1．前言

自1929年LIMITORQUE制造出了世界上第一臺(tái)閥門電動(dòng)裝置以來(lái)，閥門電動(dòng)裝置獲得了較快的發(fā)展．國(guó)外是將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與電動(dòng)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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。國(guó)外的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)品牌有里米托克(Limitorque)、羅托克(Rotork)、西門子(SIEMENS，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部門已被auma收購(gòu)，改名為S1POS)、奧馬(auma)、BlFI、伯納德(Bernard)、凱士通(Keystone)等，現(xiàn)已分別在國(guó)內(nèi)電力、冶金、石油化工、污水處理及市政等各個(gè)行業(yè)得到應(yīng)用。

2．閥門電動(dòng)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(wú)線遙控的、帶狀態(tài)顯示的、帶總線通訊等。現(xiàn)場(chǎng)的工況條件千差萬(wàn)別，如長(zhǎng)期潛水、抗輻射、抗震動(dòng)、耐高溫、耐腐蝕、防爆等。總體上閥門電動(dòng)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(gè)方向發(fā)展：

一是隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及通訊技術(shù)的快速發(fā)展，單片機(jī)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(dòng)裝置控制單元，閥門電動(dòng)裝置正朝著高智能型方向快速發(fā)展，功能越來(lái)越強(qiáng)大。適合一般現(xiàn)場(chǎng)工況環(huán)境，操作和控制越來(lái)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(chǎng)合往往對(duì)閥門電動(dòng)裝置自身控制的要求不高，但特別強(qiáng)調(diào)高可靠性，通過(guò)特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用，經(jīng)過(guò)嚴(yán)酷的試驗(yàn)測(cè)試．使閥門電動(dòng)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(dòng)裝置的含義

智能型電動(dòng)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(jìn)行故障診斷的電動(dòng)裝置。

在功率控制方面，分為有觸點(diǎn)控制和無(wú)觸點(diǎn)控制，采用接觸器為有觸點(diǎn)控制，采用固態(tài)繼電器和變頻器為無(wú)觸點(diǎn)控制，應(yīng)用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的多采用接觸器控制，智能型電動(dòng)裝置一般采用固態(tài)繼電器控制，高端智能型電動(dòng)裝置采用變頻器控制。采用變頻控制的有SIPOS和H&B以及揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠的2SA8智能型閥門電動(dòng)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(dòng)裝置控制功能相當(dāng)豐富，采用了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使閥門電動(dòng)裝置智能化，如可進(jìn)行故障自診斷、現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)、狀態(tài)顯示、具有多種控制模式，具備多種現(xiàn)場(chǎng)總線接口，能與各種自動(dòng)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(chǎng)調(diào)試與操作時(shí)無(wú)需打開(kāi)閥門電動(dòng)裝置，保證了防護(hù)性能。

3．2 智能型電動(dòng)裝置的關(guān)鍵技術(shù)

智能型電動(dòng)裝置的關(guān)鍵技術(shù)是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)及數(shù)字通信技術(shù)在電動(dòng)裝置中的應(yīng)用。由于采用先進(jìn)的變頻技術(shù)，使電動(dòng)裝置能按要求進(jìn)行各種變速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)特定的操作運(yùn)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(dòng)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(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的銘牌參數(shù)，按照一定的關(guān)系式分別對(duì)作為基本控制量的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓和頻率使勵(lì)磁電流(或者磁通)和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測(cè)值達(dá)到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制。

3．3 智能型電動(dòng)裝置的抗電磁干擾能力

抗電磁干擾能力是電動(dòng)裝置不可忽視的問(wèn)題。各種運(yùn)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(huì)對(duì)運(yùn)行的設(shè)備和人員造成干擾、影響和危害。閥門電動(dòng)裝置工作在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，電磁環(huán)境比較惡劣，帶一體化控制的電動(dòng)裝置都會(huì)有電磁干擾，其電子線路要承受嚴(yán)峻的考驗(yàn)，智能型變頻電動(dòng)裝置由于殼體內(nèi)變頻器的大電流高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作，其引起的電磁輻射更加突出，必須具有較強(qiáng)的抗電磁輻射干擾能力，需通過(guò)電磁兼容試驗(yàn)。

3．4 采用變頻控制的智能型變頻閥門電動(dòng)裝置的技術(shù)特點(diǎn)

智能控制。電動(dòng)裝置控制模塊是整個(gè)裝置的核心，它協(xié)調(diào)和控制電動(dòng)裝置的各個(gè)部件運(yùn)行。電動(dòng)裝置具備了變頻調(diào)速功能以后，使得電動(dòng)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(hù)技術(shù)，使電動(dòng)裝置的運(yùn)行更加安全，維護(hù)更加方便。故障診斷內(nèi)容包括對(duì)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(jī)、閥門以及用戶接線等多項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行在線檢查和智能判斷，發(fā)現(xiàn)故障后給出提示和報(bào)警，并記錄在存儲(chǔ)器中，便于用戶分析故障原因。對(duì)影響到電動(dòng)裝置正常運(yùn)行的嚴(yán)重故障可以立即進(jìn)入緊急狀態(tài)。電動(dòng)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(hù)技術(shù)涉及電路硬件分析設(shè)計(jì)、軟件的智能判斷和故障冗余等多項(xiàng)技術(shù)。同時(shí)，對(duì)于電動(dòng)裝置電機(jī)工作時(shí)間、控制模塊工作時(shí)間、電機(jī)起停次數(shù)、轉(zhuǎn)矩動(dòng)作次數(shù)、全開(kāi)全關(guān)次數(shù)等基本運(yùn)行情況都進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，記錄亦保存于存儲(chǔ)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(dòng)裝置調(diào)速范圍寬，而且可以準(zhǔn)確控制電動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩。在現(xiàn)場(chǎng)可按工況要求對(duì)電動(dòng)裝置的開(kāi)、關(guān)向速度進(jìn)行設(shè)定。電動(dòng)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(diǎn)。電動(dòng)裝置要求變頻器在整個(gè)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(jì)的變頻器是密封在電動(dòng)裝置內(nèi)部的。

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

現(xiàn)場(chǎng)總線控制。具備現(xiàn)場(chǎng)總線通信是智能型電動(dòng)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(dòng)裝置配備多種現(xiàn)場(chǎng)總線的接口才能滿足市場(chǎng)的需求。目前國(guó)際上現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)較多，主要有MODBUS、PROFIBUS、DEVICNET、FF等較流行的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)智能電動(dòng)裝置與現(xiàn)場(chǎng)總線連接時(shí)，智能電動(dòng)裝置就成了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的一塊現(xiàn)場(chǎng)儀表，這時(shí)它不僅具有電動(dòng)裝置的功能，還具有控制、運(yùn)算和通信等功能。

4．高可靠性的發(fā)展方向

近年來(lái)國(guó)內(nèi)核電發(fā)展迅速，需要使用的電動(dòng)裝置數(shù)量很可觀，大型艦船上也需要使用大量的電動(dòng)裝置，這些特殊應(yīng)用場(chǎng)合中有其特殊的要求，如抗輻射要求、抗震動(dòng)要求、耐高溫、耐腐蝕的要求等，對(duì)電動(dòng)裝置的可靠性提出了苛刻的要求，這些都需要對(duì)電動(dòng)裝置所用材料、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方能實(shí)現(xiàn)。

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

4．1 核級(jí)閥門電動(dòng)裝置的安全等級(jí)

核級(jí)閥門電動(dòng)裝置的安全等級(jí)為1E級(jí)(1E級(jí)：是反應(yīng)堆和核電廠電氣設(shè)備和系統(tǒng)的一個(gè)安全級(jí)別。參照標(biāo)準(zhǔn)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(jí)(1E)設(shè)備的使用條件最為苛刻。典型的安全級(jí)(1E)儀表及其供電系統(tǒng)設(shè)備如：反應(yīng)堆保護(hù)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(cè)系統(tǒng)以及逆變裝置等。

從設(shè)計(jì)開(kāi)始，就應(yīng)盡可能全面的核實(shí)電動(dòng)裝置的實(shí)際工況條件，在安全級(jí)的系統(tǒng)中，有些設(shè)備可能是非安全級(jí)的；在安全有關(guān)的系統(tǒng)中，有些設(shè)備可能是安全級(jí)的，應(yīng)針對(duì)具體情況具體對(duì)待。

4．2 核級(jí)閥門電動(dòng)裝置的產(chǎn)品分類

參照標(biāo)準(zhǔn)EJ/T1022．11，核級(jí)閥門電動(dòng)裝置可分為：Kl類、K2類和K3類。

K1類核級(jí)閥門電動(dòng)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(dòng))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(jí)閥門電動(dòng)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(dòng))載荷下仍能執(zhí)行規(guī)定的功能。

K3類核級(jí)閥門電動(dòng)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(dòng))載荷下仍能執(zhí)行規(guī)定的功能。

4．3 核級(jí)閥門電動(dòng)裝置的相關(guān)試驗(yàn)

熱老化試驗(yàn)。熱老化模擬試驗(yàn)是證明在加速熱老化環(huán)境作用下和作用以后被試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)裝置的可運(yùn)行性，加速熱老化模擬環(huán)境相當(dāng)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(dòng)裝置至138℃并保持該溫度進(jìn)行正常熱老化模擬。在EJ/T1022.11中規(guī)定閥門將電動(dòng)裝置在干燥的空氣中加熱至135℃，試驗(yàn)950h。對(duì)于不同于135℃的試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)時(shí)間按公式另行計(jì)算。

機(jī)械磨損老化試驗(yàn)。閥門電動(dòng)裝置應(yīng)在加載情況下，經(jīng)2000次循環(huán)動(dòng)作試驗(yàn)。該試驗(yàn)應(yīng)在輻照試驗(yàn)前后各進(jìn)行1000次。

輻照試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(jìn)行，溫度70±3℃，輻照老化累計(jì)輻照劑量250kGy，事故輻照劑量600 KGy，總累計(jì)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(yàn)。將閥門電動(dòng)裝置置于壓力為O.49 MPa的壓力容器中進(jìn)行氣體加壓試驗(yàn)，每次加壓時(shí)間為3min，共進(jìn)行15次。要求電動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)正常，殼體及各主要零部件不得損壞。

振動(dòng)試驗(yàn)。分別在閥門電動(dòng)裝置的三個(gè)正交軸向施加幅值為O.75g的正弦掃描激振信號(hào)，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(gè)方向施加振動(dòng)時(shí)間為90分鐘。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在負(fù)荷下每l5分鐘開(kāi)關(guān)一次。

動(dòng)態(tài)特性探察試驗(yàn)。分別在閥門電動(dòng)裝置的三個(gè)正交軸向輸入加速度幅值不大于O.2g的白噪聲進(jìn)行激振，測(cè)量機(jī)構(gòu)的自振頻率和阻尼比。振動(dòng)時(shí)間不少于120s，試驗(yàn)分別在機(jī)構(gòu)閥門開(kāi)啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)下進(jìn)行。

抗震鑒定試驗(yàn)。試驗(yàn)分別在三個(gè)正交軸向進(jìn)行。采用閥門電動(dòng)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(hào)作為控制信號(hào)完成0BE和SSE地震試驗(yàn)。

失水事故(LOCA)環(huán)境實(shí)驗(yàn)。參照RCC—E標(biāo)準(zhǔn)可分為狀態(tài)調(diào)節(jié)階段、第一階段LOCA環(huán)境試驗(yàn)、第二階段LOCA環(huán)境試驗(yàn)、事故后環(huán)境工況試驗(yàn)。

壽命試驗(yàn)。壽命試驗(yàn)是在未經(jīng)老化和失水事故試驗(yàn)的樣機(jī)上進(jìn)行的。參照標(biāo)準(zhǔn)EJ/T1022.11在運(yùn)行轉(zhuǎn)矩(1/3最大控制轉(zhuǎn)矩)載荷下進(jìn)行20000次的壽命試驗(yàn)。

4.4 lE級(jí)Kl類核級(jí)閥門電動(dòng)裝置的技術(shù)特點(diǎn)

鑒定壽命長(zhǎng)。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(jí)閥門電動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)時(shí)需要求零配件、油漆、箱體、控制機(jī)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(jí)閥門電動(dòng)裝置需要經(jīng)受輻射和高溫等嚴(yán)酷試驗(yàn)、對(duì)可靠性要求非常高，所以需對(duì)電機(jī)、導(dǎo)線、行程開(kāi)關(guān)、力矩開(kāi)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(jìn)行輻照老化試驗(yàn)。

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?yàn)?g，SSE地震加速度在X、Y、z軸線上單方向?yàn)?g，整機(jī)固有振動(dòng)頻率大于33Hz。針對(duì)核級(jí)產(chǎn)品在抗振和抗震上的要求，產(chǎn)品在保證強(qiáng)度的前提下精確設(shè)計(jì)每一個(gè)零配件，盡量減輕整機(jī)重量，同時(shí)合理布置．做到重心盡量靠近中心線，同時(shí)盡量降低重心的高度。

LOCA環(huán)境試驗(yàn)惡劣。LOCA小室由室溫預(yù)熱至50℃，從預(yù)熱開(kāi)始計(jì)時(shí)，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(kāi)始化學(xué)噴淋(噴淋液含1.5％硼酸和0.6％氧氧化鈉)，時(shí)間延續(xù)96h。事故后環(huán)境工況試驗(yàn)在100±5℃恒溫恒壓保持240h后，關(guān)閉樣機(jī)電源及試驗(yàn)區(qū)熱源。

5．總結(jié)

高智能型與高可靠性是從實(shí)際情況出發(fā)。考慮的側(cè)重點(diǎn)有所不同。只有對(duì)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(dòng)裝置的發(fā)展方向。

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