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阀门电动装置的技术特点

来源: 上海阀门 时间: 2012-05-17 点击: 2,993

1.前言

自1929年LIMITORQUE制造出了世界上第一台阀门电动装置以来,阀门电动装置获得了较快的发展.国外是将电动执行机构与电动装置视为同一类产品,分别应用于闭环控制系统和开环控制系统。国外的电动执行机构品牌有里米托克(Limitorque)、罗托克(Rotork)、西门子(SIEMENS,电动执行机构部门已被auma收购,改名为S1POS)、奥马(auma)、BlFI、伯纳德(Bernard)、凯士通(Keystone)等,现已分别在国内电力、冶金、石油化工、污水处理及市政等各个行业得到应用。

2.阀门电动装置的发展方向

用户的需求是多种多样的,有希望带控制的、带无线遥控的、带状态显示的、带总线通讯等。现场的工况条件千差万别,如长期潜水、抗辐射、抗震动、耐高温、耐腐蚀、防爆等。总体上阀门电动装置的发展正按照用户需求、工况条件朝着高智能型、高可靠性两个方向发展:

一是随着电力电子技术、计算机技术及通讯技术的快速发展,单片机和新型高速微处理器代替以模拟电子器件为主的阀门电动装置控制单元,阀门电动装置正朝着高智能型方向快速发展,功能越来越强大。适合一般现场工况环境,操作和控制越来越方便。

二是为适应特殊行业的恶劣工况环境,这些场合往往对阀门电动装置自身控制的要求不高,但特别强调高可靠性,通过特殊的机械结构设计和材料选用,经过严酷的试验测试.使阀门电动装置正朝着高可靠性方向发展。

3.高智能型的发展方向

3.1 智能型电动装置的含义

智能型电动装嚣是指配有功率控制部分、微处理器及可加装数字通信接口,具有闭环控制功能,并能够进行故障诊断的电动装置。

在功率控制方面,分为有触点控制和无触点控制,采用接触器为有触点控制,采用固态继电器和变频器为无触点控制,应用于开环控制系统的多采用接触器控制,智能型电动装置一般采用固态继电器控制,高端智能型电动装置采用变频器控制。采用变频控制的有SIPOS和H&B以及扬州电力设备修造厂的2SA8智能型阀门电动装置等,在控制性能、功能方面要比采用固态继电器的产品更丰富。

智能型阀门电动装置控制功能相当丰富,采用了计算机控制技术,使阀门电动装置智能化,如可进行故障自诊断、现场组态、状态显示、具有多种控制模式,具备多种现场总线接口,能与各种自动化设备相匹配,适应控制系统完全数字通信的需求。采用非接触式控制元件,具备红外遥控功能,现场调试与操作时无需打开阀门电动装置,保证了防护性能。

3.2 智能型电动装置的关键技术

智能型电动装置的关键技术是计算机控制技术、电机变频调速技术及数字通信技术在电动装置中的应用。由于采用先进的变频技术,使电动装置能按要求进行各种变速调节,实现特定的操作运行方式及PID调节,改善阀门特性,减少阀门及挡板所受的冲击,提高调节质量。

在智能型电动装置中矢量控制高性能专用变频器得以广泛应用,矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的。矢量控制的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数,按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流和转矩电流进行检测,并通过控制电动机定子绕组上的电压和频率使励磁电流(或者磁通)和转矩电流的指令值和检测值达到一致,并输出转矩,从而实现矢量控制。

3.3 智能型电动装置的抗电磁干扰能力

抗电磁干扰能力是电动装置不可忽视的问题。各种运行的电力设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响,在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。阀门电动装置工作在工业现场,电磁环境比较恶劣,带一体化控制的电动装置都会有电磁干扰,其电子线路要承受严峻的考验,智能型变频电动装置由于壳体内变频器的大电流高频开关动作,其引起的电磁辐射更加突出,必须具有较强的抗电磁辐射干扰能力,需通过电磁兼容试验。

3.4 采用变频控制的智能型变频阀门电动装置的技术特点

智能控制。电动装置控制模块是整个装置的核心,它协调和控制电动装置的各个部件运行。电动装置具备了变频调速功能以后,使得电动装置内部需要检查、管理和组态的参数增多。

故障自诊断。采用全面的故障诊断及保护技术,使电动装置的运行更加安全,维护更加方便。故障诊断内容包括对控制模块的电源部分、变频器工作状态、内部关键器件、电机、阀门以及用户接线等多项内容进行在线检查和智能判断,发现故障后给出提示和报警,并记录在存储器中,便于用户分析故障原因。对影响到电动装置正常运行的严重故障可以立即进入紧急状态。电动装置提供了多种紧急状态下的处理方式由用户组态设定。故障自诊断和保护技术涉及电路硬件分析设计、软件的智能判断和故障冗余等多项技术。同时,对于电动装置电机工作时间、控制模块工作时间、电机起停次数、转矩动作次数、全开全关次数等基本运行情况都进行实时记录,记录亦保存于存储器中。

矢量控制、变频调速。变频器采用矢量控制方式,不仅可使电动装置调速范围宽,而且可以准确控制电动装置的转矩。在现场可按工况要求对电动装置的开、关向速度进行设定。电动装置使用的变频器技术源于通用变频器技术,但又有自己的特点。电动装置要求变频器在整个工频段内保持恒定的输出转矩,在最大额定转矩范围内保证输出转矩的线性和一致性。采用一体化设计的变频器是密封在电动装置内部的。

任意位置缓开、缓闭。电动装置可以在任意位置缓开、缓闭,实现柔性起停和精确的动态定位,在接近设定或极限位置时,变频器自动调整电机供电的频率和电压,降低电机转速,以最低速度慢慢到达位置,避免因惯性对阀门造成的过调和冲撞,有效防止了冲击载荷对阀门及电动装置本体、电机可能造成的损伤,延长使用寿命。

现场总线控制。具备现场总线通信是智能型电动装置所必需的,用户的需求又是多种多样的,因此必须为电动装置配备多种现场总线的接口才能满足市场的需求。目前国际上现场总线标准较多,主要有MODBUS、PROFIBUS、DEVICNET、FF等较流行的现场总线标准。当智能电动装置与现场总线连接时,智能电动装置就成了现场总线控制系统中的一块现场仪表,这时它不仅具有电动装置的功能,还具有控制、运算和通信等功能。

4.高可靠性的发展方向

近年来国内核电发展迅速,需要使用的电动装置数量很可观,大型舰船上也需要使用大量的电动装置,这些特殊应用场合中有其特殊的要求,如抗辐射要求、抗震动要求、耐高温、耐腐蚀的要求等,对电动装置的可靠性提出了苛刻的要求,这些都需要对电动装置所用材料、结构等进行专门的设计和试验方能实现。

由于核级产品的工况要求最为苛刻,下面以核级阀门电动装置为例加以介绍。核级阀门电动装置有开关型和调节型两种形式,分别应用于开环控制系统和闭环控制系统。核级阀门电动装置的标准:EJ/Tl022.11—96主要参照RCC—E标准,而EJ/T531则完全等同IEEE382。

4.1 核级阀门电动装置的安全等级

核级阀门电动装置的安全等级为1E级(1E级:是反应堆和核电厂电气设备和系统的一个安全级别。参照标准EJ/T531的定义)。在GB/T15474核电厂仪表和控制系统及其供电设备安全分级标准中还有安全有关的(SR)设备以及非安全重要(NS)设备,其中安全级(1E)设备的使用条件最为苛刻。典型的安全级(1E)仪表及其供电系统设备如:反应堆保护系统,安全执行系统的仪表和控制设备,专设安全设施(如应急堆芯冷却系统、安全壳喷淋系统、安全壳空气控制系统、蒸汽发生器辅助给水系统和安全壳隔离系统)的某些仪表和装置设备,安全系统辅助设施(如设备冷却水系统、应急厂用水系统)的某些仪表和执行设备,某些辐射检测系统以及逆变装置等。

从设计开始,就应尽可能全面的核实电动装置的实际工况条件,在安全级的系统中,有些设备可能是非安全级的;在安全有关的系统中,有些设备可能是安全级的,应针对具体情况具体对待。

4.2 核级阀门电动装置的产品分类

参照标准EJ/T1022.11,核级阀门电动装置可分为:Kl类、K2类和K3类。

K1类核级阀门电动装置是指安装在核反应堆安全壳以内,在正常的环境条件下和在SL2(安全停堆地震动)载荷下以及在事故期间或事故之后仍能够执行规定的功能。

K2类核级阀门电动装置是指安装在核反应堆安全壳以内,在正常的环境条件下和在SL2(安全停堆地震动)载荷下仍能执行规定的功能。

K3类核级阀门电动装置是指安装在核反应堆安全壳以外,在正常的环境条件下和在SL2(安全停堆地震动)载荷下仍能执行规定的功能。

4.3 核级阀门电动装置的相关试验

热老化试验。热老化模拟试验是证明在加速热老化环境作用下和作用以后被试验驱动装置的可运行性,加速热老化模拟环境相当于设备安装寿命期间预期的正常热老化环境。在EJ/T531中规定加热阀门电动装置至138℃并保持该温度进行正常热老化模拟。在EJ/T1022.11中规定阀门将电动装置在干燥的空气中加热至135℃,试验950h。对于不同于135℃的试验温度和试验时间按公式另行计算。

机械磨损老化试验。阀门电动装置应在加载情况下,经2000次循环动作试验。该试验应在辐照试验前后各进行1000次。

辐照试验。标准对此要求差异比较大,RCC—E要求70℃下辐照老化为250KGy,事故辐照为600KGy。EJ/T1022.11—96中规定:辐照在干燥的空气中进行,温度70±3℃,辐照老化累计辐照剂量250kGy,事故辐照剂量600 KGy,总累计剂量850 kGy,剂量率为O.25±O.14Gy/s。而IEEE382辐照老化是常温下700 KGy,事故辐照为1200KGy。

承压试验。将阀门电动装置置于压力为O.49 MPa的压力容器中进行气体加压试验,每次加压时间为3min,共进行15次。要求电动装置运转正常,壳体及各主要零部件不得损坏。

振动试验。分别在阀门电动装置的三个正交轴向施加幅值为O.75g的正弦扫描激振信号,扫描频率范围从5HZ到200HZ再到5HZ,扫描速度为2倍频程/分,每个方向施加振动时间为90分钟。驱动机构在负荷下每l5分钟开关一次。

动态特性探察试验。分别在阀门电动装置的三个正交轴向输入加速度幅值不大于O.2g的白噪声进行激振,测量机构的自振频率和阻尼比。振动时间不少于120s,试验分别在机构阀门开启和关闭两种状态下进行。

抗震鉴定试验。试验分别在三个正交轴向进行。采用阀门电动装置的上安装面(或相近位置,视安装情况而定)处的加速度信号作为控制信号完成0BE和SSE地震试验。

失水事故(LOCA)环境实验。参照RCC—E标准可分为状态调节阶段、第一阶段LOCA环境试验、第二阶段LOCA环境试验、事故后环境工况试验。

寿命试验。寿命试验是在未经老化和失水事故试验的样机上进行的。参照标准EJ/T1022.11在运行转矩(1/3最大控制转矩)载荷下进行20000次的寿命试验。

4.4 lE级Kl类核级阀门电动装置的技术特点

鉴定寿命长。由于K1类产品的需要经受辐照、腐蚀、高温、高湿度环境,并要满足40年的使用寿命要求.在核级阀门电动装置的设计时需要求零配件、油漆、箱体、控制机构、电气元件、密封件以及所有非金属件选择能够符合要求的材料。

辐照剂量大。由于核级阀门电动装置需要经受辐射和高温等严酷试验、对可靠性要求非常高,所以需对电机、导线、行程开关、力矩开关、接插件包括导线等所有电气器件都采用特殊要求的产品,并进行辐照老化试验。

抗震要求高。能经受5次OBE加1次SSE 地震载荷.OBE 地震加速度在X、Y、z轴线上单方向为4g,SSE地震加速度在X、Y、z轴线上单方向为6g,整机固有振动频率大于33Hz。针对核级产品在抗振和抗震上的要求,产品在保证强度的前提下精确设计每一个零配件,尽量减轻整机重量,同时合理布置.做到重心尽量靠近中心线,同时尽量降低重心的高度。

LOCA环境试验恶劣。LOCA小室由室温预热至50℃,从预热开始计时,在50±10℃rF持续24h。第一阶段LOCA在30秒内温度由50℃快速升至156~160℃,在156℃以上保持12min后在封闭条件下自然降温至50℃。第二阶段LOCA在30s内温度由50℃快速升至156℃以上,在156℃恒温200秒后开始化学喷淋(喷淋液含1.5%硼酸和0.6%氧氧化钠),时间延续96h。事故后环境工况试验在100±5℃恒温恒压保持240h后,关闭样机电源及试验区热源。

5.总结

高智能型与高可靠性是从实际情况出发。考虑的侧重点有所不同。只有对用户使用需求、工况环境条件有了充分了解.并采取相应的技术措施,才能符合阀门电动装置的发展方向。

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