AP1000核電站閥門氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用分析

張輝

摘 要：為滿足自動(dòng)控制系統(tǒng)越來越高的標(biāo)準(zhǔn)要求，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)有較大改進(jìn)。本文結(jié)合應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)對(duì)AP1000核電站所采用的閥門氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)原理、附屬儀表裝置結(jié)構(gòu)工作原理進(jìn)行了總結(jié)分析，同時(shí)分析了實(shí)際使用過程中需要注意的關(guān)鍵問題，從而為國(guó)內(nèi)核電廠氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推廣、使用、檢修提供參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；閥門；手輪；過濾減壓閥；流量放大器；電氣轉(zhuǎn)換器；行程開關(guān)；智能定位器

1 引言

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化控制過程中的執(zhí)行元件，是自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)[1]。在核電站、常規(guī)電廠系統(tǒng)回路中，工作介質(zhì)的流動(dòng)主要是由泵和閥門來控制的，流量大小的控制則是通過對(duì)閥門及其相連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以連續(xù)并較為精確地調(diào)節(jié)流量，能實(shí)現(xiàn)閥門的遠(yuǎn)程操作和控制，滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要，有助于提高工作效率和故障處理的響應(yīng)時(shí)間，因而被核電廠廣泛用來調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量和壓力、維持容器水位的穩(wěn)定、調(diào)節(jié)電廠負(fù)荷以及安全相關(guān)操作等方面。

為滿足核電廠生產(chǎn)過程對(duì)特殊調(diào)節(jié)對(duì)象的要求，執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝配有相關(guān)附屬裝置。為了改善執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，需要配備相關(guān)的儀表設(shè)備，包括配備閥門定位器、氣動(dòng)儀表、電動(dòng)儀表等；當(dāng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣源中斷時(shí)，為不使調(diào)節(jié)閥的工作壓力喪失，需要配置氣動(dòng)保位閥來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥行程的自鎖功能；為了使電動(dòng)儀表可用于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要配置電氣轉(zhuǎn)換器、反饋信號(hào)等，以便于將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣壓信號(hào)等。

核電站存在著大量的閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本文結(jié)合核電廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)某核電廠閥門的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理和應(yīng)用進(jìn)行了分析，對(duì)檢修過程中需要關(guān)注的問題進(jìn)行了總結(jié)。

2 核電廠閥門氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理

2.1 主要結(jié)構(gòu)原理

AP1000核電廠常用閥門的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（FISHER）主要由氣動(dòng)頭隔膜、密封腔室、氣動(dòng)頭彈簧、手輪等組成。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要部件特點(diǎn)和功能分析總結(jié)如下。

氣動(dòng)頭隔膜是執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(qū)動(dòng)閥桿向上或者向下運(yùn)動(dòng)，在密封腔室內(nèi)設(shè)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(shè)計(jì)行程之內(nèi)。

氣動(dòng)頭彈簧是氣動(dòng)閥門的驅(qū)動(dòng)力部件，根據(jù)通入密封腔室內(nèi)的壓縮空氣量來驅(qū)動(dòng)彈簧，即：通過氣動(dòng)壓力克服彈簧力來開、關(guān)閥門，當(dāng)失去壓縮空氣時(shí)，彈簧力迫使閥門返回原來位置。實(shí)際工作發(fā)現(xiàn)：氣動(dòng)頭彈簧的性能決定了氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)質(zhì)量的好壞，在核電廠安裝、檢修此類型設(shè)備時(shí)，機(jī)務(wù)專業(yè)人員必須按照規(guī)程要求設(shè)定好彈簧的預(yù)緊力，使其具有足夠的彈性和靈敏度。

手輪結(jié)構(gòu)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中重要的組成部分，其目的是為了提高運(yùn)行操作的可靠性，提高氣動(dòng)閥門在失去控制氣源后的應(yīng)變能力，相當(dāng)于冗余安全措施。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)附屬儀表裝置

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的附屬裝置主要包括：過濾器減壓閥、流量放大器、電氣轉(zhuǎn)換器、電磁閥、鎖氣器、行程開關(guān)、定位器等儀表設(shè)備。

2.2.1 過濾減壓閥

過濾減壓閥是一種對(duì)氣源進(jìn)行過濾和減壓的系統(tǒng)裝置，同時(shí)將氣源供給給電氣轉(zhuǎn)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(jí)，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(dòng)閥門或要求系統(tǒng)響應(yīng)速度快的閥門。

2.2.3 電氣轉(zhuǎn)換器

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

2.2.4 電磁閥

電磁閥所起的作用根據(jù)閥門類型不同而有所不同。對(duì)于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，電磁閥在氣路中主要起保護(hù)作用，它一般安裝在氣路末端，正常工作時(shí)有帶電或不帶電兩種狀態(tài)（根據(jù)實(shí)際情況），氣動(dòng)頭進(jìn)氣由定位器控制，故障時(shí)電磁閥失電或帶電，以保證閥門處于全開或全關(guān)狀態(tài)；對(duì)于開關(guān)閥，電磁閥起開關(guān)閥門作用，帶電時(shí)閥門關(guān)閉或開啟，失電時(shí)閥門開啟或關(guān)閉。

2.2.5 鎖氣器

鎖氣器功能是：當(dāng)供氣氣源失去時(shí)，可以保證將閥門鎖死在原位置不動(dòng)。

2.2.6 行程開關(guān)

行程開關(guān)用于監(jiān)測(cè)閥門的開關(guān)狀態(tài)，并輸出邏輯信號(hào)。行程開關(guān)有兩種類型可供選擇：轉(zhuǎn)動(dòng)臂式行程開關(guān)和直壓式行程開關(guān)。

2.2.7 閥門定位器

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

3 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用經(jīng)驗(yàn)

3.1 手輪使用經(jīng)驗(yàn)

手輪機(jī)構(gòu)是一種安全裝置，正常運(yùn)行或執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)故障時(shí)不采用手輪機(jī)構(gòu)，為此必須檢查手輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)是否良好，并注意防銹和必要的潤(rùn)滑。

3.2 過濾減壓閥使用經(jīng)驗(yàn)

過濾減壓閥主要是對(duì)氣源進(jìn)行過濾和減壓，在檢驗(yàn)和維修中需要重點(diǎn)注意：

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

（2）檢查過濾減壓閥下方排污口是否存在漏氣現(xiàn)象；

（3）檢查減壓閥本體是否存在漏氣現(xiàn)象。

3.3 流量放大器使用經(jīng)驗(yàn)

流量放大器主要任務(wù)是調(diào)整，調(diào)整要兼顧閥門開關(guān)時(shí)間和閥門穩(wěn)定性的要求。在進(jìn)行調(diào)整時(shí)，需要反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，使放大器工作在最佳狀態(tài)，確保閥門開關(guān)時(shí)間的穩(wěn)定性和無(wú)振蕩性。流量放大器常見故障總結(jié)如下：

（1）流量放大器調(diào)整過弱，導(dǎo)致閥門開關(guān)時(shí)間不佳；

（2）流量放大器調(diào)整過強(qiáng)，導(dǎo)致閥門振蕩；

（3）因流量放大器備件質(zhì)量問題導(dǎo)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(shè)定太小，導(dǎo)致閥門開關(guān)超時(shí)。

3.4 電氣轉(zhuǎn)換器使用經(jīng)驗(yàn)

電氣轉(zhuǎn)換器的主要操作是進(jìn)行零點(diǎn)和量程調(diào)整。需要反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，確保零點(diǎn)位置的準(zhǔn)確，確保滿量程輸出氣壓在合格范圍內(nèi)，除此之外，還應(yīng)進(jìn)行線性檢查。

3.5 行程開關(guān)使用經(jīng)驗(yàn)

需要對(duì)行程開關(guān)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，使其行程在要求的范圍內(nèi)，調(diào)整使用經(jīng)驗(yàn)如下：（1）對(duì)于行程比較大的閥門，行程開關(guān)的動(dòng)作值要求為其全行程的5%，對(duì)于行程比較小的閥門，要求行程開關(guān)動(dòng)作后，閥門還能移動(dòng)3～5毫米，因此，需要考慮不同的閥門行程要求來進(jìn)行合理的調(diào)整；（2）在調(diào)整直壓式行程開關(guān)時(shí)，必須保證觸點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)閥桿檔塊上的調(diào)整螺絲螺帽，閥桿開關(guān)到位后，行程開關(guān)的觸點(diǎn)可以回移0.5cm左右，以保證檔塊不會(huì)將行程開關(guān)的觸點(diǎn)壓死；（3）對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)擺臂式行程開關(guān)，需保證轉(zhuǎn)輪能完全觸及擋板，并有一定的裕度；（4）確保無(wú)其他設(shè)備（如：電纜等）影響開關(guān)觸點(diǎn)的正常動(dòng)作，行程開關(guān)及其安裝板不能接觸影響閥桿正常移動(dòng)；（5）檢查并驗(yàn)證上行和下行兩點(diǎn)反饋信號(hào)是否準(zhǔn)確。

3.6 定位器使用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

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(dòng)；（3）噴嘴固定螺絲松動(dòng)；（4）使用壓力表量程不合格；（5）反饋臂脫落；（6）凸輪裝反（對(duì)于新備件）。

4 結(jié)語(yǔ)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電廠熱工控制中重要的元器件，主要有氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三種形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在核電廠，對(duì)于環(huán)境溫度較高、工作在危險(xiǎn)區(qū)域或力矩較大的被控對(duì)象，一般選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；對(duì)于要求自調(diào)品質(zhì)高的被控對(duì)象，一般選用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；對(duì)于要求動(dòng)作速度較快的被控對(duì)象，可選用液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)AP1000核電廠用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)和功能原理進(jìn)行描述，總結(jié)了應(yīng)用和檢修經(jīng)驗(yàn)。

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