基于SIPLUG和ADAM技術的閥門在線監測與診斷系統在國內核電項目的首次應用

臺山核電合營有限公司 張貽林 潘洪良 李江峰 奉林峰

核電站的閥門數量眾多，以臺山EPR項目為例，單臺機組閥門總量約為15000臺，其中電動閥、電磁閥超過1100臺，數量相較于CPR機組幾乎增加了兩倍，潛在提高了機組出現電動閥門故障的概率。以目前主流的故障糾正性維修結合預防性維修的策略來看，電動閥門數量的增加直接加大了維修負荷，增加了電站運行成本。因此電動閥門的在線監測及故障診斷就顯得尤為重要，并越來越受到電站管理層面和行業同行的重視。

EPR三代技術的先進性不僅體現在主系統和廠房設計上，也體現在輔助監測系統的應用上。臺山EPR項目引進了閥門在線監測與診斷系統（即KID系統），實現對核島部分F1/F2級電動閥和電磁閥進行實時在線監測和診斷評估。該系統基于SIPLUG采集模塊和ADAM診斷分析技術是EPR項目特有的系統，在國內核電項目為首次應用。通過系統在線監測，掌握閥門和電動頭的行為特性、運行狀態和趨勢，及時診斷發現閥門可能存在的缺陷，有助于實現電動閥門的狀態維修，提升電廠經濟效益。

KID系統在機組調試期間為閥門故障原因分析及故障處理提供了重要的數據及分析支持，發揮了積極的作用。經過臺山EPR項目的消化吸收和實踐運用，有助于在線監測與診斷技術在國內其他項目的推廣使用，推動閥門診斷行業的技術革新。

1 系統設計介紹

KID系統主要由SIPLUG、墻柜、系統機柜組成。其中SIPLUG沒有ECS代碼，集成在配電抽屜中，各SIPLUG之間通過CAN BUS總線通訊。墻柜主要配置有CEB（Can Ethernet Bridge）和Ethernet Switch，將SIPLUG送來的CAN BUS信號轉換為光纖信號傳輸到系統柜中。系統機柜主要包括兩臺服務器、顯示器及網絡轉換器等，這些部件及連接線纜組成了整個診斷網絡。

SIPLUG是KID系統的信號采集設備，其主要有電流互感器、電壓互感器、主板、控制信號接口、直流供電接口、CAN BUS信號接口、外部組態接口組成。SIPLUG只有經過標定、組態后才能采集數據。每個SIPLUG都有唯一的HWID，通過HWID來識別標定文件并將該SIPLUG分配給該抽屜對應的閥門。SIPLUG組態主要是設置采集定義、觸發模式及輸入標定數據。當閥門上游抽屜收到DCS的動作指令時，繼電信號觸發SIPLUG啟動測量，記錄閥門電壓、電流及開關信號信息。

KID系統數據評估和診斷分析通過ADAM評估軟件實現。其中ADAM-MOV用于電動閥的診斷評估，其擁有強大的數據庫和圖形算法，數據庫包含了診斷評估所需的主數據信息，如閥門參數、電動頭參數、評估矩陣、特征參數限值、Power-Torque函數等。通過ADAM的圖形功能可自動評估或手動評估曲線形態，再結合評估矩陣和Power-Torque函數計算力矩、推力等，直觀定量的判斷相關參數是否在限值之內。而ADAM-SOV用于電磁閥的診斷評估，通過使用電流I(t)曲線、電感L(t)曲線等捕捉電磁閥動作的起始點和結束點，通過曲線形態及特征數值判斷電磁閥的啟閉是否正常。

2 電動閥診斷原理研究

KID系統監測的273臺閥門中259臺為電動閥，類型主要為球閥、閘閥、截止閥、蝶閥。電動頭帶自鎖保護功能，反饋方式多為限位開、力矩關，以保證閥門關緊又不至于推力過大損壞閥座或閥桿。

2.1 Power-Torque函數獲取

SIPLUG只能獲取電壓、電流等電氣參數，而無法獲取力矩、推力等機械參數。為此設計開發的離線設備Test Bench，用來獲取電動頭輸出力矩與有功功率的關系、力矩開關動點的力矩和功率、零載荷功率等。Test Bench與KID系統有很好的兼容性，測量數據可直接導入ADAM數據庫，便于矩陣評估直接調用。

2.2 電動閥狀態診斷評估

通過SIPLUG獲取的有效功率曲線可完整表現電動閥開關過程的行為狀態。對電動閥而言，電動頭的結構差異、閥門的類型差異及開關反饋控制的差異都會表現出不同的功率曲線形態，因此平行閘閥、楔形閘閥、球閥、蝶閥、截止閥等曲線形態各不相同。

圖1中，O對應零載荷功率；C/D對應行程過程中的平均運行功率（反映閥桿與填料的摩擦力、松緊程度）；F對應功率加載的斜率；M對應力矩開關動作點的有效功率；Tab對應力矩開關動作反饋到電動頭停運持續的時間；A對應電動頭在力矩開關動作后到停運持續輸出的最大功率；B對應閥門開啟瞬間所需的最大有效功率；G對應閥桿卸力過程的斜率；S對應閥桿行程時間；E對應電動頭運行時間。ADAM-MOV不僅支持對某個閥門的單次測量分析或多次測量比較分析，且支持對同類閥門的比較分析，通過特征參數的趨勢變化判斷閥門是否存在故障或潛在故障，如閥桿與盤根摩擦加劇、閥門卡澀、閥座存在缺陷、推力裕量不足、閥桿彎曲，甚至電動頭選型不保守等。

圖1 截止閥行程過程典型的有效功率曲線

2.3 電動閥故障診斷分析

某電動閥接收到DCS開關指令后顯示閥門開度不變，現場檢查閥門無動作。結合KID監測曲線（圖2棕色曲線）分析，位置①處無明顯的零載荷功率特征，整個過程中有效功率無明顯增大趨勢，與歷史動作曲線差異較大，懷疑閥桿與螺母傳動異常，離合器失效。經隔離檢修，確認離合器故障。更換電動頭后首次開啟閥門，動作曲線如圖2紅色曲線。可見零載荷位置①曲線正常，但開啟過程中運行功率較大，行程時間稍長，懷疑備件長期放置導致機械摩擦較大。后咨詢維修人員，反饋確實有點卡澀，徒手轉動較為困難。經過磨合后逐漸恢復正常，見圖2綠色和藍色曲線。

圖2 電動閥動作曲線診斷分析

3 電磁閥診斷原理研究

電磁閥是用來快速開關流體通路的設備，主要由復位彈簧、電磁線圈、電磁鐵芯以及閥體組成，通過電磁線圈的通斷電來控制閥桿的升降，從而實現閥門快速開關的功能。

3.1 電磁閥診斷原理

電磁閥的診斷主要根據電磁鐵芯在電磁線圈里的相對運動來實現。通過配電抽屜內的SIPLUG測量得到線圈電流、直流電壓和閥門的開關信號。其原理基于電磁線圈在通直流電的情況下呈感性電路的特性，等效電路如圖3(a)所示：

圖3 (a) 電磁線圈等效電路 (b)電磁閥動作原理圖

當閉合開關K該電路導通，由于電感L的存在會產生一個反電勢εL，由此可建立方程ε+εL=IR。其中，即，通過微分方程求解得到，由此可知該感性電路在加載電壓后，電流跟時間和電感系數有關。在電感不變情況下電流隨時間呈逐漸增大的趨勢，如圖3(b)紅色曲線所示；當插入電磁鐵芯時線圈電感系數L變大，對電流的阻礙作用也變大，導致線圈電流減小，如圖3(b)藍色曲線所示。

3.2 電磁閥曲線評估

ADAM基于上述原理，建立了電磁閥電流特征曲線的算法模型，軟件自動識別電磁閥動作的起始點和終點并顯示相應的特征值，圖4為電磁閥的典型電流曲線。其中，tE為電磁閥芯動作結束時刻；tB為電磁閥開始動作時刻，表示通電過后經過tB段閥芯才開始動作；tF為tE與tB之差，表示閥芯真正的動作時間；IB為電磁閥芯開始動作時的線圈電流大?。籌E為電磁閥動作結束時刻線圈電流大小。電磁閥實際運行過程中，線圈的溫度變化、電壓波動、閥門動作迅速等可能會造成電流曲線不太容易識別動作起始點，這時需借助電感系數L(t)曲線來識別。

圖4 電磁閥典型電流曲線

3.3 電感系數L(t)的計算

針對電磁線圈通電電路，考慮因電磁閥鐵芯移動導致通電線圈電感發生變化的過程，建立如下電路方程：，其中Φ=IL，所以，即（1），其中U(t)、I(t)通過SIPLUG測量獲取，dI/dt由I(t)計算得到，R已知。只有L(t)、dI/dt未知。所以式（1）是關于L(t)的微分方程，ADAM軟件通過解該微分方程得到L(t)。

圖5是電磁閥通電加載狀態下的曲線，由于動作時間極短，電流曲線無法準確識別電磁閥動作時刻，這時借助L(t)曲線就可清晰識別，即最低點動作開始、最高點動作結束。通過電磁閥的電壓、電流及電感曲線評估可發現電磁閥的故障缺陷，如電磁閥觸發未動作、加載電壓不足、閥芯摩擦加劇、閥門通路存在障礙物等。

圖5 電磁閥通電加載時的電流和電感變化曲線

綜上，目前國內閥門維護主要采用預防性維修和故障維修的策略，閥門出現故障后進行離線測試診斷是主流做法。這種策略和做法比較成熟、偏于保守，容易出現盲目維修，增加運營成本；且無法在設備故障早期發現潛在缺陷，以至于錯過合適的維修窗口導致機組降級等。本文研究的在線監測與診斷系統設計理念先進、技術成熟，兼具在線監測和故障診斷兩大功能，不僅能實現閥門運行動態實時監測、趨勢分析，而且實現閥門機械特性診斷評估，幫助設備工程師及時發現閥門潛在故障，具有較強的實踐應用及推廣價值。同時，經過EPR項目的消化吸收積累了大量的數據和經驗，掌握了系統的運用和診斷，有助于閥門在線監測與診斷技術在國內其他項目的推廣使用，推動閥門診斷行業的技術革新。