主蒸汽隔離閥安全檢測系統(tǒng)的設(shè)計與分析

洪曉卿，肖磊全

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，以及工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的不斷完善，工業(yè)安全系統(tǒng)的地位愈加突出，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，安全保障設(shè)備已經(jīng)成為工業(yè)設(shè)施中必不可少的一部分。而主蒸汽隔離閥（如圖1所示）作為電力蒸汽系統(tǒng)中的安全保障設(shè)備，其安全可靠性的重要程度不言而喻。

圖1 主蒸汽隔離閥Fig.1 Main steam isolation valve

主蒸汽隔離閥是蒸汽主要管路上的安全保障閥門，連接著蒸汽發(fā)生器以及蒸汽輪機裝置。當(dāng)主蒸汽隔離閥的下游管道或者設(shè)備發(fā)生故障時，主蒸汽隔離閥的及時關(guān)閉，能夠從源頭阻斷下游蒸汽的噴發(fā)，減少蒸汽對下游設(shè)備的損害以及有害物質(zhì)的產(chǎn)生，為設(shè)備恢復(fù)的即時搶修提供了一個安全環(huán)境。為保障主蒸汽隔離閥的工作可靠性，其定時檢修必不可少，但主蒸汽隔離閥的關(guān)閉檢修將導(dǎo)致生產(chǎn)作業(yè)的停止，檢測成本太高，除每年定期大修期間外，仍需要其他時間做到對其可靠性能的檢測。針對該問題，本文設(shè)計了一套基于PLC的主蒸汽隔離閥自動檢測系統(tǒng)，能夠在生產(chǎn)作業(yè)不停的情況下，定期對主蒸汽隔離閥的各項功能做出檢測。

同時考慮到，近年來關(guān)于主蒸汽隔離閥的研究不少，參考文獻[1][2]對主蒸汽隔離閥基本原理進行了相應(yīng)介紹，并對相關(guān)試驗進行了調(diào)試分析；參考文獻[3]簡析了主蒸汽隔離閥技術(shù)突破的難點；參考文獻[4][5][6][7]對主蒸汽隔離閥運行時出現(xiàn)的問題進行了分析，并提出了改進措施；參考文獻[8][9][10]針對主蒸汽隔離閥的不同性能做了相關(guān)措施的優(yōu)化研究。但上述研究均僅對主蒸汽隔離閥某一方面的問題進行了分析或者優(yōu)化改進，缺少對主蒸汽隔離閥的整合性系統(tǒng)設(shè)計，因此本文提出的安全檢測系統(tǒng)也充分利用了系統(tǒng)集成化的思想，通過自動化的程序，以此實現(xiàn)對主蒸汽隔離閥可靠性檢測的一體化。

1 主蒸汽隔離閥的組成及控制原理

本文使用的主蒸汽隔離閥主要包括3個部分：閥體、執(zhí)行機構(gòu)以及液壓控制系統(tǒng)，如圖2所示。其中，閥體一般采用平行閘板式閘閥，閘板（即閥瓣）由閥桿連接，上下移動控制閥門的開度。執(zhí)行機構(gòu)主要由3個氮氣貯罐和一個與其相連的液壓缸組成，貯罐中的氮氣相當(dāng)于一個永不失效的彈簧。正常工作情況下，主蒸汽隔離閥通過排出執(zhí)行機構(gòu)中的液壓流體來關(guān)閉閥門，通過將液壓流體打入執(zhí)行機構(gòu)，克服氮氣壓力和閥桿自重打開閥門。

圖2 主蒸汽隔離閥組成Fig.2 Composition of the main steam isolation valve

主蒸汽隔離閥的液壓控制系統(tǒng)主要包括充油回路、慢開/關(guān)系統(tǒng)以及快關(guān)系統(tǒng)3個部分。其中，在充油時，所有電磁閥處于斷電狀態(tài)，電動泵啟動，通過油泵將油箱中的油充入油管道，始終保證油管道中有足夠使主蒸汽隔離閥關(guān)閉的油。

慢開與慢關(guān)則分別由電磁閥SV2、SV1主導(dǎo)控制。慢開時，電磁閥SV2帶電開啟，其余電磁閥均保持失電狀態(tài)，慢開電磁閥開啟后油泵將油注入主蒸汽隔離閥的下部油缸中，其間注入的油將隔離閥上部回油管路的逆止閥打開，使閥門上部油缸中的油通過電磁閥SV1和其油路中的針閥而回到油箱，閥瓣上升，閥門開啟。慢關(guān)時，電磁閥SV1帶電開啟，其余電磁閥均保持失電狀態(tài)，慢關(guān)電磁閥開啟后油泵將油注入主蒸汽隔離閥的上部油缸中，其間注入的油將隔離閥下部回油管路的逆止閥打開，使閥門下部油缸中的油通過電磁閥SV2和其油路中的針閥而回到油箱，閥瓣下降，閥門關(guān)閉。

主蒸汽隔離閥的快關(guān)用于緊急情況的快速關(guān)閉。為了保證快關(guān)裝置的可靠性，本文所用的快關(guān)使用了A、B兩個程序單獨控制的通道設(shè)計，避免其中一個失效而閥門快關(guān)失敗的風(fēng)險。其中，A組包括SV3/SV4、SV5/SV6兩組共4個電磁閥，每一組組成一條泄油管路；同樣，B組包括SV7/SV8、SV9/SV10兩組共4個電磁閥，每一組也組成一條泄油管路。執(zhí)行快關(guān)時，某一組或者兩組對應(yīng)的電磁閥全部打開，執(zhí)行機構(gòu)通過2500PSI～3000PSI壓力的氮氣，將氣油儲罐中的油迅速壓入主蒸汽隔離閥油缸上部，泄油閥開啟將主蒸汽隔離閥油缸下部油迅速泄入油箱，使主蒸汽隔離閥迅速關(guān)閉。

同時需注意，閥門程序執(zhí)行快關(guān)動作之后，若要重新開啟，需要滿足兩個條件：一是對應(yīng)A/B列的“選擇開關(guān)”打回“中間位置”，并在控制柜上將“快關(guān)復(fù)位開關(guān)”復(fù)位；二是給主蒸汽隔離閥的油路充油，因為快關(guān)后，閥門的油壓很低，不足以保證各項動作的執(zhí)行油壓，待油壓上升至3000psi左右時，油泵自行關(guān)閉，即可重新開啟主蒸汽隔離閥。

主蒸汽隔離閥控制邏輯表見表1。充油時，所有電磁閥均不帶電；慢開時，僅電磁閥SV2帶電；慢關(guān)時，僅電磁閥SV1帶電；A列快關(guān)時，電磁閥SV3/SV4、SV5/SV6帶電；B列快關(guān)時，電磁閥SV7/SV8、SV9/SV10帶電；A、B列快關(guān)時，SV3～SV10帶電。

表1 主蒸汽隔離閥控制邏輯表Table 1 Main steam isolation valve control logic table

2 系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的組成

主蒸汽隔離閥安全檢測系統(tǒng)一共包括3個部分：PLC控制、電磁閥/電動泵執(zhí)行以及壓力檢測裝置的感知，如圖3所示。檢測程序啟動后，PLC按照指定程序控制電磁閥與電動泵的啟動及關(guān)閉，主蒸汽隔離內(nèi)的油路動作，壓力檢測裝置感知相應(yīng)油路的壓力，對程序做出反饋，判斷是否運行正常，若不正常則發(fā)出警報。

圖3 主蒸汽隔離閥安全檢測系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of the main steam isolation valve safety detection system

為了保證主蒸汽隔離閥的各項功能完整，安全檢測系統(tǒng)需囊括3種試驗：后閥座試驗、90%開度試驗以及帶載試驗。其中，后閥座試驗用于檢測閥門油路管線的密封性；90%開度試驗用于檢測閥體機械動作裝置的可用性；帶載試驗用于檢測快關(guān)功能的安全性。如圖4所示，程序開始后，依次進行后閥座試驗、90%開度試驗以及帶載試驗，若所有試驗結(jié)果良好，則隔離閥狀態(tài)完好，否則程序會發(fā)出警報，提醒檢修。當(dāng)然，各試驗也可單獨進行。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 System program flow chart

2.2 系統(tǒng)的檢測原理

安全檢測系統(tǒng)包括后閥座試驗、開度試驗以及帶載試驗3個試驗的檢測，除了上述SV1～SV10電磁閥外，還需要用到PS1～PS6共6個壓力檢測儀器。其中，PS1～PS5為油壓檢測裝置，PS6為氮氣壓力檢測裝置，PS1、PS2、PS3、PS4分 別位于SV3/SV4、SV5/SV6、SV7/SV8、SV9/SV10之間，PS5位于貯油罐處。3種試驗檢測方法各不相同，其邏輯表見表2。其中，后閥座試驗僅電磁閥SV2帶電；90%開度試驗，電磁閥SV1、SV2先后帶電；而帶載試驗時，根據(jù)試驗的組別不同，SV3/SV4、SV5/SV6、SV7/SV8以 及SV9/SV10在相應(yīng)試驗組別中帶電開啟。

表2 主蒸汽隔離閥檢測試驗邏輯表Table 2 Main steam isolation valve detection test logic table

1）后閥座試驗

后閥座試驗是為了檢查閥門油路管線密封性而專門設(shè)置的試驗。試驗過程中，閥門執(zhí)行機構(gòu)和閥門附件都不動作，程序控制油泵啟動，通過油泵啟動提升閥門執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部的壓力環(huán)境從而對密封性進行檢驗。若油罐處壓力檢測裝置PS5及氮氣罐壓力檢測裝置PS6壓力指示正常，說明油路密閉性良好。

2）開度試驗

90%開度試驗用于檢測慢開/關(guān)的性能是否完備，以及閥體機械裝置動作是否可用。開度試驗如圖5所示，程序控制慢關(guān)電磁閥SV1開啟，進行慢關(guān)的相應(yīng)執(zhí)行動作，油缸上部進油，下部出油，閥門下降，開度減少。當(dāng)閥門關(guān)閉10%時，即當(dāng)前開度為90%時，停止慢關(guān)，啟動慢開，SV1失電，SV2得電，執(zhí)行慢開的相應(yīng)控制動作，油缸下部進油，上部出油，閥門上升，開度增加，待閥門完全開啟后，停止慢開。若整個動作過程流暢運行，說明閥體的機械裝置狀態(tài)良好。

圖5 開度試驗電磁閥Fig.5 Opening test solenoid valve

3）帶載試驗

帶載試驗用于驗證快關(guān)程序中電磁閥及其回路的可用性，共A、B兩列的電磁閥試驗驗證。對于A列電磁閥，如圖6所示。先執(zhí)行SV3/SV4動作，后執(zhí)行SV5/SV6動作。正常情況下，SV3電磁閥先關(guān)閉，阻止油液的流出，1s后開啟SV4電磁閥，油液從油缸流向泄油管道，此時PS1感知流油的液壓，10s后或者PS1動作后，關(guān)閉SV4電磁閥，阻止油缸內(nèi)油液持續(xù)流出，1s后SV3/4帶載試驗結(jié)束，打開SV3電磁閥，管道內(nèi)油液流出；對于另一泄油管道，上一試驗結(jié)束2s后關(guān)閉SV5電磁閥，阻止油液從該管道流出，1s后打開SV6電磁閥，油液從油缸流向泄油管道，此時PS2感知流油的液壓，10s后或PS2動作后關(guān)閉SV6電磁閥，阻止油缸內(nèi)油液持續(xù)流出，1s后SV5/6帶載試驗結(jié)束，打開SV5電磁閥，管道內(nèi)油液流出，A列電磁閥試驗結(jié)束。若帶載試驗過程中，相應(yīng)PS正常動作，說明對應(yīng)電磁閥工作正常，否則出現(xiàn)問題。

圖6 帶載試驗A列電磁閥Fig.6 Solenoid valve of column A under load test

對于B列電磁閥同樣如此，如圖7所示。執(zhí)行對象換為SV8/PS3/SV7以及SV10/PS4/SV9，先執(zhí)行SV7/SV8動作，后執(zhí)行SV9/SV10動作。正常情況下，SV7先關(guān)閉，1s后開啟SV8，10s后或者PS3動作后關(guān)SV8，1s后SV7/8帶 載 試 驗 結(jié) 束，開SV7；2s后 關(guān)SV9，1s后 開SV10，10s或PS4動 作 后 關(guān)SV10，1s后SV9/10帶載試驗結(jié)束，開SV9，試驗結(jié)束。若帶載試驗過程中，相應(yīng)PS正常動作，說明對應(yīng)電磁閥工作正常，否則出現(xiàn)問題。

圖7 帶載試驗B列電磁閥Fig.7 Solenoid valve of column B under load test

3 試驗結(jié)果

根據(jù)如上檢測原理，本文在實際運行中進行了后閥座試驗、90%開度試驗以及帶載試驗的試驗驗證。試驗進行前，保證主蒸汽隔離閥的液壓回路的液壓及氮氣壓力處于正常值范圍內(nèi)，并且各壓力指示表、電磁閥正?？捎谩?/p>

試驗進行過程中，PS1～PS6動作情況見表3。其中，90%開度試驗不涉及PS指示，表3中不做試驗記載，另用時間指標(biāo)對其進行檢測考察。后閥座試驗時，PS5與PS6數(shù)值在2500～3000范圍內(nèi)小幅跳動，數(shù)值范圍正常，可有效說明系統(tǒng)密封性良好，無漏油、漏氣風(fēng)險。

表3 PS動作情況表Table 3 PS action table

帶載試驗時，如表3所示，對于A列帶載試驗，關(guān)閉SV3，開啟SV4后，PS1指示壓升，后關(guān)閉SV4，開啟SV3，PS1壓降，說明電磁閥SV3/SV4能夠正常工作；關(guān)閉SV5，開啟SV6后，PS2指示壓升，后關(guān)閉SV6，開啟SV5，PS2壓降，說明電磁閥SV5/SV6能夠正常工作，同時也說明A列快關(guān)功能完好，工作回路無損壞。對于B列帶載試驗，在表3中，關(guān)閉SV7，開啟SV8后，PS3指示壓升，后關(guān)閉SV8，開啟SV7，PS3壓降，說明電磁閥SV7/SV8能夠正常工作；關(guān)閉SV9，開啟SV10后，PS4指示壓升，后關(guān)閉SV10，開啟SV9，PS4壓降，說明電磁閥SV9/SV10能夠正常工作，同時也說明B列快關(guān)功能完好，相應(yīng)工作回路無損壞。

不同電磁閥對應(yīng)的PS均有明顯動作反應(yīng)，說明電磁閥工作正常。

同時，本文對90%開度試驗進行了執(zhí)行時間的記錄，包括90%開度完成時間、閥門全開完成時間以及總時間，試驗總共進行5次，見表4。若閥體工作一切正常，閥門從全開慢關(guān)至90%開度的時間應(yīng)在30s以內(nèi)，閥門從90%開度重新慢開至全開的執(zhí)行時間也應(yīng)在30s以內(nèi)，考慮到可能存在的延時可能性，總時間應(yīng)在70s以內(nèi)完成。根據(jù)表4所示，本文完成90%開度執(zhí)行過程平均用時27.63s，閥門重新動作至全開平均用時27.07s，總平均用時54.70s，均在正常范圍內(nèi)，說明閥體機械裝置可用性良好，慢開與慢關(guān)動作執(zhí)行均處于正常狀態(tài)。

表4 開度試驗執(zhí)行時間Table 4 Execution time of opening test

上述試驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的主蒸汽隔離閥安全檢測系統(tǒng)在蒸汽系統(tǒng)工作時，能夠通過程序控制，自動執(zhí)行后閥座試驗、90%開度試驗以及帶載試驗，并檢測記錄下閥門工作時各試驗的運行參數(shù)。且試驗數(shù)據(jù)說明主蒸汽隔離閥控制系統(tǒng)運行正常，本文所設(shè)計的安全檢測系統(tǒng)成功檢測出了閥門的狀態(tài)情況，在實際工作中有較好的檢測效果。

4 總結(jié)

本文對主蒸汽隔離閥的組成及控制原理做了充分介紹，并針對生產(chǎn)作業(yè)不停工時閥門安全性難以檢測的問題，利用系統(tǒng)集成的思想，設(shè)計了一套基于PLC控制的主蒸汽隔離閥安全檢測系統(tǒng)。本文通過該安全檢測系統(tǒng)對主蒸汽隔離閥進行了后閥座試驗、90%開度試驗以及帶載試驗，試驗數(shù)據(jù)表明檢測結(jié)果良好，驗證了本系統(tǒng)在工業(yè)不停產(chǎn)的情況下對主蒸汽隔離閥安全檢測的可行性與可靠性，為主蒸汽隔離閥的進一步設(shè)備優(yōu)化，提供了可靠的技術(shù)支持與儲備。當(dāng)然，該安全檢測系統(tǒng)在蒸汽回路工作時，僅針對閥門的液壓回路以及電磁閥的性能做了間接測驗，缺少直接測驗，也沒有考慮到PS等傳感儀器失效的情況，存在一定的研究改進空間。