核电厂阀门电动装置开关工作模式探讨

杨静远，赵世成，陈阳阳，刘景宾,*，刘　平，

核电厂阀门电动装置开关工作模式探讨

杨静远1，赵世成2，陈阳阳1，刘景宾1,*，刘平3，

（1. 生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082；2. 中国核电工程有限公司，北京 100840；3. 中核苏阀科技实业股份有限公司，江苏 苏州 215129）

核电厂1E级阀门电动装置是安全级阀门的控制设备，对保证核电厂安全运行至关重要。电动装置的驱动控制回路和工作模式对阀门的运行可靠性有较大影响。本文分析了在扭矩关阀工作模式下引起的阀门锤击现象，提出了优化驱动控制回路和增加自锁离合器两种解决方案。进行了自锁离合器模拟试验，研究了转速、延时时间、扭矩开关设定值和阀门刚度对阀门最大停止扭矩的影响。结果表明：阀门电动装置开关工作模式应采取有效措施避免阀门锤击现象，并考虑上述因素对阀门最大停止扭矩的影响。

阀门电动装置；开关工作模式；扭矩；阀门自锁

1 引言

阀门电动装置（以下简称“电装”）是通过电机驱动控制阀门的一类装置，不同种类的阀门、不同功能的应用以及阀门的安装环境决定了电装的工作特性和使用状态。[1]电装通过行程控制机构（以下简称“行程开关”）和扭矩限制机构（以下简称“扭矩开关”）来控制电机的启停，从而对阀门运动行程和状态进行控制。[2]电装开关设置不当、扭矩过大造成密封面损坏泄漏和长期可靠性降低等是造成阀门故障的常见问题。目前，电装开关工作模式分为行程关阀和扭矩关阀，一些重要的安全级闸阀和截止阀均采用扭矩关阀的工作模式。[3-5]本文讨论了常见的电装开关工作模式特点，分析了扭矩关阀工作模式引起的阀门锤击现象，对其解决方案及实际应用过程中重点关注的问题进行了讨论。

2 电装开关工作模式

通常，电装传动通过电机、蜗杆、蜗轮的组合或手轮连接行程齿轮机构来驱动输出轴。核安全级电装按照RCC-E分为K1、K2和K3类，在正常环境条件、事故环境条件和SSE期间或之后均保持可运行性。[6-8]电装驱动系统组成及各部分功能如下：

（1）电机，提供较大的启动扭矩，高过载、转动惯量小，支持高频短时工作模式；

（2）减速机构，转换输出转速，调节输出扭矩；

（3）行程开关，用以调节和准确控制阀门的开度；

（4）扭矩开关，通过调节转矩（或推力）来控制阀门的开关状态；

（5）手动/电动切换机构，用以进行手动或电动的切换；

（6）开度指示器，显示阀门的开度。

典型的电装内部执行机构如图1所示。

图1 典型的阀门电动装置执行机构

在实际工程应用中，对于不同类型阀门、不同工况和不同应用功能，通过行程开关和扭矩开关的不同控制逻辑组合，可以实现阀门开启和关闭。通常，对于平板闸阀、中线蝶阀等类型阀门，受阀门关闭时的水流影响以及阀门密封特性的要求，阀门开启和关闭都通过行程开关来控制，扭矩开关主要起保护作用。但是，对于无调节和节流功能，其运行工况只是全开或全关的闸阀和截止阀，在开启过程中，在阀门全开位要求执行器触发开方向的行程限位开关后停止（阀门开位置靠行程开关停止），扭矩开关主要起保护作用；在关闭过程中，由于某些阀门的特殊性每次关闭时的理论位置会随着管道温度的变化而变化（管道和阀座存在热胀冷缩现象），所以在关闭的时候不能通过执行器在全关位的行程开关停止执行器，在行程已经走到位的情况下，需要施加额外的力，依靠关方向的扭矩开关停止执行器，这样可以保证每次都挤紧阀板和阀座，保证阀门的密封性能，确保阀门完全关闭并实现零泄漏，行程开关主要起指示作用。

3 阀门锤击现象

在扭矩关阀的情况下，受扭矩开关触发到电机停电之间的延时影响，执行器的断电扭矩往往大于其设定扭矩。控制系统不同，延时长短也不同，最终的断电扭矩和设定扭矩差值也不同。电机断电后由于惯性等原因，执行器和阀门的所有运动部件不会马上停止，所以执行器的断电扭矩小于最终停止后的扭矩。当电装完成关阀动作电机停止驱动之后，受管道内流体的密度、压力、流速、阀板质量、阀门密封面粗糙度、阀门刚度等因素的影响，最终的关阀停止扭矩都会增加。整体来说有如下关系：

执行器的关阀设定扭矩＜执行器断电扭矩＜关阀停止扭矩。整体关系如图2所示。

图2 扭矩关阀示意图

由于电装在扭矩关阀过程中，执行器从全速运转降速到零时，受阀座给阀板的反作用力影响，执行器会有一定的回弹，带动输出轴反向运动，扭矩减小，行程微动，扭矩开关重新闭合，执行器通电继续关阀，在重新关阀到位后扭矩开关重新触发电机断电，这个循环会重复出现，也就是出现阀门的锤击现象。反复的锤击会导致阀门关闭不严产生泄漏，严重情况下会对阀杆和驱动螺母产生不可逆损伤。核电厂中特定功能位号的阀门快速开启或关闭功能非常重要，例如主蒸汽隔离阀在异常或事故工况下，在接到隔离信号后需要在5 s内关闭。[9]对于快速开关阀门和大扭矩阀门，受惯性效应影响，阀门锤击现象更加严重，对核电厂的运行产生极大的影响和安全隐患。

4 解决方案对比分析

从根本上避免阀门锤击现象需要执行器有良好的自锁能力，即为阀门扭矩关闭后即使阀杆有回弹的力，造成执行器扭矩减小甚至行程微动也不会触发二次关阀。由于阀门锤击现象对于高输出速度的电装较为明显，可以在选型时选用低输出速度的电装来解决。但是执行器和阀门配套时会有很多不同速度组合，所以只有在任何不同速度组合的情况下，执行器均提供良好的自锁性能才能从根本上解决阀门锤击的问题，单纯选用低输出速度的执行器反而会带来阀门开关速度降低，阀门关闭时间超时，无法满足安全分析中对阀门关闭时间的要求，从而影响核电厂的安全。

电装开关工作模式是通过行程开关和扭矩开关的时序组合来实现的，实现阀门自锁就是实现电机在首次触发关阀到位信号后的准确停机。对于通常的扭矩关阀的工作模式，电机启停受扭矩开关控制，一种方法是可以通过优化驱动控制回路来控制电机的启停，另一种方法是增加电机侧双向自锁离合器，阻断蜗杆轴对电机轴的反向驱动力。以下对两种解决方案的原理及实现方式进行对比分析。

4.1 优化驱动控制回路

对于通过驱动控制回路实现自锁功能的电装，阀门锤击现象造成执行器回弹，执行器扭矩会降低，电机断电后关方向的扭矩开关会重新回到常闭状态，造成阀门不断地关闭。在电控逻辑上可以通过串联关行程开关和关继电器，并外接关接触器辅助触点旁路来避免锤击现象，如图3所示。

图3 优化驱动控制回路

关阀过程：收到关阀信号后，关扭矩开关取常闭触点处于闭合状态，关行程开关取常闭触点也处于闭合状态，阀门开始关闭，关继电器通电，关接触器闭合，关接触器辅助触点同时把关方向的行程开关旁路。当阀门行程走到关位后，关扭矩开关仍处于闭合状态，关行程开关断开，但是关接触器辅助触点将行程开关旁路，电机继续驱动阀门关闭，执行器驱动扭矩继续加大，当达到扭矩触发设置值时，关扭矩开关断开，关继电器断电，电机停止。此时，阀门锤击现象造成执行器回弹，微弱回弹不会造成关行程开关重新闭合，但关扭矩开关闭合。由于关扭矩开关在首次触发后已将关继电器断开，整个关阀控制回路仍处于断开的状态，所以不会引起电机的再次启动。此种模式下，阀门不会处于挤紧压严的状态，阀门的关阀扭矩有可能会小于阀门密封所需扭矩，执行器断电后有泄漏的风险。

开阀过程：在电控逻辑上将开扭矩开关和开行程开关串联。收到开阀信号后，开扭矩开关取常闭触点处于闭合状态，开行程开关取常闭触点也处于闭合状态，阀门开始开启。开阀停止信号通过触发开行程开关停止，整个开阀的过程中开扭矩开关只起到保护的作用。阀门关闭后执行器不会保持阀门的最大扭矩，开阀门过扭矩信号通常由阀门卡涩或故障引发。

4.2 增加自锁离合器控制

对于带自锁离合器的电装，利用执行器的特殊机构设计，动力传递只可以通过电机到蜗杆轴，当蜗杆轴反向运行时，蜗杆轴不可以驱动电机轴，而且这个方向是双向的。当执行器电机断电后，仍然可以保持执行器物理上的过扭矩输出状态，关阀可以通过关扭矩开关独立控制，但需对电控逻辑进行优化来避免开方向的过扭矩报警，如图4所示。

图4 增加自锁离合器驱动控制回路

关阀过程：收到关阀信号后，关扭矩开关处于闭合状态，关继电器闭合，阀门开始关闭，执行器驱动扭矩逐渐加大，当达到扭矩触发设置值时，关扭矩开关断开，电机停止，阀门关紧。

开阀过程：阀门处于关紧状态时，带自锁离合器的执行器在阀门关闭后扭矩不会消失，每次关闭之后阀门阀板和阀座都是挤紧的状态，大概率会导致开阀时触发开扭矩开关。在控制逻辑设计中，开方向的过扭矩开关并联一个关位置的行程开关，在阀门全关位置闭锁开方向过扭矩信号。当阀门离开全关位后，关行程开关断开，开扭矩开关仍可通过扭矩信号保护阀门。

5 自锁离合器模拟试验

自锁离合器根本上是通过摩擦力将动能转化成热能，相关机构每次使用有摩擦消耗，具体的摩擦损耗量和阀门的类型、运动部件质量、阀杆尺寸、螺纹升角、螺纹头数、阀门阀座刚度有关。采用自锁离合器的电装，惯性效应会直接影响最终的实际停止扭矩。一方面是响应延时造成的扭矩增大；另一方面是阀板和阀座碰撞造成的扭矩增大。电动机转子、齿轮、阀杆和阀板所组成的运动组件与阀座的关阀碰撞会造成能量损失，根据冲量定理知：

式中：——转动惯量，kg·m2；

——冲击角速度，rad/s。

可以看出，运动组件的质量、转速、刚度同样也会影响最终的转矩[10-13]。

为了模拟阀门刚度、关断延时、输出速度、设定扭矩对电动执行器最终关断扭矩的影响，设计测试装置对执行器进行模拟试验，试验装置示意图如图5所示。将执行器与测试装置相连接，执行器输出的动力通过联轴器输入到下面的模拟负载上，模拟负载由高精度弹性体组成，执行器转动会引起模拟负载的压缩，对于执行器来说当负载达到触发执行器扭矩开关的数值时输出过扭矩信号，从而使执行器电机断电。测试台可对扭矩开关触发到执行器断电的时间进行调节，记录最终停止的扭矩。图中阴影部分为“阀门刚度模拟负载”，其特性为当执行器输出转动1°时，“阀门刚度模拟负载”会增加Nm，所以单位为Nm/°。试验选取了某型号电装，对转速、延时时间、扭矩开关设定值和阀门刚度对阀门最大停止扭矩的影响进行试验研究。

图5 自锁离合器模拟试验装置示意图

（1）转速

当阀门从扭矩开关触发到电机断电的延时时间为15 ms，执行器设定触发扭矩为40 Nm，转速在15 rpm、35 rpm和90 rpm下，在不同阀门刚度下阀门最大停止扭矩与转速的变化关系如图6所示。由此可得出当设定触发扭矩、延时时间和阀门刚度不变的情况下，执行器的转速越快，最大停止扭矩越大。

图6 不同阀门刚度下阀门最大停止扭矩与转速的关系

（2）延时时间

当转速在35 rpm，执行器设定触发扭矩为40 Nm，阀门从扭矩开关触发到电机断电的延时时间在0 ms、15 ms、45 ms和75 ms下，在不同阀门刚度下阀门最大停止扭矩与延时时间的变化关系如图7所示。可得出当转速、设定触发扭矩和阀门刚度不变的情况下，从扭矩开关触发到电机断电的延时时间越长，最大停止扭矩越大。

（3）执行器设定触发扭矩

当转速在35 rpm，阀门从扭矩开关触发到电机断电的延时时间在15 ms，执行器设定触发扭矩在21 Nm、40 Nm和62 Nm下，在不同阀门刚度下阀门最大停止扭矩与执行器设定触发扭矩的变化关系如图8所示。当阀门转速、延时时间和阀门刚度不变的情况下，执行器设定触发扭矩越大，最大停止扭矩越大。

图7 不同阀门刚度下阀门最大停止扭矩与延时时间的关系

图8 不同阀门刚度下阀门最大停止扭矩与设定触发扭矩的变化关系

由图6、图7和图8可知，当转速、延时时间、设定触发扭矩不变的情况下，阀门刚度越大，最大停止扭矩越大。

以上模拟试验研究表明，对于采用自锁离合器的电装，转速越大、延时时间越长、设定触发扭矩越大、阀门刚度越大，最大停止扭矩越大。因此，采用自锁离合器的电装可以达到扭矩关阀，但开方向大概率会触发过扭矩报警，应在控制电路设计中进行解决。设计院和阀门厂在电装选型中应根据阀门性能参数和功能要求，进行精准的计算和选型，避免过扭矩对阀门本体的破坏。

6 总结

阀门电动装置是核电厂重要的核安全级电气设备，功能设计是否完善，可靠性指标的要求是否适当，现场使用方式是否合理，直接对核电厂运行安全造成影响。分析表明仅通过增加关继电器可能无法完全满足功能要求，要根据具体应用场景进行分析。采用自锁离合器可避免锤击现象。通过对采用自锁离合器电装的模拟试验，发现转速越大、延时时间越长、设定触发扭矩越大、阀门刚度越大，最大停止扭矩越大。相关分析结论可为核电厂合理设置电装开关工作模式提供指导，对阀门设计和电装选型提供理论支持和参考。但在实际问题的解决中，还应充分结合具体安全功能和阀门特性综合分析，选择合适的解决方案。

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Discussion on Switching Mode of Electric Valve Device in Nuclear Power Plant

YANG Jingyuan1，ZHAO Shicheng2，CHEN Yangyang1，LIU Jingbin1,*，LIU Ping3

（1. Nuclear and Radiation Safety Center，Ministry of Ecology and Environment，Beijing，100082，China；2. China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing，100840，China；3. SUFA Technology Industry Co.，Ltd.，Suzhou of Jiangsu Prov. 215129，China；）

The 1E valve electric device is the control equipment of safety valve in nuclear power plant，and play an important roles in ensuring the safe operation of nuclear power plant. The drive control circuit and switching mode of the electric device have a great influence on the operation reliability of the valve. This paper analyzes the valve hammering phenomenon caused by the torque closing valve operation mode，proposes two solutions to optimize the drive control loop and increase the self-locking clutch，a self-locking clutch simulation test was carried out to study the influence of speed，delay time，torque switch setting value and valve stiffness on the valve’s maximum stopping torque. The results show that effective measures should be taken to avoid valve hammering when determining the switching mode of the valve electric device，and the influence of the above factors on the maximum stopping torque of the valve should be considered.

Valve electric device；Switching mode；Torque；Valve self-locking

TM623.4

A

0258-0918（2021）05-1084-07

2021-01-27

杨静远（1988—），男，宁夏人，工程师，硕士研究生，现从事核电厂电气仪控设备方面研究

刘景宾，E-mail：liujingbin@chinansc.cn