1．前言

自1929年LIMITORQUE制造出了世界上第一臺閥門電動裝置以來，閥門電動裝置獲得了較快的發(fā)展．國外是將電動執(zhí)行機構(gòu)與電動裝置視為同一類產(chǎn)品，分別應(yīng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)。國外的電動執(zhí)行機構(gòu)品牌有里米托克(Limitorque)、羅托克(Rotork)、西門子(SIEMENS，電動執(zhí)行機構(gòu)部門已被auma收購，改名為S1POS)、奧馬(auma)、BlFI、伯納德(Bernard)、凱士通(Keystone)等，現(xiàn)已分別在國內(nèi)電力、冶金、石油化工、污水處理及市政等各個行業(yè)得到應(yīng)用。

2．閥門電動裝置的發(fā)展方向

用戶的需求是多種多樣的，有希望帶控制的、帶無線遙控的、帶狀態(tài)顯示的、帶總線通訊等?，F(xiàn)場的工況條件千差萬別，如長期潛水、抗輻射、抗震動、耐高溫、耐腐蝕、防爆等。總體上閥門電動裝置的發(fā)展正按照用戶需求、工況條件朝著高智能型、高可靠性兩個方向發(fā)展：

一是隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)及通訊技術(shù)的快速發(fā)展，單片機和新型高速微處理器代替以模擬電子器件為主的閥門電動裝置控制單元，閥門電動裝置正朝著高智能型方向快速發(fā)展，功能越來越強大。適合一般現(xiàn)場工況環(huán)境，操作和控制越來越方便。

二是為適應(yīng)特殊行業(yè)的惡劣工況環(huán)境，這些場合往往對閥門電動裝置自身控制的要求不高，但特別強調(diào)高可靠性，通過特殊的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選用，經(jīng)過嚴酷的試驗測試．使閥門電動裝置正朝著高可靠性方向發(fā)展。

3．高智能型的發(fā)展方向

3．1 智能型電動裝置的含義

智能型電動裝囂是指配有功率控制部分、微處理器及可加裝數(shù)字通信接口，具有閉環(huán)控制功能，并能夠進行故障診斷的電動裝置。

在功率控制方面，分為有觸點控制和無觸點控制，采用接觸器為有觸點控制，采用固態(tài)繼電器和變頻器為無觸點控制，應(yīng)用于開環(huán)控制系統(tǒng)的多采用接觸器控制，智能型電動裝置一般采用固態(tài)繼電器控制，高端智能型電動裝置采用變頻器控制。采用變頻控制的有SIPOS和H&B以及揚州電力設(shè)備修造廠的2SA8智能型閥門電動裝置等，在控制性能、功能方面要比采用固態(tài)繼電器的產(chǎn)品更豐富。

智能型閥門電動裝置控制功能相當豐富，采用了計算機控制技術(shù)，使閥門電動裝置智能化，如可進行故障自診斷、現(xiàn)場組態(tài)、狀態(tài)顯示、具有多種控制模式，具備多種現(xiàn)場總線接口，能與各種自動化設(shè)備相匹配，適應(yīng)控制系統(tǒng)完全數(shù)字通信的需求。采用非接觸式控制元件，具備紅外遙控功能，現(xiàn)場調(diào)試與操作時無需打開閥門電動裝置，保證了防護性能。

3．2 智能型電動裝置的關(guān)鍵技術(shù)

智能型電動裝置的關(guān)鍵技術(shù)是計算機控制技術(shù)、電機變頻調(diào)速技術(shù)及數(shù)字通信技術(shù)在電動裝置中的應(yīng)用。由于采用先進的變頻技術(shù)，使電動裝置能按要求進行各種變速調(diào)節(jié)，實現(xiàn)特定的操作運行方式及PID調(diào)節(jié)，改善閥門特性，減少閥門及擋板所受的沖擊，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。

在智能型電動裝置中矢量控制高性能專用變頻器得以廣泛應(yīng)用，矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動機的銘牌參數(shù)，按照一定的關(guān)系式分別對作為基本控制量的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓和頻率使勵磁電流(或者磁通)和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)矢量控制。

3．3 智能型電動裝置的抗電磁干擾能力

抗電磁干擾能力是電動裝置不可忽視的問題。各種運行的電力設(shè)備之間以電磁傳導(dǎo)、電磁感應(yīng)和電磁輻射三種方式彼此關(guān)聯(lián)并相互影響，在一定的條件下會對運行的設(shè)備和人員造成干擾、影響和危害。閥門電動裝置工作在工業(yè)現(xiàn)場，電磁環(huán)境比較惡劣，帶一體化控制的電動裝置都會有電磁干擾，其電子線路要承受嚴峻的考驗，智能型變頻電動裝置由于殼體內(nèi)變頻器的大電流高頻開關(guān)動作，其引起的電磁輻射更加突出，必須具有較強的抗電磁輻射干擾能力，需通過電磁兼容試驗。

3．4 采用變頻控制的智能型變頻閥門電動裝置的技術(shù)特點

智能控制。電動裝置控制模塊是整個裝置的核心，它協(xié)調(diào)和控制電動裝置的各個部件運行。電動裝置具備了變頻調(diào)速功能以后，使得電動裝置內(nèi)部需要檢查、管理和組態(tài)的參數(shù)增多。

故障自診斷。采用全面的故障診斷及保護技術(shù)，使電動裝置的運行更加安全，維護更加方便。故障診斷內(nèi)容包括對控制模塊的電源部分、變頻器工作狀態(tài)、內(nèi)部關(guān)鍵器件、電機、閥門以及用戶接線等多項內(nèi)容進行在線檢查和智能判斷，發(fā)現(xiàn)故障后給出提示和報警，并記錄在存儲器中，便于用戶分析故障原因。對影響到電動裝置正常運行的嚴重故障可以立即進入緊急狀態(tài)。電動裝置提供了多種緊急狀態(tài)下的處理方式由用戶組態(tài)設(shè)定。故障自診斷和保護技術(shù)涉及電路硬件分析設(shè)計、軟件的智能判斷和故障冗余等多項技術(shù)。同時，對于電動裝置電機工作時間、控制模塊工作時間、電機起停次數(shù)、轉(zhuǎn)矩動作次數(shù)、全開全關(guān)次數(shù)等基本運行情況都進行實時記錄，記錄亦保存于存儲器中。

矢量控制、變頻調(diào)速。變頻器采用矢量控制方式，不僅可使電動裝置調(diào)速范圍寬，而且可以準確控制電動裝置的轉(zhuǎn)矩。在現(xiàn)場可按工況要求對電動裝置的開、關(guān)向速度進行設(shè)定。電動裝置使用的變頻器技術(shù)源于通用變頻器技術(shù)，但又有自己的特點。電動裝置要求變頻器在整個工頻段內(nèi)保持恒定的輸出轉(zhuǎn)矩，在最大額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)保證輸出轉(zhuǎn)矩的線性和一致性。采用一體化設(shè)計的變頻器是密封在電動裝置內(nèi)部的。

任意位置緩開、緩閉。電動裝置可以在任意位置緩開、緩閉，實現(xiàn)柔性起停和精確的動態(tài)定位，在接近設(shè)定或極限位置時，變頻器自動調(diào)整電機供電的頻率和電壓，降低電機轉(zhuǎn)速，以最低速度慢慢到達位置，避免因慣性對閥門造成的過調(diào)和沖撞，有效防止了沖擊載荷對閥門及電動裝置本體、電機可能造成的損傷，延長使用壽命。

現(xiàn)場總線控制。具備現(xiàn)場總線通信是智能型電動裝置所必需的，用戶的需求又是多種多樣的，因此必須為電動裝置配備多種現(xiàn)場總線的接口才能滿足市場的需求。目前國際上現(xiàn)場總線標準較多，主要有MODBUS、PROFIBUS、DEVICNET、FF等較流行的現(xiàn)場總線標準。當智能電動裝置與現(xiàn)場總線連接時，智能電動裝置就成了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的一塊現(xiàn)場儀表，這時它不僅具有電動裝置的功能，還具有控制、運算和通信等功能。

4．高可靠性的發(fā)展方向

近年來國內(nèi)核電發(fā)展迅速，需要使用的電動裝置數(shù)量很可觀，大型艦船上也需要使用大量的電動裝置，這些特殊應(yīng)用場合中有其特殊的要求，如抗輻射要求、抗震動要求、耐高溫、耐腐蝕的要求等，對電動裝置的可靠性提出了苛刻的要求，這些都需要對電動裝置所用材料、結(jié)構(gòu)等進行專門的設(shè)計和試驗方能實現(xiàn)。

由于核級產(chǎn)品的工況要求最為苛刻，下面以核級閥門電動裝置為例加以介紹。核級閥門電動裝置有開關(guān)型和調(diào)節(jié)型兩種形式，分別應(yīng)用于開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。核級閥門電動裝置的標準：EJ/Tl022.11—96主要參照RCC—E標準，而EJ／T531則完全等同IEEE382。

4．1 核級閥門電動裝置的安全等級

核級閥門電動裝置的安全等級為1E級(1E級：是反應(yīng)堆和核電廠電氣設(shè)備和系統(tǒng)的一個安全級別。參照標準EJ／T531的定義)。在GB／T15474核電廠儀表和控制系統(tǒng)及其供電設(shè)備安全分級標準中還有安全有關(guān)的(SR)設(shè)備以及非安全重要(NS)設(shè)備，其中安全級(1E)設(shè)備的使用條件最為苛刻。典型的安全級(1E)儀表及其供電系統(tǒng)設(shè)備如：反應(yīng)堆保護系統(tǒng)，安全執(zhí)行系統(tǒng)的儀表和控制設(shè)備，專設(shè)安全設(shè)施(如應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)、安全殼噴淋系統(tǒng)、安全殼空氣控制系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器輔助給水系統(tǒng)和安全殼隔離系統(tǒng))的某些儀表和裝置設(shè)備，安全系統(tǒng)輔助設(shè)施(如設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、應(yīng)急廠用水系統(tǒng))的某些儀表和執(zhí)行設(shè)備，某些輻射檢測系統(tǒng)以及逆變裝置等。

從設(shè)計開始，就應(yīng)盡可能全面的核實電動裝置的實際工況條件，在安全級的系統(tǒng)中，有些設(shè)備可能是非安全級的；在安全有關(guān)的系統(tǒng)中，有些設(shè)備可能是安全級的，應(yīng)針對具體情況具體對待。

4．2 核級閥門電動裝置的產(chǎn)品分類

參照標準EJ/T1022．11，核級閥門電動裝置可分為：Kl類、K2類和K3類。

K1類核級閥門電動裝置是指安裝在核反應(yīng)堆安全殼以內(nèi)，在正常的環(huán)境條件下和在SL2(安全停堆地震動)載荷下以及在事故期間或事故之后仍能夠執(zhí)行規(guī)定的功能。

K2類核級閥門電動裝置是指安裝在核反應(yīng)堆安全殼以內(nèi)，在正常的環(huán)境條件下和在SL2(安全停堆地震動)載荷下仍能執(zhí)行規(guī)定的功能。

K3類核級閥門電動裝置是指安裝在核反應(yīng)堆安全殼以外，在正常的環(huán)境條件下和在SL2(安全停堆地震動)載荷下仍能執(zhí)行規(guī)定的功能。

4．3 核級閥門電動裝置的相關(guān)試驗

熱老化試驗。熱老化模擬試驗是證明在加速熱老化環(huán)境作用下和作用以后被試驗驅(qū)動裝置的可運行性，加速熱老化模擬環(huán)境相當于設(shè)備安裝壽命期間預(yù)期的正常熱老化環(huán)境。在EJ/T531中規(guī)定加熱閥門電動裝置至138℃并保持該溫度進行正常熱老化模擬。在EJ/T1022.11中規(guī)定閥門將電動裝置在干燥的空氣中加熱至135℃，試驗950h。對于不同于135℃的試驗溫度和試驗時間按公式另行計算。

機械磨損老化試驗。閥門電動裝置應(yīng)在加載情況下，經(jīng)2000次循環(huán)動作試驗。該試驗應(yīng)在輻照試驗前后各進行1000次。

輻照試驗。標準對此要求差異比較大，RCC—E要求70℃下輻照老化為250KGy，事故輻照為600KGy。EJ/T1022.11—96中規(guī)定：輻照在干燥的空氣中進行，溫度70±3℃，輻照老化累計輻照劑量250kGy，事故輻照劑量600 KGy，總累計劑量850 kGy，劑量率為O.25±O.14Gy/s。而IEEE382輻照老化是常溫下700 KGy，事故輻照為1200KGy。

承壓試驗。將閥門電動裝置置于壓力為O.49 MPa的壓力容器中進行氣體加壓試驗，每次加壓時間為3min，共進行15次。要求電動裝置運轉(zhuǎn)正常，殼體及各主要零部件不得損壞。

振動試驗。分別在閥門電動裝置的三個正交軸向施加幅值為O.75g的正弦掃描激振信號，掃描頻率范圍從5HZ到200HZ再到5HZ，掃描速度為2倍頻程/分，每個方向施加振動時間為90分鐘。驅(qū)動機構(gòu)在負荷下每l5分鐘開關(guān)一次。

動態(tài)特性探察試驗。分別在閥門電動裝置的三個正交軸向輸入加速度幅值不大于O.2g的白噪聲進行激振，測量機構(gòu)的自振頻率和阻尼比。振動時間不少于120s，試驗分別在機構(gòu)閥門開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)下進行。

抗震鑒定試驗。試驗分別在三個正交軸向進行。采用閥門電動裝置的上安裝面(或相近位置，視安裝情況而定)處的加速度信號作為控制信號完成0BE和SSE地震試驗。

失水事故(LOCA)環(huán)境實驗。參照RCC—E標準可分為狀態(tài)調(diào)節(jié)階段、第一階段LOCA環(huán)境試驗、第二階段LOCA環(huán)境試驗、事故后環(huán)境工況試驗。

壽命試驗。壽命試驗是在未經(jīng)老化和失水事故試驗的樣機上進行的。參照標準EJ/T1022.11在運行轉(zhuǎn)矩(1/3最大控制轉(zhuǎn)矩)載荷下進行20000次的壽命試驗。

4.4 lE級Kl類核級閥門電動裝置的技術(shù)特點

鑒定壽命長。由于K1類產(chǎn)品的需要經(jīng)受輻照、腐蝕、高溫、高濕度環(huán)境，并要滿足40年的使用壽命要求．在核級閥門電動裝置的設(shè)計時需要求零配件、油漆、箱體、控制機構(gòu)、電氣元件、密封件以及所有非金屬件選擇能夠符合要求的材料。

輻照劑量大。由于核級閥門電動裝置需要經(jīng)受輻射和高溫等嚴酷試驗、對可靠性要求非常高，所以需對電機、導(dǎo)線、行程開關(guān)、力矩開關(guān)、接插件包括導(dǎo)線等所有電氣器件都采用特殊要求的產(chǎn)品，并進行輻照老化試驗。

抗震要求高。能經(jīng)受5次OBE加1次SSE 地震載荷．OBE 地震加速度在X、Y、z軸線上單方向為4g，SSE地震加速度在X、Y、z軸線上單方向為6g，整機固有振動頻率大于33Hz。針對核級產(chǎn)品在抗振和抗震上的要求，產(chǎn)品在保證強度的前提下精確設(shè)計每一個零配件，盡量減輕整機重量，同時合理布置．做到重心盡量靠近中心線，同時盡量降低重心的高度。

LOCA環(huán)境試驗惡劣。LOCA小室由室溫預(yù)熱至50℃，從預(yù)熱開始計時，在50±10℃rF持續(xù)24h。第一階段LOCA在30秒內(nèi)溫度由50℃快速升至156～160℃，在156℃以上保持12min后在封閉條件下自然降溫至50℃。第二階段LOCA在30s內(nèi)溫度由50℃快速升至156℃以上，在156℃恒溫200秒后開始化學(xué)噴淋(噴淋液含1.5％硼酸和0.6％氧氧化鈉)，時間延續(xù)96h。事故后環(huán)境工況試驗在100±5℃恒溫恒壓保持240h后，關(guān)閉樣機電源及試驗區(qū)熱源。

5．總結(jié)

高智能型與高可靠性是從實際情況出發(fā)?？紤]的側(cè)重點有所不同。只有對用戶使用需求、工況環(huán)境條件有了充分了解．并采取相應(yīng)的技術(shù)措施，才能符合閥門電動裝置的發(fā)展方向。

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