基于SIPLUG和ADAM技術(shù)的閥門在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)在國內(nèi)核電項目的首次應(yīng)用

臺山核電合營有限公司 張貽林 潘洪良 李江峰 奉林峰

核電站的閥門數(shù)量眾多，以臺山EPR項目為例，單臺機組閥門總量約為15000臺，其中電動閥、電磁閥超過1100臺，數(shù)量相較于CPR機組幾乎增加了兩倍，潛在提高了機組出現(xiàn)電動閥門故障的概率。以目前主流的故障糾正性維修結(jié)合預(yù)防性維修的策略來看，電動閥門數(shù)量的增加直接加大了維修負荷，增加了電站運行成本。因此電動閥門的在線監(jiān)測及故障診斷就顯得尤為重要，并越來越受到電站管理層面和行業(yè)同行的重視。

EPR三代技術(shù)的先進性不僅體現(xiàn)在主系統(tǒng)和廠房設(shè)計上，也體現(xiàn)在輔助監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用上。臺山EPR項目引進了閥門在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)（即KID系統(tǒng)），實現(xiàn)對核島部分F1/F2級電動閥和電磁閥進行實時在線監(jiān)測和診斷評估。該系統(tǒng)基于SIPLUG采集模塊和ADAM診斷分析技術(shù)是EPR項目特有的系統(tǒng)，在國內(nèi)核電項目為首次應(yīng)用。通過系統(tǒng)在線監(jiān)測，掌握閥門和電動頭的行為特性、運行狀態(tài)和趨勢，及時診斷發(fā)現(xiàn)閥門可能存在的缺陷，有助于實現(xiàn)電動閥門的狀態(tài)維修，提升電廠經(jīng)濟效益。

KID系統(tǒng)在機組調(diào)試期間為閥門故障原因分析及故障處理提供了重要的數(shù)據(jù)及分析支持，發(fā)揮了積極的作用。經(jīng)過臺山EPR項目的消化吸收和實踐運用，有助于在線監(jiān)測與診斷技術(shù)在國內(nèi)其他項目的推廣使用，推動閥門診斷行業(yè)的技術(shù)革新。

1 系統(tǒng)設(shè)計介紹

KID系統(tǒng)主要由SIPLUG、墻柜、系統(tǒng)機柜組成。其中SIPLUG沒有ECS代碼，集成在配電抽屜中，各SIPLUG之間通過CAN BUS總線通訊。墻柜主要配置有CEB（Can Ethernet Bridge）和Ethernet Switch，將SIPLUG送來的CAN BUS信號轉(zhuǎn)換為光纖信號傳輸?shù)较到y(tǒng)柜中。系統(tǒng)機柜主要包括兩臺服務(wù)器、顯示器及網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器等，這些部件及連接線纜組成了整個診斷網(wǎng)絡(luò)。

SIPLUG是KID系統(tǒng)的信號采集設(shè)備，其主要有電流互感器、電壓互感器、主板、控制信號接口、直流供電接口、CAN BUS信號接口、外部組態(tài)接口組成。SIPLUG只有經(jīng)過標定、組態(tài)后才能采集數(shù)據(jù)。每個SIPLUG都有唯一的HWID，通過HWID來識別標定文件并將該SIPLUG分配給該抽屜對應(yīng)的閥門。SIPLUG組態(tài)主要是設(shè)置采集定義、觸發(fā)模式及輸入標定數(shù)據(jù)。當閥門上游抽屜收到DCS的動作指令時，繼電信號觸發(fā)SIPLUG啟動測量，記錄閥門電壓、電流及開關(guān)信號信息。

KID系統(tǒng)數(shù)據(jù)評估和診斷分析通過ADAM評估軟件實現(xiàn)。其中ADAM-MOV用于電動閥的診斷評估，其擁有強大的數(shù)據(jù)庫和圖形算法，數(shù)據(jù)庫包含了診斷評估所需的主數(shù)據(jù)信息，如閥門參數(shù)、電動頭參數(shù)、評估矩陣、特征參數(shù)限值、Power-Torque函數(shù)等。通過ADAM的圖形功能可自動評估或手動評估曲線形態(tài)，再結(jié)合評估矩陣和Power-Torque函數(shù)計算力矩、推力等，直觀定量的判斷相關(guān)參數(shù)是否在限值之內(nèi)。而ADAM-SOV用于電磁閥的診斷評估，通過使用電流I(t)曲線、電感L(t)曲線等捕捉電磁閥動作的起始點和結(jié)束點，通過曲線形態(tài)及特征數(shù)值判斷電磁閥的啟閉是否正常。

2 電動閥診斷原理研究

KID系統(tǒng)監(jiān)測的273臺閥門中259臺為電動閥，類型主要為球閥、閘閥、截止閥、蝶閥。電動頭帶自鎖保護功能，反饋方式多為限位開、力矩關(guān)，以保證閥門關(guān)緊又不至于推力過大損壞閥座或閥桿。

2.1 Power-Torque函數(shù)獲取

SIPLUG只能獲取電壓、電流等電氣參數(shù)，而無法獲取力矩、推力等機械參數(shù)。為此設(shè)計開發(fā)的離線設(shè)備Test Bench，用來獲取電動頭輸出力矩與有功功率的關(guān)系、力矩開關(guān)動點的力矩和功率、零載荷功率等。Test Bench與KID系統(tǒng)有很好的兼容性，測量數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入ADAM數(shù)據(jù)庫，便于矩陣評估直接調(diào)用。

2.2 電動閥狀態(tài)診斷評估

通過SIPLUG獲取的有效功率曲線可完整表現(xiàn)電動閥開關(guān)過程的行為狀態(tài)。對電動閥而言，電動頭的結(jié)構(gòu)差異、閥門的類型差異及開關(guān)反饋控制的差異都會表現(xiàn)出不同的功率曲線形態(tài)，因此平行閘閥、楔形閘閥、球閥、蝶閥、截止閥等曲線形態(tài)各不相同。

圖1中，O對應(yīng)零載荷功率；C/D對應(yīng)行程過程中的平均運行功率（反映閥桿與填料的摩擦力、松緊程度）；F對應(yīng)功率加載的斜率；M對應(yīng)力矩開關(guān)動作點的有效功率；Tab對應(yīng)力矩開關(guān)動作反饋到電動頭停運持續(xù)的時間；A對應(yīng)電動頭在力矩開關(guān)動作后到停運持續(xù)輸出的最大功率；B對應(yīng)閥門開啟瞬間所需的最大有效功率；G對應(yīng)閥桿卸力過程的斜率；S對應(yīng)閥桿行程時間；E對應(yīng)電動頭運行時間。ADAM-MOV不僅支持對某個閥門的單次測量分析或多次測量比較分析，且支持對同類閥門的比較分析，通過特征參數(shù)的趨勢變化判斷閥門是否存在故障或潛在故障，如閥桿與盤根摩擦加劇、閥門卡澀、閥座存在缺陷、推力裕量不足、閥桿彎曲，甚至電動頭選型不保守等。

圖1 截止閥行程過程典型的有效功率曲線

2.3 電動閥故障診斷分析

某電動閥接收到DCS開關(guān)指令后顯示閥門開度不變，現(xiàn)場檢查閥門無動作。結(jié)合KID監(jiān)測曲線（圖2棕色曲線）分析，位置①處無明顯的零載荷功率特征，整個過程中有效功率無明顯增大趨勢，與歷史動作曲線差異較大，懷疑閥桿與螺母傳動異常，離合器失效。經(jīng)隔離檢修，確認離合器故障。更換電動頭后首次開啟閥門，動作曲線如圖2紅色曲線?？梢娏爿d荷位置①曲線正常，但開啟過程中運行功率較大，行程時間稍長，懷疑備件長期放置導(dǎo)致機械摩擦較大。后咨詢維修人員，反饋確實有點卡澀，徒手轉(zhuǎn)動較為困難。經(jīng)過磨合后逐漸恢復(fù)正常，見圖2綠色和藍色曲線。

圖2 電動閥動作曲線診斷分析

3 電磁閥診斷原理研究

電磁閥是用來快速開關(guān)流體通路的設(shè)備，主要由復(fù)位彈簧、電磁線圈、電磁鐵芯以及閥體組成，通過電磁線圈的通斷電來控制閥桿的升降，從而實現(xiàn)閥門快速開關(guān)的功能。

3.1 電磁閥診斷原理

電磁閥的診斷主要根據(jù)電磁鐵芯在電磁線圈里的相對運動來實現(xiàn)。通過配電抽屜內(nèi)的SIPLUG測量得到線圈電流、直流電壓和閥門的開關(guān)信號。其原理基于電磁線圈在通直流電的情況下呈感性電路的特性，等效電路如圖3(a)所示：

圖3 (a) 電磁線圈等效電路 (b)電磁閥動作原理圖

當閉合開關(guān)K該電路導(dǎo)通，由于電感L的存在會產(chǎn)生一個反電勢εL，由此可建立方程ε+εL=IR。其中，即，通過微分方程求解得到，由此可知該感性電路在加載電壓后，電流跟時間和電感系數(shù)有關(guān)。在電感不變情況下電流隨時間呈逐漸增大的趨勢，如圖3(b)紅色曲線所示；當插入電磁鐵芯時線圈電感系數(shù)L變大，對電流的阻礙作用也變大，導(dǎo)致線圈電流減小，如圖3(b)藍色曲線所示。

3.2 電磁閥曲線評估

ADAM基于上述原理，建立了電磁閥電流特征曲線的算法模型，軟件自動識別電磁閥動作的起始點和終點并顯示相應(yīng)的特征值，圖4為電磁閥的典型電流曲線。其中，tE為電磁閥芯動作結(jié)束時刻；tB為電磁閥開始動作時刻，表示通電過后經(jīng)過tB段閥芯才開始動作；tF為tE與tB之差，表示閥芯真正的動作時間；IB為電磁閥芯開始動作時的線圈電流大??；IE為電磁閥動作結(jié)束時刻線圈電流大小。電磁閥實際運行過程中，線圈的溫度變化、電壓波動、閥門動作迅速等可能會造成電流曲線不太容易識別動作起始點，這時需借助電感系數(shù)L(t)曲線來識別。

圖4 電磁閥典型電流曲線

3.3 電感系數(shù)L(t)的計算

針對電磁線圈通電電路，考慮因電磁閥鐵芯移動導(dǎo)致通電線圈電感發(fā)生變化的過程，建立如下電路方程：，其中Φ=IL，所以，即（1），其中U(t)、I(t)通過SIPLUG測量獲取，dI/dt由I(t)計算得到，R已知。只有L(t)、dI/dt未知。所以式（1）是關(guān)于L(t)的微分方程，ADAM軟件通過解該微分方程得到L(t)。

圖5是電磁閥通電加載狀態(tài)下的曲線，由于動作時間極短，電流曲線無法準確識別電磁閥動作時刻，這時借助L(t)曲線就可清晰識別，即最低點動作開始、最高點動作結(jié)束。通過電磁閥的電壓、電流及電感曲線評估可發(fā)現(xiàn)電磁閥的故障缺陷，如電磁閥觸發(fā)未動作、加載電壓不足、閥芯摩擦加劇、閥門通路存在障礙物等。

圖5 電磁閥通電加載時的電流和電感變化曲線

綜上，目前國內(nèi)閥門維護主要采用預(yù)防性維修和故障維修的策略，閥門出現(xiàn)故障后進行離線測試診斷是主流做法。這種策略和做法比較成熟、偏于保守，容易出現(xiàn)盲目維修，增加運營成本；且無法在設(shè)備故障早期發(fā)現(xiàn)潛在缺陷，以至于錯過合適的維修窗口導(dǎo)致機組降級等。本文研究的在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)設(shè)計理念先進、技術(shù)成熟，兼具在線監(jiān)測和故障診斷兩大功能，不僅能實現(xiàn)閥門運行動態(tài)實時監(jiān)測、趨勢分析，而且實現(xiàn)閥門機械特性診斷評估，幫助設(shè)備工程師及時發(fā)現(xiàn)閥門潛在故障，具有較強的實踐應(yīng)用及推廣價值。同時，經(jīng)過EPR項目的消化吸收積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，掌握了系統(tǒng)的運用和診斷，有助于閥門在線監(jiān)測與診斷技術(shù)在國內(nèi)其他項目的推廣使用，推動閥門診斷行業(yè)的技術(shù)革新。