。采用自鎖離合器的電裝，慣性效應(yīng)會直接影響最終的實際停止扭矩。一方面是響應(yīng)延時造成的扭矩增大；另一方面是閥板和閥座碰撞造成的扭矩增大。電動機(jī)轉(zhuǎn)子、齒輪、閥桿和閥板所組成的運動組件與閥座的關(guān)閥碰撞會造成能量損失，根據(jù)沖量定理知：

式中：——轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；

——沖擊角速度，rad/s。

可以看出，運動組件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)速、剛度同樣也會影響最終的轉(zhuǎn)矩[10-13]。

為了模擬閥門剛度、關(guān)斷延時、輸出速度、設(shè)定扭矩對電動執(zhí)行器最終關(guān)斷扭矩的影響，設(shè)計測試裝置對執(zhí)行器進(jìn)行模擬試驗，試驗裝置示意圖如圖5所示。將執(zhí)行器與測試裝置相連接，執(zhí)行器輸出的動力通過聯(lián)軸器輸入到下面的模擬負(fù)載上，模擬負(fù)載由高精度彈性體組成，執(zhí)行器轉(zhuǎn)動會引起模擬負(fù)載的壓縮，對于執(zhí)行器來說當(dāng)負(fù)載達(dá)到觸發(fā)執(zhí)行器扭矩開關(guān)的數(shù)值時輸出過扭矩信號，從而使執(zhí)行器電機(jī)斷電。測試臺可對扭矩開關(guān)觸發(fā)到執(zhí)行器斷電的時間進(jìn)行調(diào)節(jié)，記錄最終停止的扭矩。圖中陰影部分為“閥門剛度模擬負(fù)載”，其特性為當(dāng)執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)動1°時，“閥門剛度模擬負(fù)載”會增加Nm，所以單位為Nm/°。試驗選取了某型號電裝，對轉(zhuǎn)速、延時時間、扭矩開關(guān)設(shè)定值和閥門剛度對閥門最大停止扭矩的影響進(jìn)行試驗研究。

圖5 自鎖離合器模擬試驗裝置示意圖

（1）轉(zhuǎn)速

當(dāng)閥門從扭矩開關(guān)觸發(fā)到電機(jī)斷電的延時時間為15 ms，執(zhí)行器設(shè)定觸發(fā)扭矩為40 Nm，轉(zhuǎn)速在15 rpm、35 rpm和90 rpm下，在不同閥門剛度下閥門最大停止扭矩與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如圖6所示。由此可得出當(dāng)設(shè)定觸發(fā)扭矩、延時時間和閥門剛度不變的情況下，執(zhí)行器的轉(zhuǎn)速越快，最大停止扭矩越大。

圖6 不同閥門剛度下閥門最大停止扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

（2）延時時間

當(dāng)轉(zhuǎn)速在35 rpm，執(zhí)行器設(shè)定觸發(fā)扭矩為40 Nm，閥門從扭矩開關(guān)觸發(fā)到電機(jī)斷電的延時時間在0 ms、15 ms、45 ms和75 ms下，在不同閥門剛度下閥門最大停止扭矩與延時時間的變化關(guān)系如圖7所示?？傻贸霎?dāng)轉(zhuǎn)速、設(shè)定觸發(fā)扭矩和閥門剛度不變的情況下，從扭矩開關(guān)觸發(fā)到電機(jī)斷電的延時時間越長，最大停止扭矩越大。

（3）執(zhí)行器設(shè)定觸發(fā)扭矩

當(dāng)轉(zhuǎn)速在35 rpm，閥門從扭矩開關(guān)觸發(fā)到電機(jī)斷電的延時時間在15 ms，執(zhí)行器設(shè)定觸發(fā)扭矩在21 Nm、40 Nm和62 Nm下，在不同閥門剛度下閥門最大停止扭矩與執(zhí)行器設(shè)定觸發(fā)扭矩的變化關(guān)系如圖8所示。當(dāng)閥門轉(zhuǎn)速、延時時間和閥門剛度不變的情況下，執(zhí)行器設(shè)定觸發(fā)扭矩越大，最大停止扭矩越大。

圖7 不同閥門剛度下閥門最大停止扭矩與延時時間的關(guān)系

圖8 不同閥門剛度下閥門最大停止扭矩與設(shè)定觸發(fā)扭矩的變化關(guān)系

由圖6、圖7和圖8可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速、延時時間、設(shè)定觸發(fā)扭矩不變的情況下，閥門剛度越大，最大停止扭矩越大。

以上模擬試驗研究表明，對于采用自鎖離合器的電裝，轉(zhuǎn)速越大、延時時間越長、設(shè)定觸發(fā)扭矩越大、閥門剛度越大，最大停止扭矩越大。因此，采用自鎖離合器的電裝可以達(dá)到扭矩關(guān)閥，但開方向大概率會觸發(fā)過扭矩報警，應(yīng)在控制電路設(shè)計中進(jìn)行解決。設(shè)計院和閥門廠在電裝選型中應(yīng)根據(jù)閥門性能參數(shù)和功能要求，進(jìn)行精準(zhǔn)的計算和選型，避免過扭矩對閥門本體的破壞。

6 總結(jié)

閥門電動裝置是核電廠重要的核安全級電氣設(shè)備，功能設(shè)計是否完善，可靠性指標(biāo)的要求是否適當(dāng)，現(xiàn)場使用方式是否合理，直接對核電廠運行安全造成影響。分析表明僅通過增加關(guān)繼電器可能無法完全滿足功能要求，要根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行分析。采用自鎖離合器可避免錘擊現(xiàn)象。通過對采用自鎖離合器電裝的模擬試驗，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速越大、延時時間越長、設(shè)定觸發(fā)扭矩越大、閥門剛度越大，最大停止扭矩越大。相關(guān)分析結(jié)論可為核電廠合理設(shè)置電裝開關(guān)工作模式提供指導(dǎo)，對閥門設(shè)計和電裝選型提供理論支持和參考。但在實際問題的解決中，還應(yīng)充分結(jié)合具體安全功能和閥門特性綜合分析，選擇合適的解決方案。

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Discussion on Switching Mode of Electric Valve Device in Nuclear Power Plant

YANG Jingyuan1，ZHAO Shicheng2，CHEN Yangyang1，LIU Jingbin1,*，LIU Ping3

（1. Nuclear and Radiation Safety Center，Ministry of Ecology and Environment，Beijing，100082，China；2. China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing，100840，China；3. SUFA Technology Industry Co.，Ltd.，Suzhou of Jiangsu Prov. 215129，China；）

The 1E valve electric device is the control equipment of safety valve in nuclear power plant，and play an important roles in ensuring the safe operation of nuclear power plant. The drive control circuit and switching mode of the electric device have a great influence on the operation reliability of the valve. This paper analyzes the valve hammering phenomenon caused by the torque closing valve operation mode，proposes two solutions to optimize the drive control loop and increase the self-locking clutch，a self-locking clutch simulation test was carried out to study the influence of speed，delay time，torque switch setting value and valve stiffness on the valve’s maximum stopping torque. The results show that effective measures should be taken to avoid valve hammering when determining the switching mode of the valve electric device，and the influence of the above factors on the maximum stopping torque of the valve should be considered.

Valve electric device；Switching mode；Torque；Valve self-locking

TM623.4

A

0258-0918（2021）05-1084-07

2021-01-27

楊靜遠(yuǎn)（1988—），男，寧夏人，工程師，碩士研究生，現(xiàn)從事核電廠電氣儀控設(shè)備方面研究

劉景賓，E-mail：liujingbin@chinansc.cn