AP1000核電站閥門氣動執行機構應用分析

張輝

摘 要：為滿足自動控制系統越來越高的標準要求，氣動執行機構已經有較大改進。本文結合應用經驗對AP1000核電站所采用的閥門氣動執行機構主要結構原理、附屬儀表裝置結構工作原理進行了總結分析，同時分析了實際使用過程中需要注意的關鍵問題，從而為國內核電廠氣動執行機構的推廣、使用、檢修提供參考價值。

關鍵詞：氣動執行機構；閥門；手輪；過濾減壓閥；流量放大器；電氣轉換器；行程開關；智能定位器

1 引言

執行機構是工業領域自動化控制過程中的執行元件，是自動調節系統中一個重要的環節[1]。在核電站、常規電廠系統回路中，工作介質的流動主要是由泵和閥門來控制的，流量大小的控制則是通過對閥門及其相連接的執行機構的調節來實現的。由于執行機構可以連續并較為精確地調節流量，能實現閥門的遠程操作和控制，滿足現場的需要，有助于提高工作效率和故障處理的響應時間，因而被核電廠廣泛用來調節介質的流量和壓力、維持容器水位的穩定、調節電廠負荷以及安全相關操作等方面。

為滿足核電廠生產過程對特殊調節對象的要求，執行機構裝配有相關附屬裝置。為了改善執行機構的靜態和動態特性，需要配備相關的儀表設備，包括配備閥門定位器、氣動儀表、電動儀表等；當氣動執行機構的氣源中斷時，為不使調節閥的工作壓力喪失，需要配置氣動保位閥來實現調節閥行程的自鎖功能；為了使電動儀表可用于氣動執行機構，需要配置電氣轉換器、反饋信號等，以便于將電流信號轉換成氣壓信號等。

核電站存在著大量的閥門電動執行機構和氣動執行機構，本文結合核電廠實踐經驗，對某核電廠閥門的氣動執行機構原理和應用進行了分析，對檢修過程中需要關注的問題進行了總結。

2 核電廠閥門氣動執行機構原理

2.1 主要結構原理

AP1000核電廠常用閥門的氣動執行機構（FISHER）主要由氣動頭隔膜、密封腔室、氣動頭彈簧、手輪等組成。氣動執行機構的主要部件特點和功能分析總結如下。

氣動頭隔膜是執行機構的承壓部件，其功能原理是利用氣壓與彈簧之間的作用力差驅動閥桿向上或者向下運動，在密封腔室內設置有限位用的螺釘或者限位板，以確保隔膜板在密封腔室中的行程在閥門的設計行程之內。

氣動頭彈簧是氣動閥門的驅動力部件，根據通入密封腔室內的壓縮空氣量來驅動彈簧，即：通過氣動壓力克服彈簧力來開、關閥門，當失去壓縮空氣時，彈簧力迫使閥門返回原來位置。實際工作發現：氣動頭彈簧的性能決定了氣動執行機構調節質量的好壞，在核電廠安裝、檢修此類型設備時，機務專業人員必須按照規程要求設定好彈簧的預緊力，使其具有足夠的彈性和靈敏度。

手輪結構是執行機構中重要的組成部分，其目的是為了提高運行操作的可靠性，提高氣動閥門在失去控制氣源后的應變能力，相當于冗余安全措施。

2.2 執行機構附屬儀表裝置

執行機構的附屬裝置主要包括：過濾器減壓閥、流量放大器、電氣轉換器、電磁閥、鎖氣器、行程開關、定位器等儀表設備。

2.2.1 過濾減壓閥

過濾減壓閥是一種對氣源進行過濾和減壓的系統裝置，同時將氣源供給給電氣轉換器、定位器、流量放大器、鎖氣器等部件，提供工作所需的壓力。

2.2.2 流量放大器

流量放大器位于閥門控制的最后一級，其功能是保持定位器的輸出壓力大小不變。放大流量可以使閥門控制速度加快，這種情況一般適用于大尺寸的氣動閥門或要求系統響應速度快的閥門。

2.2.3 電氣轉換器

電氣轉換器的作用是將4.0～20.0mA信號轉換成0.2～1.0bar的壓力信號，并提供給定位器。

2.2.4 電磁閥

電磁閥所起的作用根據閥門類型不同而有所不同。對于氣動調節閥門，電磁閥在氣路中主要起保護作用，它一般安裝在氣路末端，正常工作時有帶電或不帶電兩種狀態（根據實際情況），氣動頭進氣由定位器控制，故障時電磁閥失電或帶電，以保證閥門處于全開或全關狀態；對于開關閥，電磁閥起開關閥門作用，帶電時閥門關閉或開啟，失電時閥門開啟或關閉。

2.2.5 鎖氣器

鎖氣器功能是：當供氣氣源失去時，可以保證將閥門鎖死在原位置不動。

2.2.6 行程開關

行程開關用于監測閥門的開關狀態，并輸出邏輯信號。行程開關有兩種類型可供選擇：轉動臂式行程開關和直壓式行程開關。

2.2.7 閥門定位器

閥門定位器的作用是調整閥門的開度與輸入信號相對應，定位器接受4.0-20.0mA的電流信號，并輸出壓力信號，其核心部件是中央處理單元（CPU），輔助部件是機械和氣動部件。

3 氣動執行機構使用經驗

3.1 手輪使用經驗

手輪機構是一種安全裝置，正常運行或執行機構無故障時不采用手輪機構，為此必須檢查手輪機構的傳動是否良好，并注意防銹和必要的潤滑。

3.2 過濾減壓閥使用經驗

過濾減壓閥主要是對氣源進行過濾和減壓，在檢驗和維修中需要重點注意：

（1）檢查是否存在由于頂針氧化或長期工作摩擦變形而導致的減壓閥小孔漏氣現象；

（2）檢查過濾減壓閥下方排污口是否存在漏氣現象；

（3）檢查減壓閥本體是否存在漏氣現象。

3.3 流量放大器使用經驗

流量放大器主要任務是調整，調整要兼顧閥門開關時間和閥門穩定性的要求。在進行調整時，需要反復進行試驗，使放大器工作在最佳狀態，確保閥門開關時間的穩定性和無振蕩性。流量放大器常見故障總結如下：

（1）流量放大器調整過弱，導致閥門開關時間不佳；

（2）流量放大器調整過強，導致閥門振蕩；

（3）因流量放大器備件質量問題導致閥門邊緣漏氣；

（4）流量放大器下方堵頭漏氣；

（5）因過濾減壓閥壓力設定太小，導致閥門開關超時。

3.4 電氣轉換器使用經驗

電氣轉換器的主要操作是進行零點和量程調整。需要反復進行調整，確保零點位置的準確，確保滿量程輸出氣壓在合格范圍內，除此之外，還應進行線性檢查。

3.5 行程開關使用經驗

需要對行程開關進行反復調整，使其行程在要求的范圍內，調整使用經驗如下：（1）對于行程比較大的閥門，行程開關的動作值要求為其全行程的5%，對于行程比較小的閥門，要求行程開關動作后，閥門還能移動3～5毫米，因此，需要考慮不同的閥門行程要求來進行合理的調整；（2）在調整直壓式行程開關時，必須保證觸點對準閥桿檔塊上的調整螺絲螺帽，閥桿開關到位后，行程開關的觸點可以回移0.5cm左右，以保證檔塊不會將行程開關的觸點壓死；（3）對于轉動擺臂式行程開關，需保證轉輪能完全觸及擋板，并有一定的裕度；（4）確保無其他設備（如：電纜等）影響開關觸點的正常動作，行程開關及其安裝板不能接觸影響閥桿正常移動；（5）檢查并驗證上行和下行兩點反饋信號是否準確。

3.6 定位器使用經驗總結

閥門定位器所遇到的故障可能有：（1）定位器反饋臂掛蹭螺絲或安裝支架；（2）反饋臂固定螺絲松動；（3）噴嘴固定螺絲松動；（4）使用壓力表量程不合格；（5）反饋臂脫落；（6）凸輪裝反（對于新備件）。

4 結語

執行機構是電廠熱工控制中重要的元器件，主要有氣動、電動和液動三種形式的執行機構。在核電廠，對于環境溫度較高、工作在危險區域或力矩較大的被控對象，一般選用氣動執行機構；對于要求自調品質高的被控對象，一般選用電動執行機構；對于要求動作速度較快的被控對象，可選用液動執行機構。本文結合工作經驗對AP1000核電廠用氣動執行機構主要結構和功能原理進行描述，總結了應用和檢修經驗。

參考文獻：

[1]孫冰恒.雙作用式開關閥控氣動閥門定位器控制研究[D].哈爾濱工業大學，2008：1-10.

[2]朱樂堯，翟歡樂.閥門核級氣動執行機構抗震分析[J].閥門，2012（06）：25-28.

[3]EJ/T 531-2001，核電廠安全級閥門驅動裝置的鑒定[S].

[4]余于仿.核級閥門執行機構自主化現狀及建議[J].通用機械，2010（06）：24-27.

[5]EJ/T 1022.12-96，壓水堆核電廠閥門氣動裝置[S].

[6]藍麗輝.閥門氣動執行機構的分析[J].閥門，2011（04）：28-30.

[7]尚雪蓮.核電站用氣動調節閥的選型與應用問題探究[J].自動化儀表，2012（05）：38-42.