主蒸汽隔離閥安全檢測系統的設計與分析

洪曉卿，肖磊全

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

隨著科學技術的進步，以及工業生產設備的不斷完善，工業安全系統的地位愈加突出，在現代工業生產中，安全保障設備已經成為工業設施中必不可少的一部分。而主蒸汽隔離閥（如圖1所示）作為電力蒸汽系統中的安全保障設備，其安全可靠性的重要程度不言而喻。

圖1 主蒸汽隔離閥Fig.1 Main steam isolation valve

主蒸汽隔離閥是蒸汽主要管路上的安全保障閥門，連接著蒸汽發生器以及蒸汽輪機裝置。當主蒸汽隔離閥的下游管道或者設備發生故障時，主蒸汽隔離閥的及時關閉，能夠從源頭阻斷下游蒸汽的噴發，減少蒸汽對下游設備的損害以及有害物質的產生，為設備恢復的即時搶修提供了一個安全環境。為保障主蒸汽隔離閥的工作可靠性，其定時檢修必不可少，但主蒸汽隔離閥的關閉檢修將導致生產作業的停止，檢測成本太高，除每年定期大修期間外，仍需要其他時間做到對其可靠性能的檢測。針對該問題，本文設計了一套基于PLC的主蒸汽隔離閥自動檢測系統，能夠在生產作業不停的情況下，定期對主蒸汽隔離閥的各項功能做出檢測。

同時考慮到，近年來關于主蒸汽隔離閥的研究不少，參考文獻[1][2]對主蒸汽隔離閥基本原理進行了相應介紹，并對相關試驗進行了調試分析；參考文獻[3]簡析了主蒸汽隔離閥技術突破的難點；參考文獻[4][5][6][7]對主蒸汽隔離閥運行時出現的問題進行了分析，并提出了改進措施；參考文獻[8][9][10]針對主蒸汽隔離閥的不同性能做了相關措施的優化研究。但上述研究均僅對主蒸汽隔離閥某一方面的問題進行了分析或者優化改進，缺少對主蒸汽隔離閥的整合性系統設計，因此本文提出的安全檢測系統也充分利用了系統集成化的思想，通過自動化的程序，以此實現對主蒸汽隔離閥可靠性檢測的一體化。

1 主蒸汽隔離閥的組成及控制原理

本文使用的主蒸汽隔離閥主要包括3個部分：閥體、執行機構以及液壓控制系統，如圖2所示。其中，閥體一般采用平行閘板式閘閥，閘板（即閥瓣）由閥桿連接，上下移動控制閥門的開度。執行機構主要由3個氮氣貯罐和一個與其相連的液壓缸組成，貯罐中的氮氣相當于一個永不失效的彈簧。正常工作情況下，主蒸汽隔離閥通過排出執行機構中的液壓流體來關閉閥門，通過將液壓流體打入執行機構，克服氮氣壓力和閥桿自重打開閥門。

圖2 主蒸汽隔離閥組成Fig.2 Composition of the main steam isolation valve

主蒸汽隔離閥的液壓控制系統主要包括充油回路、慢開/關系統以及快關系統3個部分。其中，在充油時，所有電磁閥處于斷電狀態，電動泵啟動，通過油泵將油箱中的油充入油管道，始終保證油管道中有足夠使主蒸汽隔離閥關閉的油。

慢開與慢關則分別由電磁閥SV2、SV1主導控制。慢開時，電磁閥SV2帶電開啟，其余電磁閥均保持失電狀態，慢開電磁閥開啟后油泵將油注入主蒸汽隔離閥的下部油缸中，其間注入的油將隔離閥上部回油管路的逆止閥打開，使閥門上部油缸中的油通過電磁閥SV1和其油路中的針閥而回到油箱，閥瓣上升，閥門開啟。慢關時，電磁閥SV1帶電開啟，其余電磁閥均保持失電狀態，慢關電磁閥開啟后油泵將油注入主蒸汽隔離閥的上部油缸中，其間注入的油將隔離閥下部回油管路的逆止閥打開，使閥門下部油缸中的油通過電磁閥SV2和其油路中的針閥而回到油箱，閥瓣下降，閥門關閉。

主蒸汽隔離閥的快關用于緊急情況的快速關閉。為了保證快關裝置的可靠性，本文所用的快關使用了A、B兩個程序單獨控制的通道設計，避免其中一個失效而閥門快關失敗的風險。其中，A組包括SV3/SV4、SV5/SV6兩組共4個電磁閥，每一組組成一條泄油管路；同樣，B組包括SV7/SV8、SV9/SV10兩組共4個電磁閥，每一組也組成一條泄油管路。執行快關時，某一組或者兩組對應的電磁閥全部打開，執行機構通過2500PSI～3000PSI壓力的氮氣，將氣油儲罐中的油迅速壓入主蒸汽隔離閥油缸上部，泄油閥開啟將主蒸汽隔離閥油缸下部油迅速泄入油箱，使主蒸汽隔離閥迅速關閉。

同時需注意，閥門程序執行快關動作之后，若要重新開啟，需要滿足兩個條件：一是對應A/B列的“選擇開關”打回“中間位置”，并在控制柜上將“快關復位開關”復位；二是給主蒸汽隔離閥的油路充油，因為快關后，閥門的油壓很低，不足以保證各項動作的執行油壓，待油壓上升至3000psi左右時，油泵自行關閉，即可重新開啟主蒸汽隔離閥。

主蒸汽隔離閥控制邏輯表見表1。充油時，所有電磁閥均不帶電；慢開時，僅電磁閥SV2帶電；慢關時，僅電磁閥SV1帶電；A列快關時，電磁閥SV3/SV4、SV5/SV6帶電；B列快關時，電磁閥SV7/SV8、SV9/SV10帶電；A、B列快關時，SV3～SV10帶電。

表1 主蒸汽隔離閥控制邏輯表Table 1 Main steam isolation valve control logic table

2 系統的設計

2.1 系統的組成

主蒸汽隔離閥安全檢測系統一共包括3個部分：PLC控制、電磁閥/電動泵執行以及壓力檢測裝置的感知，如圖3所示。檢測程序啟動后，PLC按照指定程序控制電磁閥與電動泵的啟動及關閉，主蒸汽隔離內的油路動作，壓力檢測裝置感知相應油路的壓力，對程序做出反饋，判斷是否運行正常，若不正常則發出警報。

圖3 主蒸汽隔離閥安全檢測系統組成Fig.3 Composition of the main steam isolation valve safety detection system

為了保證主蒸汽隔離閥的各項功能完整，安全檢測系統需囊括3種試驗：后閥座試驗、90%開度試驗以及帶載試驗。其中，后閥座試驗用于檢測閥門油路管線的密封性；90%開度試驗用于檢測閥體機械動作裝置的可用性；帶載試驗用于檢測快關功能的安全性。如圖4所示，程序開始后，依次進行后閥座試驗、90%開度試驗以及帶載試驗，若所有試驗結果良好，則隔離閥狀態完好，否則程序會發出警報，提醒檢修。當然，各試驗也可單獨進行。

圖4 系統程序流程圖Fig.4 System program flow chart

2.2 系統的檢測原理

安全檢測系統包括后閥座試驗、開度試驗以及帶載試驗3個試驗的檢測，除了上述SV1～SV10電磁閥外，還需要用到PS1～PS6共6個壓力檢測儀器。其中，PS1～PS5為油壓檢測裝置，PS6為氮氣壓力檢測裝置，PS1、PS2、PS3、PS4分 別位于SV3/SV4、SV5/SV6、SV7/SV8、SV9/SV10之間，PS5位于貯油罐處。3種試驗檢測方法各不相同，其邏輯表見表2。其中，后閥座試驗僅電磁閥SV2帶電；90%開度試驗，電磁閥SV1、SV2先后帶電；而帶載試驗時，根據試驗的組別不同，SV3/SV4、SV5/SV6、SV7/SV8以 及SV9/SV10在相應試驗組別中帶電開啟。

表2 主蒸汽隔離閥檢測試驗邏輯表Table 2 Main steam isolation valve detection test logic table

1）后閥座試驗

后閥座試驗是為了檢查閥門油路管線密封性而專門設置的試驗。試驗過程中，閥門執行機構和閥門附件都不動作，程序控制油泵啟動，通過油泵啟動提升閥門執行機構內部的壓力環境從而對密封性進行檢驗。若油罐處壓力檢測裝置PS5及氮氣罐壓力檢測裝置PS6壓力指示正常，說明油路密閉性良好。

2）開度試驗

90%開度試驗用于檢測慢開/關的性能是否完備，以及閥體機械裝置動作是否可用。開度試驗如圖5所示，程序控制慢關電磁閥SV1開啟，進行慢關的相應執行動作，油缸上部進油，下部出油，閥門下降，開度減少。當閥門關閉10%時，即當前開度為90%時，停止慢關，啟動慢開，SV1失電，SV2得電，執行慢開的相應控制動作，油缸下部進油，上部出油，閥門上升，開度增加，待閥門完全開啟后，停止慢開。若整個動作過程流暢運行，說明閥體的機械裝置狀態良好。

圖5 開度試驗電磁閥Fig.5 Opening test solenoid valve

3）帶載試驗

帶載試驗用于驗證快關程序中電磁閥及其回路的可用性，共A、B兩列的電磁閥試驗驗證。對于A列電磁閥，如圖6所示。先執行SV3/SV4動作，后執行SV5/SV6動作。正常情況下，SV3電磁閥先關閉，阻止油液的流出，1s后開啟SV4電磁閥，油液從油缸流向泄油管道，此時PS1感知流油的液壓，10s后或者PS1動作后，關閉SV4電磁閥，阻止油缸內油液持續流出，1s后SV3/4帶載試驗結束，打開SV3電磁閥，管道內油液流出；對于另一泄油管道，上一試驗結束2s后關閉SV5電磁閥，阻止油液從該管道流出，1s后打開SV6電磁閥，油液從油缸流向泄油管道，此時PS2感知流油的液壓，10s后或PS2動作后關閉SV6電磁閥，阻止油缸內油液持續流出，1s后SV5/6帶載試驗結束，打開SV5電磁閥，管道內油液流出，A列電磁閥試驗結束。若帶載試驗過程中，相應PS正常動作，說明對應電磁閥工作正常，否則出現問題。

圖6 帶載試驗A列電磁閥Fig.6 Solenoid valve of column A under load test

對于B列電磁閥同樣如此，如圖7所示。執行對象換為SV8/PS3/SV7以及SV10/PS4/SV9，先執行SV7/SV8動作，后執行SV9/SV10動作。正常情況下，SV7先關閉，1s后開啟SV8，10s后或者PS3動作后關SV8，1s后SV7/8帶 載 試 驗 結 束，開SV7；2s后 關SV9，1s后 開SV10，10s或PS4動 作 后 關SV10，1s后SV9/10帶載試驗結束，開SV9，試驗結束。若帶載試驗過程中，相應PS正常動作，說明對應電磁閥工作正常，否則出現問題。

圖7 帶載試驗B列電磁閥Fig.7 Solenoid valve of column B under load test

3 試驗結果

根據如上檢測原理，本文在實際運行中進行了后閥座試驗、90%開度試驗以及帶載試驗的試驗驗證。試驗進行前，保證主蒸汽隔離閥的液壓回路的液壓及氮氣壓力處于正常值范圍內，并且各壓力指示表、電磁閥正常可用。

試驗進行過程中，PS1～PS6動作情況見表3。其中，90%開度試驗不涉及PS指示，表3中不做試驗記載，另用時間指標對其進行檢測考察。后閥座試驗時，PS5與PS6數值在2500～3000范圍內小幅跳動，數值范圍正常，可有效說明系統密封性良好，無漏油、漏氣風險。

表3 PS動作情況表Table 3 PS action table

帶載試驗時，如表3所示，對于A列帶載試驗，關閉SV3，開啟SV4后，PS1指示壓升，后關閉SV4，開啟SV3，PS1壓降，說明電磁閥SV3/SV4能夠正常工作；關閉SV5，開啟SV6后，PS2指示壓升，后關閉SV6，開啟SV5，PS2壓降，說明電磁閥SV5/SV6能夠正常工作，同時也說明A列快關功能完好，工作回路無損壞。對于B列帶載試驗，在表3中，關閉SV7，開啟SV8后，PS3指示壓升，后關閉SV8，開啟SV7，PS3壓降，說明電磁閥SV7/SV8能夠正常工作；關閉SV9，開啟SV10后，PS4指示壓升，后關閉SV10，開啟SV9，PS4壓降，說明電磁閥SV9/SV10能夠正常工作，同時也說明B列快關功能完好，相應工作回路無損壞。

不同電磁閥對應的PS均有明顯動作反應，說明電磁閥工作正常。

同時，本文對90%開度試驗進行了執行時間的記錄，包括90%開度完成時間、閥門全開完成時間以及總時間，試驗總共進行5次，見表4。若閥體工作一切正常，閥門從全開慢關至90%開度的時間應在30s以內，閥門從90%開度重新慢開至全開的執行時間也應在30s以內，考慮到可能存在的延時可能性，總時間應在70s以內完成。根據表4所示，本文完成90%開度執行過程平均用時27.63s，閥門重新動作至全開平均用時27.07s，總平均用時54.70s，均在正常范圍內，說明閥體機械裝置可用性良好，慢開與慢關動作執行均處于正常狀態。

表4 開度試驗執行時間Table 4 Execution time of opening test

上述試驗結果表明，本文所設計的主蒸汽隔離閥安全檢測系統在蒸汽系統工作時，能夠通過程序控制，自動執行后閥座試驗、90%開度試驗以及帶載試驗，并檢測記錄下閥門工作時各試驗的運行參數。且試驗數據說明主蒸汽隔離閥控制系統運行正常，本文所設計的安全檢測系統成功檢測出了閥門的狀態情況，在實際工作中有較好的檢測效果。

4 總結

本文對主蒸汽隔離閥的組成及控制原理做了充分介紹，并針對生產作業不停工時閥門安全性難以檢測的問題，利用系統集成的思想，設計了一套基于PLC控制的主蒸汽隔離閥安全檢測系統。本文通過該安全檢測系統對主蒸汽隔離閥進行了后閥座試驗、90%開度試驗以及帶載試驗，試驗數據表明檢測結果良好，驗證了本系統在工業不停產的情況下對主蒸汽隔離閥安全檢測的可行性與可靠性，為主蒸汽隔離閥的進一步設備優化，提供了可靠的技術支持與儲備。當然，該安全檢測系統在蒸汽回路工作時，僅針對閥門的液壓回路以及電磁閥的性能做了間接測驗，缺少直接測驗，也沒有考慮到PS等傳感儀器失效的情況，存在一定的研究改進空間。