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

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518124）

1 引言

隨著核電安全要求的不斷提高，對于自動(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)。測量信號的可靠性和準(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)際開度和閥位測量開度不對應(yīng)，閥門向關(guān)閉方向偏差呈偏大趨勢；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。

圖一 電位計(jì)原理圖

圖二 電位計(jì)實(shí)體圖

根據(jù)事件描述和電位計(jì)的工作原理，對直接原因、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。電動(dòng)頭電位計(jì)是通過電動(dòng)頭的轉(zhuǎn)動(dòng)信號計(jì)算閥門行程，此信號經(jīng)過多級齒輪傳動(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)控制對于閥位信號精度要求相對于一般閥門更高，導(dǎo)致電動(dòng)頭反饋的閥位信息無法滿足要求。

圖三 閉環(huán)控制原理圖示

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測出，與設(shè)定值N0比較，偏差信號送往調(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)器測得系統(tǒng)的實(shí)際量進(jìn)行對比，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)，閥門開度指令信號和閥位測量信號無變化，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)多級變速、減速齒輪后，通過安裝在末級齒輪輸出軸上的電位器，將轉(zhuǎn)數(shù)信號輪換為對應(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)多級齒輪間間隙疊加，導(dǎo)致安裝在末級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，對閥位信息精度要求存在差異。對于調(diào)節(jié)精度要求相對較低的閥門，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；對于需要加裝位置指示器的閥門，根據(jù)等級要求選擇合適的指示器。