新型調(diào)節(jié)閥位置反饋裝置的開發(fā)與應(yīng)用

□胡海波

一、引言

位置反饋裝置是電動調(diào)節(jié)閥重要組成部分，其主要功能是將閥門機械開度以要求的模擬量反饋至控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)閥的開度反饋除了告知機組操作員當(dāng)前閥位實際開度之外，還有可能參與系統(tǒng)的相關(guān)保護(hù)或控制。俄羅斯電動調(diào)節(jié)閥電動頭內(nèi)的位置反饋裝置可靠性低，機組運行期間缺陷頻繁，這些缺陷造成了電動調(diào)節(jié)閥無法正常運行，進(jìn)而影響系統(tǒng)和機組的穩(wěn)定性。

在總結(jié)整理俄供的位置反饋裝置存在問題及實際工況需求的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一套新型調(diào)節(jié)閥位置反饋裝置，根據(jù)行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定了型式試驗的要求，并安裝到現(xiàn)場進(jìn)行了功能驗證。

二、俄供位置反饋裝置存在的問題

電動調(diào)節(jié)閥位置反饋裝置主要原理是將電動頭的輸出角度通過減速齒輪或直接傳遞至位置反饋裝置，位置反饋裝置利用類多普勒曲面的凸輪和杠桿將角位移轉(zhuǎn)化成位置反饋模塊中差動變壓器鐵芯的線性位移，反饋裝置控制板上的差動變壓器，將位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)后級V/I轉(zhuǎn)換電路輸出反饋電流信號。

此類型位置反饋裝置的設(shè)計存在一定的缺陷，主要是以下幾種。

(一)輸出值突變。俄供位置反饋模塊抗干擾能力差，設(shè)備周圍有電焊施工之類較大電磁場影響下，其輸出的4～20mA電流可能出現(xiàn)突變。位置反饋模塊在使用一段時間后，輸出電流也有可能出現(xiàn)不明原因突變的情況。

(二)模擬量輸出突然消失。俄供位置反饋模塊在使用一段時間后，容易出現(xiàn)開度突然消失的缺陷，造成主控OM畫面失去開度顯示，并有可能造成控制系統(tǒng)連鎖反應(yīng)。

(三)調(diào)節(jié)區(qū)間變化。俄供位置反饋模塊在使用一段時間后，因凸輪材質(zhì)不耐磨造成凸輪表面磨損，同樣位置的模擬量輸出出現(xiàn)變化，引發(fā)調(diào)節(jié)閥的開度反饋整體變化。

(四)制造工藝粗糙，尺寸精度低。俄供位置反饋模塊限位反饋凸輪及開度反饋凸輪制造工藝粗糙，裝配尺寸精度控制低，轉(zhuǎn)動部件的軸向固定及傳動嚙合不佳，在振動較高的工況下容易出現(xiàn)傳動失效、輸出線性不佳等缺陷。

三、新型位置反饋裝置的設(shè)計制造

(一)整體設(shè)計思路。根據(jù)電子行業(yè)內(nèi)對角位移測量的成熟技術(shù)，設(shè)計一種全新的位置反饋裝置主框架如圖1所示。

圖1 整體功能流程框架

其中，機械限位單元主要由機械固定接口、框架、傳動軸、凸輪、微動開關(guān)等組成，完成裝置的固定、機械傳動、設(shè)定開關(guān)限位的觸發(fā)、限位信號的傳送；傳感器完成機械轉(zhuǎn)動角度信號到SER信號的轉(zhuǎn)換；電控單元主要完成角度信號的采集、處理及轉(zhuǎn)換，最終輸出4～20mA電流信號。

(二)工作原理設(shè)計。閥門位置反饋裝置與電動調(diào)節(jié)閥同軸安裝，4個微動開關(guān)可標(biāo)定閥門開關(guān)限位點，同時機械限位單元將輸出軸的轉(zhuǎn)動角度信息傳送至傳感器，傳感器將機械轉(zhuǎn)動角度信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號，由電控裝置將電信號最終轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號輸出。

閥門位置反饋裝置安裝到電動調(diào)節(jié)閥上使用時，需要對凸輪位置及對應(yīng)的電流信號4～20mA進(jìn)行調(diào)整校準(zhǔn)。將位置反饋裝置安裝到電動調(diào)節(jié)閥上以后，調(diào)整閥門至全關(guān)狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)動關(guān)限位對應(yīng)的凸輪至剛好觸發(fā)關(guān)限位微動開關(guān)的位置，傳感器輸出位置信號，并通過電控單元調(diào)整此時的電流輸出為4mA；反向調(diào)整閥門至全開狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)動開限位對應(yīng)的凸輪至剛好觸發(fā)開限位微動開關(guān)的位置，傳感器輸出另一位置信號，并通過電控單元調(diào)整此時的輸出電流為20mA；電控單元經(jīng)過特定的邏輯處理，將閥門的角度位置轉(zhuǎn)換成4～20mA電流值。

四、型式試驗要求

根據(jù)電子產(chǎn)品常用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容中對工業(yè)電子設(shè)備的要求，綜合考慮現(xiàn)場運行時可能遇到的工況，確認(rèn)新型位置反饋裝置需進(jìn)行性能試驗(包括電壓突變影響、電壓短時消失影響等)、電磁抗干擾試驗。

根據(jù)閥門相關(guān)常用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容中對安全級閥門要求，篩選部件功能參與整機試驗重要部分的各類試驗，參考1E/K3級閥門鑒定試驗要求，確認(rèn)新型位置反饋裝置需進(jìn)行熱老化試驗、循環(huán)老化試驗、濕熱老化試驗、機械振動試驗、地震模擬試驗，這部分試驗需安裝到電動頭內(nèi)進(jìn)行。

(一)性能試驗。按照已經(jīng)指定的技術(shù)要求，新型位置反饋裝置必須完成相應(yīng)的試驗，其結(jié)果能夠滿足技術(shù)參數(shù)所要求的范圍。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)參考GB/T 3797-2005(電氣控制設(shè)備)完成電壓突變及短時消失情況下的性能鑒定。

(二)電磁抗干擾試驗。電磁抗干擾試驗相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有IEC 61000：2000(Electromagnetic Compatibility (EMC))、GB/T17626-2006(電磁兼容)，因兩個標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容接近一致，此項試驗可依據(jù)GB/T17626-2006(電磁兼容)進(jìn)行。

(三)熱老化試驗。與閥門熱老化試驗相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有：EJ/T1022.11-96、IEEE std 382-1996、NB/T 20093-2012、GB/T 12727-2002(核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定)、IEEE Std 101-1987(Guide for the Statistical Analysis of Thermal Life Test Date)。分析認(rèn)為IEEE std 382-1996標(biāo)準(zhǔn)中的Part-Ⅲ—Tests部分2. Normal thermal aging test中對熱老化試驗進(jìn)行了詳細(xì)描述，標(biāo)準(zhǔn)附錄C中對試驗的溫度及變化要求進(jìn)行了詳細(xì)的描述和要求。較為適用新型位置反饋裝置的熱老化試驗。

(四)循環(huán)老化試驗。與閥門循環(huán)老化試驗相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有：EJ/T 1022.11-96、NB/T 20093-2012。EJ/T 1022.11-96標(biāo)準(zhǔn)中6.6.1機械磨損老化試驗中對循環(huán)老化試驗進(jìn)行了較為簡單的內(nèi)容描述，僅要求電動裝置在加載情況下進(jìn)行2,000次循環(huán)。NB/T 20093-2012標(biāo)準(zhǔn)中12循環(huán)老化試驗對試驗進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并對開關(guān)型、調(diào)節(jié)型電動裝置進(jìn)行了區(qū)分。

綜上所述，確認(rèn)新型位置反饋裝置應(yīng)按照NB/T 20093-2012標(biāo)準(zhǔn)對調(diào)節(jié)型電動裝置進(jìn)行循環(huán)老化試驗。

(五)濕熱老化試驗。對濕熱老化試驗有要求的標(biāo)準(zhǔn)主要有NB/T20079-2012和GB/T 2423.4(電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試驗：交變濕熱試驗方法)，其中NB/T 20079-2012標(biāo)準(zhǔn)僅對電動頭執(zhí)行濕熱老化的步驟進(jìn)行描述，未對試驗條件進(jìn)行描述，且其試驗結(jié)果主要針對電動頭。而GB/T 2423.4對濕熱老化試驗的條件更適用于電動頭電工電子部分，標(biāo)準(zhǔn)中對試驗方法、試驗條件進(jìn)行了詳細(xì)的描述，適用于此位置反饋裝置。

(六)機械振動試驗。與閥門振動試驗相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：EJ/T1022.11-96、IEEE std 382-1996、NB/T 20093-2012、NB/T20079-2012、GB/T2423.10-2008。分析討論得出GB/T 2423.10-2008是針對電子產(chǎn)品抗振動試驗，內(nèi)容包括了各類型振動的分類試驗方法及驗收標(biāo)準(zhǔn)，比較適用于電子產(chǎn)品的振動試驗。

(七)地震模擬試驗。與閥門地震模擬試驗相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：OTT-87、EJ/T1022.11-96、IEEE std 382-1996、NB/T 20093-2012、NB/T20079-2012，分析討論得出NB/T 20093-2012標(biāo)準(zhǔn)的15地震模擬試驗中對試驗的目的、準(zhǔn)備及試驗過程進(jìn)行了描述，在附錄C(標(biāo)準(zhǔn)中是附錄B，有誤)中對原理進(jìn)行了描述。試驗的技術(shù)內(nèi)容與IEEE std 382-1996相同，選取的技術(shù)參數(shù)及包絡(luò)圖也一致，試驗參數(shù)較完整，標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)高于其他標(biāo)準(zhǔn)，適用于此新型位置反饋裝置的地震模擬試驗。

五、安裝功能試驗

新型調(diào)節(jié)閥位置反饋裝置已在電廠安裝使用，在完整的實現(xiàn)原俄供位置反饋裝置功能的基礎(chǔ)上，憑借其優(yōu)越的性能，徹底解決俄供電動調(diào)節(jié)閥開度異常波動、漂移等情況，并減少調(diào)試所需時間。

為了進(jìn)一步驗證新型位置反饋裝置性能，選取了電廠最高環(huán)境問題、最高振動水平、使用頻率最高三種工況進(jìn)行了安裝試驗。經(jīng)過一個大修周期的驗證，這些位置反饋裝置實現(xiàn)了既定功能，并未表現(xiàn)出任何性能降質(zhì)或缺陷的情況。截至目前，這些惡劣工況下的新型位置反饋裝置已穩(wěn)定運行兩個大修周期，尚未出現(xiàn)任何缺陷。

綜上，新型調(diào)節(jié)閥位置反饋裝置在完整的實現(xiàn)原俄供位置反饋裝置功能的基礎(chǔ)上，其優(yōu)越的性能，徹底解決俄供電動調(diào)節(jié)閥開度異常波動、漂移等情況，消除了俄供位置反饋裝置故障頻發(fā)的缺陷，減少調(diào)試所需時間。

六、結(jié)語

VVER核電機組大量安裝使用俄供位置反饋裝置，這些位置反饋裝置可靠性低，備件更換較為頻繁，因結(jié)構(gòu)及接口與國內(nèi)其他電動調(diào)節(jié)閥電動頭存在較大區(qū)別，歷史上只能依靠進(jìn)口備件使用。通過科研活動，研發(fā)出一套國產(chǎn)的位置反饋裝置，成功解決了設(shè)備可靠性低的問題，并擺脫了對俄供設(shè)備的依賴，降低了備件采購成本。

本項目的研究成果在生產(chǎn)中已成功應(yīng)用，完整地實現(xiàn)原設(shè)備功能的同時，減少了設(shè)備故障次數(shù)，根本上解決了實際問題，提高了核電站電動調(diào)節(jié)閥運行可靠性，保證了電站安全穩(wěn)定運行。