AP1000核电站阀门气动执行机构应用分析

张辉

摘 要：为满足自动控制系统越来越高的标准要求，气动执行机构已经有较大改进。本文结合应用经验对AP1000核电站所采用的阀门气动执行机构主要结构原理、附属仪表装置结构工作原理进行了总结分析，同时分析了实际使用过程中需要注意的关键问题，从而为国内核电厂气动执行机构的推广、使用、检修提供参考价值。

关键词：气动执行机构；阀门；手轮；过滤减压阀；流量放大器；电气转换器；行程开关；智能定位器

1 引言

执行机构是工业领域自动化控制过程中的执行元件，是自动调节系统中一个重要的环节[1]。在核电站、常规电厂系统回路中，工作介质的流动主要是由泵和阀门来控制的，流量大小的控制则是通过对阀门及其相连接的执行机构的调节来实现的。由于执行机构可以连续并较为精确地调节流量，能实现阀门的远程操作和控制，满足现场的需要，有助于提高工作效率和故障处理的响应时间，因而被核电厂广泛用来调节介质的流量和压力、维持容器水位的稳定、调节电厂负荷以及安全相关操作等方面。

为满足核电厂生产过程对特殊调节对象的要求，执行机构装配有相关附属装置。为了改善执行机构的静态和动态特性，需要配备相关的仪表设备，包括配备阀门定位器、气动仪表、电动仪表等；当气动执行机构的气源中断时，为不使调节阀的工作压力丧失，需要配置气动保位阀来实现调节阀行程的自锁功能；为了使电动仪表可用于气动执行机构，需要配置电气转换器、反馈信号等，以便于将电流信号转换成气压信号等。

核电站存在着大量的阀门电动执行机构和气动执行机构，本文结合核电厂实践经验，对某核电厂阀门的气动执行机构原理和应用进行了分析，对检修过程中需要关注的问题进行了总结。

2 核电厂阀门气动执行机构原理

2.1 主要结构原理

AP1000核电厂常用阀门的气动执行机构（FISHER）主要由气动头隔膜、密封腔室、气动头弹簧、手轮等组成。气动执行机构的主要部件特点和功能分析总结如下。

气动头隔膜是执行机构的承压部件，其功能原理是利用气压与弹簧之间的作用力差驱动阀杆向上或者向下运动，在密封腔室内设置有限位用的螺钉或者限位板，以确保隔膜板在密封腔室中的行程在阀门的设计行程之内。

气动头弹簧是气动阀门的驱动力部件，根据通入密封腔室内的压缩空气量来驱动弹簧，即：通过气动压力克服弹簧力来开、关阀门，当失去压缩空气时，弹簧力迫使阀门返回原来位置。实际工作发现：气动头弹簧的性能决定了气动执行机构调节质量的好坏，在核电厂安装、检修此类型设备时，机务专业人员必须按照规程要求设定好弹簧的预紧力，使其具有足够的弹性和灵敏度。

手轮结构是执行机构中重要的组成部分，其目的是为了提高运行操作的可靠性，提高气动阀门在失去控制气源后的应变能力，相当于冗余安全措施。

2.2 执行机构附属仪表装置

执行机构的附属装置主要包括：过滤器减压阀、流量放大器、电气转换器、电磁阀、锁气器、行程开关、定位器等仪表设备。

2.2.1 过滤减压阀

过滤减压阀是一种对气源进行过滤和减压的系统装置，同时将气源供给给电气转换器、定位器、流量放大器、锁气器等部件，提供工作所需的压力。

2.2.2 流量放大器

流量放大器位于阀门控制的最后一级，其功能是保持定位器的输出压力大小不变。放大流量可以使阀门控制速度加快，这种情况一般适用于大尺寸的气动阀门或要求系统响应速度快的阀门。

2.2.3 电气转换器

电气转换器的作用是将4.0～20.0mA信號转换成0.2～1.0bar的压力信号，并提供给定位器。

2.2.4 电磁阀

电磁阀所起的作用根据阀门类型不同而有所不同。对于气动调节阀门，电磁阀在气路中主要起保护作用，它一般安装在气路末端，正常工作时有带电或不带电两种状态（根据实际情况），气动头进气由定位器控制，故障时电磁阀失电或带电，以保证阀门处于全开或全关状态；对于开关阀，电磁阀起开关阀门作用，带电时阀门关闭或开启，失电时阀门开启或关闭。

2.2.5 锁气器

锁气器功能是：当供气气源失去时，可以保证将阀门锁死在原位置不动。

2.2.6 行程开关

行程开关用于监测阀门的开关状态，并输出逻辑信号。行程开关有两种类型可供选择：转动臂式行程开关和直压式行程开关。

2.2.7 阀门定位器

阀门定位器的作用是调整阀门的开度与输入信号相对应，定位器接受4.0-20.0mA的电流信号，并输出压力信号，其核心部件是中央处理单元（CPU），辅助部件是机械和气动部件。

3 气动执行机构使用经验

3.1 手轮使用经验

手轮机构是一种安全装置，正常运行或执行机构无故障时不采用手轮机构，为此必须检查手轮机构的传动是否良好，并注意防锈和必要的润滑。

3.2 过滤减压阀使用经验

过滤减压阀主要是对气源进行过滤和减压，在检验和维修中需要重点注意：

（1）检查是否存在由于顶针氧化或长期工作摩擦变形而导致的减压阀小孔漏气现象；

（2）检查过滤减压阀下方排污口是否存在漏气现象；

（3）检查减压阀本体是否存在漏气现象。

3.3 流量放大器使用经验

流量放大器主要任务是调整，调整要兼顾阀门开关时间和阀门稳定性的要求。在进行调整时，需要反复进行试验，使放大器工作在最佳状态，确保阀门开关时间的稳定性和无振荡性。流量放大器常见故障总结如下：

（1）流量放大器调整过弱，导致阀门开关时间不佳；

（2）流量放大器调整过强，导致阀门振荡；

（3）因流量放大器备件质量问题导致阀门边缘漏气；

（4）流量放大器下方堵头漏气；

（5）因过滤减压阀压力设定太小，导致阀门开关超时。

3.4 电气转换器使用经验

电气转换器的主要操作是进行零点和量程调整。需要反复进行调整，确保零点位置的准确，确保满量程输出气压在合格范围内，除此之外，还应进行线性检查。

3.5 行程开关使用经验

需要对行程开关进行反复调整，使其行程在要求的范围内，调整使用经验如下：（1）对于行程比较大的阀门，行程开关的动作值要求为其全行程的5%，对于行程比较小的阀门，要求行程开关动作后，阀门还能移动3～5毫米，因此，需要考虑不同的阀门行程要求来进行合理的调整；（2）在调整直压式行程开关时，必须保证触点对准阀杆档块上的调整螺丝螺帽，阀杆开关到位后，行程开关的触点可以回移0.5cm左右，以保证档块不会将行程开关的触点压死；（3）对于转动摆臂式行程开关，需保证转轮能完全触及挡板，并有一定的裕度；（4）确保无其他设备（如：电缆等）影响开关触点的正常动作，行程开关及其安装板不能接触影响阀杆正常移动；（5）检查并验证上行和下行两点反馈信号是否准确。

3.6 定位器使用经验总结

阀门定位器所遇到的故障可能有：（1）定位器反饋臂挂蹭螺丝或安装支架；（2）反馈臂固定螺丝松动；（3）喷嘴固定螺丝松动；（4）使用压力表量程不合格；（5）反馈臂脱落；（6）凸轮装反（对于新备件）。

4 结语

执行机构是电厂热工控制中重要的元器件，主要有气动、电动和液动三种形式的执行机构。在核电厂，对于环境温度较高、工作在危险区域或力矩较大的被控对象，一般选用气动执行机构；对于要求自调品质高的被控对象，一般选用电动执行机构；对于要求动作速度较快的被控对象，可选用液动执行机构。本文结合工作经验对AP1000核电厂用气动执行机构主要结构和功能原理进行描述，总结了应用和检修经验。

参考文献：

[1]孙冰恒.双作用式开关阀控气动阀门定位器控制研究[D].哈尔滨工业大学，2008：1-10.

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