熱工實驗系統智能化閥門的現狀及應用

王運生 祝 文 袁 凱 肖林海 馬新光 田雪蓮 段水強

（中國核動力研究設計院，成都 610000）

隨著經濟社會的不斷發展和全球工業生產規模的不斷擴大，智能化技術的水平不斷提高[1]，已在人工智能與信息技術等領域取得了重大突破。在智能產品的應用層面上，智能語音識別、人工智能（Artificial Intelligence，AI）識物、無人機、無人駕駛以及專家診斷系統等，在多個工業領域均有成功應用的案例，促使我國制造業逐漸進入萬物互聯與AI控制的新時代。為抓住新一輪科技革命的發展先機，我國相繼提出了工業4.0與《中國制造2025》等重大戰略。

熱工實驗系統與石油化工、電廠鍋爐蒸汽等管道輸送系統類似，需要在復雜的工況變化過程中維持系統穩定運行。例如，回路系統中介質流量的調節和截斷，是通過龐大而復雜的閥門系統完成的。人工控制方式受限于操作員的經驗，存在很大主觀隨意性與不穩定性，效率較低，且存在人為失誤的風險較高。因此，閥門的智能化控制尤為重要，有利于迅速精準地調節和控制實驗系統回路中介質的流量、壓力及溫度等關鍵參數，提升系統工作安全性與可靠性，大幅降低系統運行的人工成本。可見，在熱工實驗系統中應用智能化閥門控制技術可更好地保障實驗安全和系統的穩定運行，提高科研工作效率，具有重要的實踐意義。

1 電動智能化閥門的技術發展

1.1 電動智能化閥門的技術發展現狀

世界發達國家對電動智能化閥門的研發起步較早，并已廣泛應用于相關領域。電動智能化閥門的最大特點是具備智能化的電動執行機構。圖1為英國ROTOKR（羅托克）公司的電動執行機構。隨著計算機、微電子、數字化以及機電一體化等技術的發展，最核心的部件閥門控制器不僅能夠兼容各類執行機構，而且智能化與數字化程度越來越高，使得電動智能化閥門的功能日趨完善。英國ROTOKR（羅托克）公司、德國SIEMENS（西門子）公司以及美國KEYSTONE與VALTEK公司等生產的電動智能化閥門，技術先進，功能完善，質量可靠，在國際市場享有良好的聲譽[2]。

隨著我國改革開放的不斷深入，大量先進技術融入各個領域，快速縮短了各領域相關技術與發達國家的差距。目前，國產電動智能化閥門已基本滿足國內工業需求，但尚不能達到國際先進水平[3]。尤其在核電領域，國產閥門距世界一線品牌仍存在較大差距。我國核島內執行安全功能的諸多閥門嚴重依賴進口，主要原因是電動智能化閥門所用行程開關、力矩開關及控制器等重要配件技術相對落后，電動執行機構與閥體的一體化匹配效果不佳。目前，揚州電力設備修造廠有限公司、重慶川儀自動化股份有限公司及常州電站輔機總廠有限公司等生產的電動執行機構在國內處于行業領先地位。

1.2 電動智能化閥門的特點

1.2.1 微處理器控制信號

電動執行機構控制器通常根據控制系統中微處理器發出的控制信號驅動閥門，不僅能根據熱工實驗中壓力、溫度以及流量等熱工參數的需求精確調節閥門，還能夠通過遠程操作方式在不需要打開閥門密封外殼的情況下直接調節彈簧力矩值的大小，大大提高了人機效率[4]。

1.2.2 故障診斷的智能化

電動智能化閥門具有完善的故障自診斷功能。在閥門的電動執行機構上安裝傳感器，可以診斷電動智能化閥門出現的故障。當發現控制指令與執行情況不符合或閥門發生故障時，可迅速識別并向主控系統報警或者立即關停閥門電機[5]。

1.2.3 智能化監測和數據存儲

智能化監測和數據存儲可在線監測電動智能化閥門、管道系統內流體的運行狀態，判斷閥門是否處于正常工作狀態。電動智能化閥門能夠收集正常運行和故障狀態下的數據，并傳輸給上位機進行存儲和分析。

1.2.4 執行機構與閥門的一體化

執行機構與閥門的一體化主要包括電動執行機構和閥門本體的設計與制造一體化。通過一體化結構可大大簡化控制系統的設計、生產、安裝、操作和維護等，也可減少因信號在傳輸中的泄露和干擾等因素影響系統的情況發生，提高了電動智能化閥門的可靠性。

2 熱工實驗系統

熱工實驗裝置通常由主系統、輔助系統、電氣系統和儀控系統構成。根據設計要求，它可開展一些溫度和壓力科研實驗。其中：主系統用于提供熱工實驗所需的特定熱工水力環境，主要包含主循環泵、各種規格參數的電動閥門以及流量測量裝置等；輔助系統是維持主系統正常穩定運行的實驗系統，主要由專用安全設備、過濾設備、補水設備以及設備冷卻換熱器等組成，保障主系統的穩定與安全；電氣系統主要負責整個熱工水力實驗裝置的配送電，可為各類實驗設備提供所需規格參數的電力。主系統、輔助系統和電氣系統可以布置各種類型的傳感器連入儀控系統，用于監測和記錄熱工實驗中需要關注的溫度、壓力、流量以及振動等主要參數，并向電氣系統發出控制指令，以實現對各類設備的遠程驅動控制。熱工實驗系統的運行流程圖如圖2所示。

圖2 熱工實驗系統運行流程圖

目前，大多數熱工水力實驗裝置使用了各類電動閥門。系統常用電動智能化閥門的功能和作用見表1，電動智能化閥門現場安裝圖見圖3。

圖3 電動智能化閥門現場安裝圖

表1 熱工實驗系統常用電動智能化閥門的功能作用

根據電動智能化閥門在熱工實驗系統中使用位置與功能的不同，電動智能化閥門主要包括以下兩個類型。

第一類，通過行程開關控制閥門電機、力矩開關進行保護的工作方式。行程開關和力矩開關一般安裝在電動執行機構，并不是從閥門軸上直接獲取原始數據，所以閥位的指示值與實際閥位值存在誤差，會降低閥門的控制精度。此類閥門多用于輔助系統等次要系統。

第二類，智能型電動執行器的電動閥。它的優點在于方便遙控設置閥門的運行參數而無須打開密封外殼，并具有豐富的在線顯示功能。隨著電動智能化閥門執行機構的智能化水平不斷提高，利用現場總線通信協議技術可減少現場所用輔助設備和信號轉換過程中的損失，為電動智能化閥門執行機構的運行提供便利的通信方式。此類閥門多用于主系統等重要系統。

根據目前熱工實驗系統布置使用電動智能化閥門的特點和實驗運行方式，結合熱工實驗工況多、研究性強的特點，經過長期科研實驗總結了其主要存在的不足。第一，實驗回路電動智能化閥門種類較多，與早期建設的熱工實驗系統的實驗裝置使用的電動智能化閥門相比，并不具備智能化模塊，只能通過行程開關控制閥門電機進行操作，因此有必要改造仍具有開展科研需求的熱工實驗系統中實驗裝置的電動智能化閥門。第二，實驗過程中，電動智能化閥門自檢出故障或問題后，不能及時進行相應調整和排除故障，仍需要閥門供貨廠家到現場查找故障原因并處理問題，耗時耗力。第三，熱工實驗長時間運行值班過程中，電動智能化閥門不能實現自動控制，也不能自動調節熱工工況中流量等主要參數，無人化和少人化值守水平較低。第四，實驗控制系統尚未編輯系統參數的上層邏輯，各個電動智能化閥門間未能實現信息互通，無法相互判斷閥門的實時狀態和動作。

3 結語

結合電動智能化閥門的現狀，建議后續可以從以下3個方面完善熱工實驗系統中電動智能化閥門的智能化水平。

第一，智能化閥門的改造。更換早期建設的熱工實驗系統中實驗裝置不具備智能化模塊的電動智能化閥門，同時針對核電領域閥門應用的安全要求，提升國產閥門傳感器的耐輻照、耐高溫等性能，使其具備良好的指示精度和可靠性，擴大電動智能化閥門在熱工實驗領域的應用程度和范圍。

第二，完善并應用電動智能化閥門數據庫。使用過程中應注重電動智能化閥門數據庫的建立和完善。電動智能化閥門數據庫的數據主要包括閥門自身的狀態與工作數據和管道流體介質在不同工況下的重要熱工數據。利用閥門狀態和工作數據開展閥門故障分析研究，可以檢測電動智能化閥門的在線狀態，從而排除常見故障，存儲并分析管道和系統的熱工數據。超過預設差值的熱工參數時，可及時向控制系統發出預警或自動調整。

第三，建立電動智能化閥門間信息的互通互聯。熱工實驗系統中閥門眾多，功能和作用也不同。為實現在長時間實驗過程中無人值守作業和高度自動化等目的，可以分單元、分步驟以及分階段地逐步完善熱工實驗智能化閥門間互通互聯的功能。目前，熱工水力常用的實驗控制只是基于數學模型和邏輯程序開展的，實驗過程中仍然需要人工依靠經驗和專業知識進行判斷、分析和決策。實現電動智能化閥門間的信息共享會使整個系統具備判斷和決策能力，進而按照人的思維模式發布實驗程序和操作規程命令，從而在實驗任務要求的范圍內主動作業。