高压全数字式疏水阀测控一体化型式试验平台的设计*

安贞虎，郭玉栋，魏 红，刘 民，杨壮壮，贾转红

(甘肃红峰机械有限责任公司，甘肃 平凉 744000)

1 设计高压全数字式蒸汽疏水阀型式试验平台的必要性

型式试验(type test)是为了验证产品能否满足技术规范的全部要求所进行的试验。它是新产品鉴定中必不可少的一个环节。疏水阀及其延伸产品只有通过型式试验，才能正式投入生产和销售。蒸汽疏水阀及其延伸产品凝结水回收用蒸汽动力机械泵等产品在研发、设计、定型及批量化生产过程中需要进行大量的试验、实验，设计开发的新产品必须进行验证、评定、鉴定试验。国家标准GB/T 12251—2005《蒸汽疏水阀试验方法》[1]要求蒸汽疏水阀类产品在设计定型时必须进行全项型式试验，产品出厂时必须逐台进行出厂动作性能试验和壳体强度试验。试验介质必须是高温高压蒸汽和凝结水。试验装置必须有高压锅炉为其提供蒸汽汽源，必须有完整的系统化检测装置。

目前，国内仅有3～4套疏水阀型式试验装置，试验装置的测试参数不高(试验压力不超过4.5 MPa)，试验项目不全，而且全部采取现场操作方式，其数据采集、数据处理、结果生成、历史数据贮存等全部由人工完成，试验水平明显落后。综观国内疏水阀行业型式试验装置水平的落后状况，既不利于行业技术的发展，也不利于政府监管部对产品质量的监督和评定。

从试验标准上看，目前我国和世界是同步的，都是20世纪80年代末制定的，国际标准现有ISO 7841∶1988、ISO 7842∶1988、ASME PTC 39—2005[2-4]，我国标准有GB/T 12251—1989，2005年对标准进行了修订，修订后的标准为GB/T 12251—2005。国际国内标准在试验方法上，都对高参数蒸汽疏水阀不能按同等的参数进行试验，对高压及大排量的蒸汽疏水阀的性能(动作、排量、漏汽量)不能直接采用试验进行验证。实际生产制造的高参数产品与现场使用要求还有一定的距离。

近20年来，由于蒸汽疏水阀的国际及国内试验检测标准没有变化，仍然沿用20世纪80年代制定的标准，试验方法也没有提高，依然用低参数替代高参数进行试验验证，这种方式对于高参数、大参数的蒸汽疏水阀试验验证是不科学的。

随着国内产品开发走向高质量、高参数、大参数的趋势，设计建设一套高水平、高参数化、自动化、全性能检测的蒸汽疏水阀型式试验平台是行业技术进步的需要[5-6]。

数字化时代已经来临，专业制造企业和国家相关监督检验部门必须为国家标准GB 12251的修订及再版提供必要的基础技术条件。

近两年来，针对国地联合工程实验室项目，甘肃红峰机械有限责任公司作为国内疏水阀行业的领军企业，投资建设了一套PN160级别的全数字式疏水阀型式试验装置，形成了集检验、检测、试验、研究为一体的国家地方联合试验室。国家阀门产品监督检验中心(福建)投资建设了一套10.0 MPa级别的疏水阀型式试验装置。该试验装置的建成投运，提升了国内疏水阀型式试验能力，可以为行业内产品共性关键技术的研究与验证提供服务，为政府相关质量监督检验部门提供技术支持[7-9]。

2 总体方案设计

目前，国内高参数疏水阀产品的压力参数已达到23.0 MPa/597 ℃，排量参数已达到1.6～12.0 MPa、500 t/h，工程现实要求试验装置的测试压力、温度、排量参数都要提高，因此新建试验装置的测控自动化水平要提高，智能化水平要提高，设计工控目标要达到工业3.0～4.0的水平。新建设的全数字式蒸汽疏水阀型式试验平台必须是测控一体化的先进的试验装置平台，建设这样的平台可为我国的疏水阀试验标准的修订提供基础技术条件。

设计依据：GB/T 12251—2005、ASME PTC 39—2005、ISO 7841∶1988和ISO 7842∶1988。

设计原则：模块化设计，便于该装置平台复制推广。

设计内容：蒸汽制备模块、蒸汽储运模块、阀门性能试验测试模块、安全及环保模块、电气自动化控制及蒸汽参数监控模块、数字化测控及智能化试验数据处理模块、远程同步视频监控模块和远程同步视频观摩试验模块。模块化设计示意图如图1所示。

设计目标：该测试平台技术达到国内先进，能够完成国家标准要求的疏水阀所有性能参数项目测试。平台设计压力等级PN160，蒸汽压力8.0～10.0 MPa。测控自动化、数字化，数据处理智能化。能够远程视频监控，远程视频观摩现场试验过程。实现下列试验项目：壳体、动作、最低工作压力、最高工作背压、最高工作压力、无负荷漏汽量、有负荷漏汽量[10-11]、凝结水排量和过冷度等11种试验。既能满足为国内其他制造企业提供疏水阀产品验证、评定，对本公司新产品研发进行验证、评定，又能满足本公司日常生产中的出厂产品性能检测。设计参数见表1～表5，设计工艺流程如图2所示。

表1 燃气锅炉设计参数

表2 储汽罐、稳压罐、换热器设计参数

表3 计量平台设计参数

表4 仪表精度

表5 测试能力与测试项目

3 模块化设计内容

1)蒸汽制备模块设计：包括1台高压天然气锅炉及锅炉辅机(产汽量2 t/h，额定产汽压力10.0 MPa，用于制备高压蒸汽)，1台低压天然气锅炉及锅炉辅机(产汽量4 t/h，额定产汽压力2.5 MPa，用于制备低压蒸汽，供生产日常、出厂检测及低压大排量疏水阀定型测试)，锅炉采用全自动智能化控制系统，配套自动化软化水制水系统1套。

天燃气锅炉房电气设计：包括动力配电箱系统、等电位联结、防雷接地布置、动力配电、照明配电、火灾自动报警系统布置及通信布置、局部照明布置等。天然气蒸汽锅炉系统-蒸汽制备模块如图3所示。

2)蒸汽储运模块：包括PN160高压分汽缸、高压蒸汽管路、高压蒸汽储罐、高压蒸汽减压系统及管路。

3)阀门试验测试模块：包括高压PN160、低压PN40两套疏水阀性能测试系统，1套PN160减压阀性能测试系统。本模块含高压稳压罐、低压稳压罐、测试管路、控制阀门、流量计、远传智能压力温度流量仪器、仪表、背压罐系统、凝结水集水槽系统、电子称重系统等，高压主管路管径DN100，低压主管路管径DN150，测试台、被测试阀门接管、各种变径接管等。测试装载器具包括被测试阀门专用升降器、专用伸缩式固定器、专用单臂吊机。储运模块如图4所示。

4)电气自动化控制及蒸汽参数检测控制系统、疏水阀门性能数字化测控及智能化数据处理系统2个模块是紧密关联系统，包括平台内所有设备及管道的压力、温度监控、试验过程中的流量、液位的监控，智能化、数字化远传仪器仪表，控制系统主机，可视化操作平台，智能化数据处理软件系统等机电一体数字化设备。试验系统控制及监控模块如图5所示。

现场测控阀门包括各种手动阀门、电气控制开关阀、减压阀、流量调节阀；测控仪表包括蒸汽流量计、热水流量计、温度变送器、压力变送器、液位变送器、称重传感器等，以上阀门及仪表均选用进口或国产高品质产品，测控精度达到实验室级别，仪表精度等级在0.05级以上。

本平台系统的流量计的选择是重点，宜选用温压补偿一体型流量计，当测量过热蒸汽时，需要温度压力同时补偿；蒸汽一般都以质量流量结算。当温度或压力有任何一个发生变化，蒸汽的密度都会发生改变，质量流量也随之改变。流量计在测量饱和蒸汽时，只需要单独温度补偿或单独压力补偿。饱和蒸汽的密度与温度或压力有一个固定的对应关系(饱和蒸汽密度表)，知道其中的任何一个，都可以确定饱和蒸汽的密度。而在测量液体时，一般不需要压力补偿，在5.0 MPa以下，一般只考虑温度影响，为准确测量需要温度补偿。

5)其他辅助系统：包括废水、废气收集处理系统；安全、降噪、环保设施(排污热回收、烟气热回收、除氧热回收)等。

国家标准只规定了蒸汽制备部分和阀门测试部分的基本要求。实际上设计一个完整的先进的试验测试平台，相当于设计一个小型工厂，各种考虑必须周全。

4 设计难点

该平台的设计难点在于数字式智能化的性能检测和控制系统，该系统在国内和国际上无参考案例，完全自主设计，且要求技术先进，以工业4.0为目标达到国内领先技术水平，并实现技术跨跃。

锅炉及压力容器和管道系统配置的各种监控及检测仪器仪表、工业电气控制阀门及仪表设计要求的质量和精度达到先进水平，工控软硬件采用国际知名品牌产品，力求控制精准，采集的信号数据准确，工控系统集成化设计，数据处理实现智能化自动处理。

疏水阀型式试验装置平台的电控软件系统的开发采用WIN CC组态软件和STEP7的STL语言编程软件，这2款软件均安装在工控机上，工控机是上位机，WinCC画面组态工程创建完成后存储在上位机；STL语言程序编制调试完成后下载到PLC中，用于现场控制，PLC是下位机。上位机经过通信卡与下位机的通信模块连接，实现上、下位机的通信。

控制软件采用目前先进的SCL语言编程，该程序易于学习和掌握，能间接描述复杂的算法，可实现短时间开发易读性更好的程序，支持西门子S7中的块和数据类型，能够与S7语言(LAD/FBD/STL)实现系统集成。

控制系统操作面版的设计要求如下：1)主要是配色风格与公司标示色统一，采用一些简单的图案；2)风格简约大方，有科技感，视觉效果舒适、雅观、稳重；3)按钮、指示灯以及图标与屏幕的位置都是固定的，不能更改；4)操作面板镶嵌在控制室的机台上，设计须耐脏；5)面板上选择适合的位置放置公司的Logo。

数据采集及数据处理的设计要求：数据采集DAQ系统和可编程自动化控制器(PAC)连接到一个单独的网络交换机上，该交换机可以根据需要将任何传感通道上传到服务器和HMFTF控制中心。PAC系统采用2个Compact RIO底盘，每个底盘可容纳8个传感模块。这些模块感应可控制平台系统设备内所有组件的系统压力、液位、流体的温度、流量和阀门位置。

利用Compact RIO与FPGA开发一个集成系统，能够完成相对复杂的操作，包括数据收集、数据计算以及控制信号的高速输出，数据采集与控制二合一。CompactRIO硬件使用了具有实时功能的I/O模块(不同的传感器或协议有不同的模块)提供工业级别的监控解决方案。能够满足平台特性：实时处理需求，工业监控应用，长期现场测试。

控制系统与数据处理系统间的通信设计开发：内部二次开发。

数据处理软件的设计开发：内部二次开发。

逻辑性：依据检测控制系统提供的压力、温度、流量、液位、重量等信号转换的数据，按照设定的公式进行相应的逻辑运算，最终输出被测试疏水阀的排水量P-Q曲线图、漏汽率、最高工作背压等。试验测试控制逻辑图如图6所示。

视频监控系统及远程云视频直播试验过程：现场安装萤石云视频监控系统，通过互联网直播、数据共享的方式进行试验。实现客户在异地远程同步实时视频观看型式试验的全过程，可以手机、电脑共享视频，也可以线上视频直接与现场操作人员交流。试验前，工作人员在试验管道、机房等关键地方安装专门的萤石云摄像头，真实记录试验过程并同步上传互联网。试验过程中，通过互联网云连线，实时观看试验过程、共享数据，确保试验的真实性、有效性、严肃性。

5 设计关键

该试验平台的设计关键点是数字化监控检测系统的软件设计，选择合适的工控编程语言，以缩短程序开发周期，提高编程效率为原则；设计编写出可读性强的程序，使操控人员能够更快地读懂新编的程序；为安全考虑，程序必须进行加密、保护，采用某些特定的编程方式，让不相干的人读不了或读不懂平台专用程序。

该型式试验装置的机械结构部分主要由高温高压的压力容器、热交换器、高压阀门和高压汽水管路组成，在安全管理工作中是重大危险源，在设计开发的软件系统中必须设计采取多项连锁和应急措施，保证平台装置系统安全稳定运行。

本平台项目不但有锅炉炉控设备，而且有集中监控、操控、报警、曲线显示、数据报表等要求。因此，单纯使用LAD、FBD、STL等工具不能高效优质地完成任务，还需搭配SCL、CFC等编程工具。

SIEMENS的STL语言有较多二次开发的指令，主要是面向CPU操作的语言，比汇编语言稍高级，是文本顺序编程方式。它的优点是：指令全，代码精炼，体积较小，效率高，功能强大，编程灵活自由，能完成其他语言无法完成的工作，每条语句都能做独立的注释。它的缺点是：抽象，不容易理解，可读性不强。有汇编语言经验的专业人员比较喜欢使用，比较适合用STL语言来开发和调用子程序。

SCL语言类似Pascal语言，结构严谨，具有C语言的思想，属于高级语言，做复杂数据计算和处理最佳；用作子程序的开发也比较适合，特别适合熟悉Pascal语言的专业人员使用，主要使用在复杂数据处理的场合，编译后生成S7程序才能使用。此语言工具需要单独安装，还需要独立的授权。软硬件逻辑图如图7所示，平台控制系统图如图8所示。

基于数据的完整解决方案，包括数据采集、数据共享与集成、数据分析与可视化、生成数据分析报告等，实现对设备、研发、测试、产品试验数据等资源进行科学高效地管理。

本平台系统采用传感器、带通信功能的数字智能显示仪表、RS485/RS232通信转换器、计算机和工控组态软件完成试验过程自动化测试、数据采集以及数据的初步处理等任务。

二次开发设计的蒸汽疏水阀型式试验专用数据处理软件负责完成试验数据的自动分析和处理任务。

建立云数据中心，用好数字化、网络化、智能化。研发测试数据资源整合和数据开放共享。

6 试验调试

数字式测控一体化疏水阀型式试验装置的电控软件系统包含WinCC组态软件和STEP7的STL语言编程软件，这2款软件均安装在工控机上，工控机是上位机，WinCC画面组态工程创建完成后存储在上位机；STL语言程序编制调试完成后下载到PLC中，用于现场控制，PLC是下位机。上位机由通信卡与下位机的通信模块连接，实现上、下位机的通信。使用时，根据GB/T 12251—2005《蒸汽疏水阀 试验方法》要求的具体内容，在上位机屏幕上点击鼠标即可完成对疏水阀的11种型式试验。试验数据会自动保存，同时进行数据可视化。在上位机屏幕上可实现对温度、压力、流量、重量和液位等物理量目标值的设定、实时采集、A/D-D/A变换、逻辑与数学运算处理、数据分析等功能。

6.1 试验准备

账号登录：高压蒸汽疏水阀型式试验装置是重大危险源，每次启动工控机应输入正确密码才可登录运行(见图9)。

控制及试验项目：分为蒸汽制备和阀门测试两部分。

试验装置平台基本设定条件：按国标规定设定试验压力Ps±1.5%、试验温度ts±3%、试验时间Ts和负荷率RL。

6.2 调试及试验实例操作

以GH9-120型高压杠杆浮球式疏水阀热凝结水排量试验的实操为例，详细描述具体试验步骤。

1)准备工作：开机前确保所有运行设备处于完好和安全状态，试验用蒸汽、热水和压缩空气给排处于正常。安装好测试用疏水阀GH9-120 DN100/PN160，调试及测试试验分低压测试试验单元和高压测试试验单元两部分，≤2.0 MPa为低压，>2.0 MPa为高压，GH9-120型疏水阀的工作压力范围为0.01～12.0 MPa，调试和试验分别做2次低压试验和2次高压试验，根据试验数据自动生成压差排量曲线，完成试验目标。

2)系统开机，工控机已正常启动，系统运行准备完备，双击工控机桌面上的快捷图标，启动WinCC(见图10)。

a.单击WinCC运行启动，显示系统初始画面(见图11)。项目被激活，工控机屏幕右上角“通信状态”出现“PLC与WinCC通信正常”，系统进入工作状态。

b.点选图11中的“开始试验”，弹出系统工艺简图(见图12)。

c.单击图12中的“试验作业”，进入型式试验流程及试验模式选择画面(见图13)，依次单击“试验用蒸汽制备”“低压蒸汽疏水阀试验”“高压蒸汽疏水阀试验”“压差排量曲线及试验数据”各测试项，按GB 12251的标准规定完成测试过程。

d.单击图13中的“试验用蒸汽制备”，以制备试验用蒸汽和热水(见图14)：依次打开代号V001、V004、V602和V009各阀门，其余阀门处于关闭状态，锅炉产生的规定压力蒸汽输入至入口分汽缸、储压罐(罐内初始已注入软化水量为容积的30%)和出口分汽缸，当储压罐压力上升到2.0 MPa、温度达到213.849 ℃时，关闭V602，完成低压试验用蒸汽和热水的制备。

e.单击图14中的“低压蒸汽疏水阀试验”，出现图15界面，依次打开代号V602、V014、V402、V405、V207各阀门(其余阀门处于关闭状态)，蒸汽输入至低压罐(罐内初始已注入软化水量为容积的30%)，当压力升到2.0 MPa、温度213.8 ℃时，关闭代号V602、V014两阀门，开始低压排量试验，试验用水通过被测疏水阀，经代号V313或V413阀门流入计量桶或储水池。

试验数据逐一传至控制系统且显示于控制面版。当低压罐压力为1.2 MPa时，重复上述方法步骤继续试验，2次试验数据见表6。

表6 低压蒸汽下疏水阀排量试验简要数据表

f.单击图14中的“高压蒸汽疏水阀试验”，出现图16界面，依次打开代号V602、V013、V302、V305各阀门(其余阀门处于关闭状态)，高压蒸汽输入至高压罐(罐内初始已注入软化水量为容积的40%左右)，当高压罐压力上升到6.0 MPa、温度276.68 ℃时，关闭代号V602、V013两阀门，进行高压排量试验。试验用水通过被测阀，经V313阀流入计量桶。

试验数据逐一传至控制系统且显示于控制面板。当低压罐压力为7.5 MPa时，重复上述方法步骤继续试验，2次试验数据见表7。

g.分别单击“高压疏水阀”“低压疏水阀”，相关出入口分汽缸压力、储汽罐压力温度及罐内蒸汽和饱和水的压力温度、被测疏水阀的阀前后压力温度、稳压罐罐内液位、背压罐压力及液位、计量桶和储水池中介质液位及上下部温度、饱和水(或热水)流量、蒸汽流量对应的各数据以图表形式显示于控制面版(见图17和图18)。

双击图15中的“压差排量曲线”，连接A、B、C、D这4点并延伸至疏水阀最高工作压力点和最低工作压力点，以生成当前被测疏水阀的排量曲线(见图19)。

对于出现的紧急情况，系统设计有“系统急停”和“锅炉急停”开关用于紧急泄压。

7 结语

设计建设整套的高压式疏水阀测控一体化试验平台，经过运行及测试效果表明，实现了设计目标。该平台综合了国际国内标准要求的试验方法，提高了试验压力及测试自动化水平。重点讨论了在组态软件MCC平台数据采集系统的组态方法和数据处理软件的具体实现方法，从而解决了非连续性试验数据的分步采集和相对复杂数据的处理问题。实现了试验参数测试、数据采集和数据处理的自动化。

“工业4.0”“中国制造2025”是大势所趋，未来几年将会步入智能工业的时代，传统模式被淘汰只是时间问题，转型已成必然。

后续将探索使用虚拟现实(VR)等新技术展示测试新产品的项目。采用现代化工作方式来提高企业声誉，提升客户满意度。以前，技术人员使用纸质资料向业主讲解新的产品设计，而后采用PowerPoint进行讲解。今后，可通过3DEXPERIENCE平台，在VR环境中演示产品设计及试验方案。

未来将进一步研发CFD仿真系统：采用Open FOAM仿真模拟系统软件或Autodesk Simulation CFD仿真模拟系统软件，进行模拟流体流动、高速湍流、换热分析等，应用可视化技术和3D技术，更方便地展示新产品的仿真测试过程及测试结果。