1．前言

自1929年LIMITORQUE制造出了世界上第一臺閥門電動裝置以來，閥門電動裝置獲得了較快的發展．國外是將電動執行機構與電動裝置視為同一類產品，分別應用于閉環控制系統和開環控制系統。國外的電動執行機構品牌有里米托克(Limitorque)、羅托克(Rotork)、西門子(SIEMENS，電動執行機構部門已被auma收購，改名為S1POS)、奧馬(auma)、BlFI、伯納德(Bernard)、凱士通(Keystone)等，現已分別在國內電力、冶金、石油化工、污水處理及市政等各個行業得到應用。

2．閥門電動裝置的發展方向

用戶的需求是多種多樣的，有希望帶控制的、帶無線遙控的、帶狀態顯示的、帶總線通訊等。現場的工況條件千差萬別，如長期潛水、抗輻射、抗震動、耐高溫、耐腐蝕、防爆等。總體上閥門電動裝置的發展正按照用戶需求、工況條件朝著高智能型、高可靠性兩個方向發展：

一是隨著電力電子技術、計算機技術及通訊技術的快速發展，單片機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裝置控制單元，閥門電動裝置正朝著高智能型方向快速發展，功能越來越強大。適合一般現場工況環境，操作和控制越來越方便。

二是為適應特殊行業的惡劣工況環境，這些場合往往對閥門電動裝置自身控制的要求不高，但特別強調高可靠性，通過特殊的機械結構設計和材料選用，經過嚴酷的試驗測試．使閥門電動裝置正朝著高可靠性方向發展。

3．高智能型的發展方向

3．1 智能型電動裝置的含義

智能型電動裝囂是指配有功率控制部分、微處理器及可加裝數字通信接口，具有閉環控制功能，并能夠進行故障診斷的電動裝置。

在功率控制方面，分為有觸點控制和無觸點控制，采用接觸器為有觸點控制，采用固態繼電器和變頻器為無觸點控制，應用于開環控制系統的多采用接觸器控制，智能型電動裝置一般采用固態繼電器控制，高端智能型電動裝置采用變頻器控制。采用變頻控制的有SIPOS和H&B以及揚州電力設備修造廠的2SA8智能型閥門電動裝置等，在控制性能、功能方面要比采用固態繼電器的產品更豐富。

智能型閥門電動裝置控制功能相當豐富，采用了計算機控制技術，使閥門電動裝置智能化，如可進行故障自診斷、現場組態、狀態顯示、具有多種控制模式，具備多種現場總線接口，能與各種自動化設備相匹配，適應控制系統完全數字通信的需求。采用非接觸式控制元件，具備紅外遙控功能，現場調試與操作時無需打開閥門電動裝置，保證了防護性能。

3．2 智能型電動裝置的關鍵技術

智能型電動裝置的關鍵技術是計算機控制技術、電機變頻調速技術及數字通信技術在電動裝置中的應用。由于采用先進的變頻技術，使電動裝置能按要求進行各種變速調節，實現特定的操作運行方式及PID調節，改善閥門特性，減少閥門及擋板所受的沖擊，提高調節質量。

在智能型電動裝置中矢量控制高性能專用變頻器得以廣泛應用，矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。矢量控制的基本控制思想是根據輸入的電動機的銘牌參數，按照一定的關系式分別對作為基本控制量的勵磁電流和轉矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓和頻率使勵磁電流(或者磁通)和轉矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實現矢量控制。

3．3 智能型電動裝置的抗電磁干擾能力

抗電磁干擾能力是電動裝置不可忽視的問題。各種運行的電力設備之間以電磁傳導、電磁感應和電磁輻射三種方式彼此關聯并相互影響，在一定的條件下會對運行的設備和人員造成干擾、影響和危害。閥門電動裝置工作在工業現場，電磁環境比較惡劣，帶一體化控制的電動裝置都會有電磁干擾，其電子線路要承受嚴峻的考驗，智能型變頻電動裝置由于殼體內變頻器的大電流高頻開關動作，其引起的電磁輻射更加突出，必須具有較強的抗電磁輻射干擾能力，需通過電磁兼容試驗。

3．4 采用變頻控制的智能型變頻閥門電動裝置的技術特點

智能控制。電動裝置控制模塊是整個裝置的核心，它協調和控制電動裝置的各個部件運行。電動裝置具備了變頻調速功能以后，使得電動裝置內部需要檢查、管理和組態的參數增多。

故障自診斷。采用全面的故障診斷及保護技術，使電動裝置的運行更加安全，維護更加方便。故障診斷內容包括對控制模塊的電源部分、變頻器工作狀態、內部關鍵器件、電機、閥門以及用戶接線等多項內容進行在線檢查和智能判斷，發現故障后給出提示和報警，并記錄在存儲器中，便于用戶分析故障原因。對影響到電動裝置正常運行的嚴重故障可以立即進入緊急狀態。電動裝置提供了多種緊急狀態下的處理方式由用戶組態設定。故障自診斷和保護技術涉及電路硬件分析設計、軟件的智能判斷和故障冗余等多項技術。同時，對于電動裝置電機工作時間、控制模塊工作時間、電機起停次數、轉矩動作次數、全開全關次數等基本運行情況都進行實時記錄，記錄亦保存于存儲器中。

矢量控制、變頻調速。變頻器采用矢量控制方式，不僅可使電動裝置調速范圍寬，而且可以準確控制電動裝置的轉矩。在現場可按工況要求對電動裝置的開、關向速度進行設定。電動裝置使用的變頻器技術源于通用變頻器技術，但又有自己的特點。電動裝置要求變頻器在整個工頻段內保持恒定的輸出轉矩，在最大額定轉矩范圍內保證輸出轉矩的線性和一致性。采用一體化設計的變頻器是密封在電動裝置內部的。

任意位置緩開、緩閉。電動裝置可以在任意位置緩開、緩閉，實現柔性起停和精確的動態定位，在接近設定或極限位置時，變頻器自動調整電機供電的頻率和電壓，降低電機轉速，以最低速度慢慢到達位置，避免因慣性對閥門造成的過調和沖撞，有效防止了沖擊載荷對閥門及電動裝置本體、電機可能造成的損傷，延長使用壽命。

現場總線控制。具備現場總線通信是智能型電動裝置所必需的，用戶的需求又是多種多樣的，因此必須為電動裝置配備多種現場總線的接口才能滿足市場的需求。目前國際上現場總線標準較多，主要有MODBUS、PROFIBUS、DEVICNET、FF等較流行的現場總線標準。當智能電動裝置與現場總線連接時，智能電動裝置就成了現場總線控制系統中的一塊現場儀表，這時它不僅具有電動裝置的功能，還具有控制、運算和通信等功能。

4．高可靠性的發展方向

近年來國內核電發展迅速，需要使用的電動裝置數量很可觀，大型艦船上也需要使用大量的電動裝置，這些特殊應用場合中有其特殊的要求，如抗輻射要求、抗震動要求、耐高溫、耐腐蝕的要求等，對電動裝置的可靠性提出了苛刻的要求，這些都需要對電動裝置所用材料、結構等進行專門的設計和試驗方能實現。

由于核級產品的工況要求最為苛刻，下面以核級閥門電動裝置為例加以介紹。核級閥門電動裝置有開關型和調節型兩種形式，分別應用于開環控制系統和閉環控制系統。核級閥門電動裝置的標準：EJ/Tl022.11—96主要參照RCC—E標準，而EJ／T531則完全等同IEEE382。

4．1 核級閥門電動裝置的安全等級

核級閥門電動裝置的安全等級為1E級(1E級：是反應堆和核電廠電氣設備和系統的一個安全級別。參照標準EJ／T531的定義)。在GB／T15474核電廠儀表和控制系統及其供電設備安全分級標準中還有安全有關的(SR)設備以及非安全重要(NS)設備，其中安全級(1E)設備的使用條件最為苛刻。典型的安全級(1E)儀表及其供電系統設備如：反應堆保護系統，安全執行系統的儀表和控制設備，專設安全設施(如應急堆芯冷卻系統、安全殼噴淋系統、安全殼空氣控制系統、蒸汽發生器輔助給水系統和安全殼隔離系統)的某些儀表和裝置設備，安全系統輔助設施(如設備冷卻水系統、應急廠用水系統)的某些儀表和執行設備，某些輻射檢測系統以及逆變裝置等。

從設計開始，就應盡可能全面的核實電動裝置的實際工況條件，在安全級的系統中，有些設備可能是非安全級的；在安全有關的系統中，有些設備可能是安全級的，應針對具體情況具體對待。

4．2 核級閥門電動裝置的產品分類

參照標準EJ/T1022．11，核級閥門電動裝置可分為：Kl類、K2類和K3類。

K1類核級閥門電動裝置是指安裝在核反應堆安全殼以內，在正常的環境條件下和在SL2(安全停堆地震動)載荷下以及在事故期間或事故之后仍能夠執行規定的功能。

K2類核級閥門電動裝置是指安裝在核反應堆安全殼以內，在正常的環境條件下和在SL2(安全停堆地震動)載荷下仍能執行規定的功能。

K3類核級閥門電動裝置是指安裝在核反應堆安全殼以外，在正常的環境條件下和在SL2(安全停堆地震動)載荷下仍能執行規定的功能。

4．3 核級閥門電動裝置的相關試驗

熱老化試驗。熱老化模擬試驗是證明在加速熱老化環境作用下和作用以后被試驗驅動裝置的可運行性，加速熱老化模擬環境相當于設備安裝壽命期間預期的正常熱老化環境。在EJ/T531中規定加熱閥門電動裝置至138℃并保持該溫度進行正常熱老化模擬。在EJ/T1022.11中規定閥門將電動裝置在干燥的空氣中加熱至135℃，試驗950h。對于不同于135℃的試驗溫度和試驗時間按公式另行計算。

機械磨損老化試驗。閥門電動裝置應在加載情況下，經2000次循環動作試驗。該試驗應在輻照試驗前后各進行1000次。

輻照試驗。標準對此要求差異比較大，RCC—E要求70℃下輻照老化為250KGy，事故輻照為600KGy。EJ/T1022.11—96中規定：輻照在干燥的空氣中進行，溫度70±3℃，輻照老化累計輻照劑量250kGy，事故輻照劑量600 KGy，總累計劑量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。將閥門電動裝置置于壓力為O.49 MPa的壓力容器中進行氣體加壓試驗，每次加壓時間為3min，共進行15次。要求電動裝置運轉正常，殼體及各主要零部件不得損壞。

振動試驗。分別在閥門電動裝置的三個正交軸向施加幅值為O.75g的正弦掃描激振信號，掃描頻率范圍從5HZ到200HZ再到5HZ，掃描速度為2倍頻程/分，每個方向施加振動時間為90分鐘。驅動機構在負荷下每l5分鐘開關一次。

動態特性探察試驗。分別在閥門電動裝置的三個正交軸向輸入加速度幅值不大于O.2g的白噪聲進行激振，測量機構的自振頻率和阻尼比。振動時間不少于120s，試驗分別在機構閥門開啟和關閉兩種狀態下進行。

抗震鑒定試驗。試驗分別在三個正交軸向進行。采用閥門電動裝置的上安裝面(或相近位置，視安裝情況而定)處的加速度信號作為控制信號完成0BE和SSE地震試驗。

失水事故(LOCA)環境實驗。參照RCC—E標準可分為狀態調節階段、第一階段LOCA環境試驗、第二階段LOCA環境試驗、事故后環境工況試驗。

壽命試驗。壽命試驗是在未經老化和失水事故試驗的樣機上進行的。參照標準EJ/T1022.11在運行轉矩(1/3最大控制轉矩)載荷下進行20000次的壽命試驗。

4.4 lE級Kl類核級閥門電動裝置的技術特點

鑒定壽命長。由于K1類產品的需要經受輻照、腐蝕、高溫、高濕度環境，并要滿足40年的使用壽命要求．在核級閥門電動裝置的設計時需要求零配件、油漆、箱體、控制機構、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。由于核級閥門電動裝置需要經受輻射和高溫等嚴酷試驗、對可靠性要求非常高，所以需對電機、導線、行程開關、力矩開關、接插件包括導線等所有電氣器件都采用特殊要求的產品，并進行輻照老化試驗。

抗震要求高。能經受5次OBE加1次SSE 地震載荷．OBE 地震加速度在X、Y、z軸線上單方向為4g，SSE地震加速度在X、Y、z軸線上單方向為6g，整機固有振動頻率大于33Hz。針對核級產品在抗振和抗震上的要求，產品在保證強度的前提下精確設計每一個零配件，盡量減輕整機重量，同時合理布置．做到重心盡量靠近中心線，同時盡量降低重心的高度。

LOCA環境試驗惡劣。LOCA小室由室溫預熱至50℃，從預熱開始計時，在50±10℃rF持續24h。第一階段LOCA在30秒內溫度由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內溫度由50℃快速升至156℃以上，在156℃恒溫200秒后開始化學噴淋(噴淋液含1.5％硼酸和0.6％氧氧化鈉)，時間延續96h。事故后環境工況試驗在100±5℃恒溫恒壓保持240h后，關閉樣機電源及試驗區熱源。

5．總結

高智能型與高可靠性是從實際情況出發。考慮的側重點有所不同。只有對用戶使用需求、工況環境條件有了充分了解．并采取相應的技術措施，才能符合閥門電動裝置的發展方向。

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