關(guān)于核電電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥位信息反饋方式的分析

黃東東+張俊河

【摘 要】闡述自動(dòng)控制對(duì)三代核電安全性的重要性，閉環(huán)控制對(duì)于調(diào)節(jié)閥閥位的要求，介紹了閥位信息反饋的幾種方式，并綜合安全性和經(jīng)濟(jì)性提出了調(diào)節(jié)閥閥位信息反饋方式的建議。

【Abstract】This paper expounds the importance of automatic control to the safety of the three generation nuclear power and the requirements of the closed loop control on the valve position of the regulating valve. Then it introduces several ways of valve position information feedback， and puts forward some suggestions on the feedback mode of valve position information of regulating valve with the combination of security and economy.

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控制；調(diào)節(jié)閥；閥位信息；位置指示器

【Keywords】automatic control； contract valve； valve position； position sensor

【中圖分類號(hào)】TP214 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）02-0150-02

1 引言

隨著核電安全要求的不斷提高，對(duì)于自動(dòng)控制的要求也隨之增強(qiáng)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在三代核電中閥門上的應(yīng)用也更加廣泛，尤其在核島范圍內(nèi)的閥門上，更是大面積取代驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，通過電動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)來反饋閥門的位置成為一種技術(shù)選擇，此裝置一般稱為電位計(jì)。某電站在進(jìn)行冷態(tài)工程試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)部分對(duì)調(diào)節(jié)精度要求較高的調(diào)節(jié)閥在手動(dòng)或自動(dòng)模式動(dòng)作過程中，出現(xiàn)閥位反饋跳變的現(xiàn)象，當(dāng)閥門處于自動(dòng)控制模式時(shí)，此現(xiàn)象造成閥門操作不精確。

2 閉環(huán)控制中閥位信息的重要性

閉環(huán)控制系統(tǒng)亦稱反饋控制系統(tǒng)，這是一種最基本的控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控信號(hào)以反饋方式送入調(diào)節(jié)器的輸入端，作為不斷引起控制作用的依據(jù)，而控制的目的是盡可能地減少被控量與其設(shè)定值之間的偏差。

閥位測(cè)量在工業(yè)過程控制中起著非常大的作用，準(zhǔn)確、及時(shí)的測(cè)量閥門閥位，直接決定調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性、快速性、穩(wěn)定性等指標(biāo)。測(cè)量信號(hào)的可靠性和準(zhǔn)確性是決定自動(dòng)控制系統(tǒng)品質(zhì)的基礎(chǔ)。

此電站中有近百臺(tái)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥需要參與閉環(huán)控制。在閥門調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)部分閥門實(shí)際開度和閥位測(cè)量開度不對(duì)應(yīng)，閥門向關(guān)閉方向偏差呈偏大趨勢(shì)；實(shí)際操作閥門時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)閥門從開向關(guān)，或者從關(guān)向開的過程中，存在一定比例的閥門行程操作但閥位顯示無變化，即閥位測(cè)量回程存在死區(qū)的現(xiàn)象。

3 原因分析

此電站調(diào)節(jié)閥的閥位是通過電動(dòng)頭中的電位計(jì)反饋。電動(dòng)頭的轉(zhuǎn)動(dòng)通過聯(lián)軸器連接閥桿，將電動(dòng)頭螺桿螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為閥桿的直線運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)頭的轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)改變電位計(jì)中電阻絲電阻值（類似滑動(dòng)變阻器），最終電位計(jì)輸出4-20mA電流，建立電流和閥位的線性關(guān)系。

根據(jù)事件描述和電位計(jì)的工作原理，對(duì)直接原因、間接原因和根本原因分析如下：

3.1 直接原因

廠家的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥未設(shè)計(jì)單獨(dú)的位置指示器，使用電動(dòng)頭自帶的電位計(jì)反饋閥位信號(hào)。電動(dòng)頭電位計(jì)是通過電動(dòng)頭的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)計(jì)算閥門行程，此信號(hào)經(jīng)過多級(jí)齒輪傳動(dòng)存在偏差。

3.2 間接原因

部分核島電動(dòng)調(diào)節(jié)閥參與閉環(huán)控制，閉環(huán)控制對(duì)于閥位信號(hào)精度要求相對(duì)于一般閥門更高，導(dǎo)致電動(dòng)頭反饋的閥位信息無法滿足要求。

閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理如圖三所示。被調(diào)量水位N由變送器MD測(cè)出，與設(shè)定值N0 比較，偏差信號(hào)送往調(diào)節(jié)器R，改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)V 閥開度以增、減給水流量，維持水箱水位為設(shè)定值。閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是按被調(diào)量進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)精度高。

在電動(dòng)調(diào)節(jié)閥處于自動(dòng)模式時(shí)，過程控制設(shè)定量與感應(yīng)器測(cè)得系統(tǒng)的實(shí)際量進(jìn)行對(duì)比，通過PID（比例積分微分控制系統(tǒng)）計(jì)算出閥門需要調(diào)節(jié)的閥位值，包括開或關(guān)的量以及開關(guān)的速率。閥門的位置指示器反饋閥位，設(shè)定值（被調(diào)量）和閥位信息不斷被反饋給控制系統(tǒng)，進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在電動(dòng)調(diào)節(jié)閥正、反向控制過程中，因死區(qū)原因，閥門在死區(qū)的行程內(nèi)，閥門開度指令信號(hào)和閥位測(cè)量信號(hào)無變化，無法實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)。

實(shí)際調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)被調(diào)量與設(shè)定值偏差較小，需要反方向小范圍調(diào)節(jié)閥門，經(jīng)過一個(gè)調(diào)節(jié)過程后，因死區(qū)的存在，必然使閥門實(shí)際動(dòng)作行程大于死區(qū)范圍，從而使被調(diào)量偏差反方向進(jìn)一步加大，又進(jìn)入下一個(gè)較大幅度的調(diào)節(jié)過程，最終閥門頻繁動(dòng)作，被調(diào)量在較大范圍內(nèi)波動(dòng)而無法穩(wěn)定，這種現(xiàn)象尤其在低開度時(shí)更為明顯。一般情況下，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其反饋通道的死區(qū)較小時(shí)，可通過設(shè)置PID的調(diào)節(jié)死區(qū)來解決被調(diào)量波動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作的問題，但因工藝系統(tǒng)自身要求，被調(diào)量與設(shè)定值間偏差不能過大（過大后調(diào)節(jié)滯后，調(diào)節(jié)幅度較大，不利于調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定），要求這一死區(qū)不得大于2%。

3.3 根本原因

閥門電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)經(jīng)多級(jí)變速、減速齒輪后，通過安裝在末級(jí)齒輪輸出軸上的電位器，將轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)輪換為對(duì)應(yīng)的電阻值，再通過DCS將電阻值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的閥門開度，從而實(shí)現(xiàn)閥門閥位的測(cè)量。當(dāng)閥門同方向開啟或關(guān)閉時(shí)，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪間緊緊嚙合，沒有間隙，此時(shí)不會(huì)形成同方向開關(guān)死區(qū)，而當(dāng)反方向關(guān)閉或開啟閥門時(shí)，由于齒輪間存在咬合間隙，且經(jīng)多級(jí)齒輪間間隙疊加，導(dǎo)致安裝在末級(jí)齒輪輸出軸上的電位器不能和閥門同步旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生了死區(qū)。

4 采取措施

4.1 類似閥門的處理措施

通過外置傳感器提供閥位信息，在閥桿上增加位置指示器，直接測(cè)量閥位信息后反饋給控制系統(tǒng)。目前此方式已在此電站的其他閥門上應(yīng)用，經(jīng)調(diào)試可以準(zhǔn)確反饋調(diào)節(jié)閥閥位。

4.2 后續(xù)處理

對(duì)于后續(xù)采購帶有閉環(huán)控制要求的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，需要明確回調(diào)死區(qū)的技術(shù)要求，并建議加裝位置指示器。

4.3 安全性和經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)實(shí)際操作，參與閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)閥根據(jù)功能不同，對(duì)閥位信息精度要求存在差異。對(duì)于調(diào)節(jié)精度要求相對(duì)較低的閥門，使用現(xiàn)有電動(dòng)頭自帶的電位計(jì)即可滿足要求，無需額外采購位置指示器；對(duì)于需要精確調(diào)節(jié)的閥門，可優(yōu)先實(shí)施聯(lián)軸器的優(yōu)化改造，根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果再確認(rèn)是否需要加裝位置指示器；對(duì)于需要加裝位置指示器的閥門，根據(jù)等級(jí)要求選擇合適的指示器。

【參考文獻(xiàn)】

【1】艾昌文，等.電動(dòng)閥門高靈敏度控制技術(shù)研究及其應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化儀表，2014，35（11）：81-82.

【2】何正. 自動(dòng)控制設(shè)計(jì)中調(diào)節(jié)閥的選型[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2000，21（3）：45-47.endprint