摘要：气动调节阀是核电站系统运行的最终执行者之一，对于系统安全、经济运行有着不可或缺的作用，调节阀的运行品质直接影响到机组的效率和安全。本文从原理入手，结合调试过程中实际问题，对气动调节阀调试、故障诊断、处理方法等进行总结，对于后续机组的调试及运行有一定的积极意义。
关键词：核电厂；气动调节阀；原理；故障分析
1气动调节阀原理
气动调节阀的结构主要包括阀体、执行机构及附属部件。其中附属部件包括定位器、电气转换器、减压阀、放大器等，附属部件接收来自控制系统的电信号，转换为气压作用在执行机构上，执行机构将气压转换为推力作用在阀体上，改变阀芯与阀座之间的流通面积，从而实现对流体流量的控制。
2气动调节阀调试
现场工作过程中，气动调节阀的调试内容主要包括电缆端接的检查、阀门本体的检查、附属部件的调试、阀门控制试验及失效状态检查等，本章主要介绍附属部件的工作原理及调试方法。
2.1过滤减压阀
过滤减压阀主要功能为过滤压缩空气中的杂质，并为E/P、定位器和其它阀门部件提供适当压力的气源。减压阀输出压力过低可能导致阀门开关不到位，压力过大则可能冲坏阀门膜片。
过滤减压阀剖面结构图如图1，过滤后的空气经过锥形阀芯进入输出腔室和膜片底部。当输出腔室的气压大于膜片上弹簧压力时，膜片向上移动，阀芯也向上移动，输入气源被阀芯隔断，输出腔室内的压缩空气通过膜片和阀芯顶部之间间隙进入排空腔室由排气孔排出，使输出压力减小；当输出腔室的气压小于膜片上弹簧压力时，膜片向下移动，输入气源通过阀芯和阀座之间间隙进入输出腔室，使输出腔室内的压力上升。只有当输出压力与弹簧压力一致时，阀芯和阀座间隙固定，输出压力稳定；
调试过程中，需要在减压阀出口连接经过检定的标准压力表，根据标准压力表示数调节减压阀输出压力到要求值，同时检查减压阀自带压力表示数是否准确，若不准确，则进行更换。
2.2行程开关
气动阀常用的行程开关分为接触式和非接触式。行程开关的工作原理为当安装于阀门上的运动部件撞击或接近行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换，从而将阀门的开启或关闭位置以开关量的信号输出。但由于行程开关调节过程中本身误差较大，所以在实际应用中，只用行程开关粗略的监测阀门的位置。
调试过程中，对于接触式行程开关，上下扳动行程开关摆臂，对于非接触式行程开关，利用目标磁铁靠近或脱离行程开关，通过万用表测量对应触点能否正常通断。将阀门分别置于开关位置，调节对应位置行程开关使反馈信号可正常输出。
图1 过滤减压阀剖面结构图
2.3电气转换器
电气转换器的功能为接收控制系统的控制信号4-20mA转化为3-15psi压力信号输出到定位器。如图2，增大4-20mA输入信号，处于永久磁钢磁场中的线圈对流过它的电流产生的作用力增大，使喷嘴与挡板之间的间隙减小，喷嘴内的背压增高，使输出压力增大；输出的另一路供给反馈波纹管，使之产生一个反作用力，当作用力和反作用力平衡时，喷嘴内压力维持稳定，电/气转换器输出压力也趋于稳定并与输入信号相对应。
图2 电气转换器原理图
AP1000核电厂中最常用的电气转换器型号为FISHER 546，此类型电气转换器调试方法为：
1、输入4mA电流值，调节图3中零点螺丝，直到输出气压值为3.00±0.09psi；
2、输入20mA电流值，调节图3中量程螺丝，直到输出气压值为15±0.09psi；
3、重复步骤1、2，直到零点和量程均满足要求；若不满足要求则进行电气转换器更换；
4、线性度检查，分别输入4、8、12、16、20、16、12、8、4mA，记录各点电气转换器输出气压值，并进行误差计算，若大于±0.75%，则进行电气转换器更换；
图3 电气转换器外观图
2.4定位器
阀门定位器用于按输入控制信号将阀门准确定位。由控制系统或控制器来的输入控制信号作为给定值，阀位作为被调参数和反馈量，阀门定位器将两者进行比较，进而按一定规律输出信号给气动执行机构调节阀位。AP1000核电厂中用到的定位器型号有9种，在此介绍一下FISHER 3582定位器的结构、原理。
3582定位器与执行机构连接如图4，定位器的仪表输入口接收来自电气转换器输出的气压信号。当电流信号增大时，电气转换器输出气压增大，定位器的波纹管膨胀而移动平衡梁。平衡梁使活瓣（挡板）在枢轴上顺时针旋转，使喷嘴与挡板距离减小，喷嘴内的背压增大，输出压力增高，执行机构膜片上部受压阀杆向下动作。反馈旋转臂带动凸轮旋转，以阻止挡板的靠近，使阀位停止在所要求的调节位置上。反作用需将活瓣组件旋转到反作用区。
图4 3582定位器与执行机构连接图
2.5流量放大器
流量放大器是阀门控制的最后一级，它以定位器输出气压作为控制信号，以减压阀输出压力作为输入信号，从而实现定位器输出压力大小不变的情况下放大进入气缸的气体流量，使阀门响应速度加快，一般用于执行机构较大或者系统要求快速响应的阀门，AP1000核电厂中主给水调节阀、启动给水调节阀、大气释放阀、PRHR HX出口调节阀等重要阀门中均有使用。
如图5，来自定位器的信号气压从上部进入放大器膜片A，产生力F1=P1*SA，推动金属架C 向下移动，迫使阀塞向下移离开阀座（下阀），输出气压产生力F2=P2*SB，因为SA=SB，所以在平衡时P1=P2。输出到阀门执行器的空气容量增加，而压力不变。当P1减小，P2>P1时，金属架向上移动与阀塞之间产生间隙（上阀），气室B中空气从排气口排出；随后阀塞在回座弹簧的作用下向上移动，减小与气流室接触面之间的间隙，进气减少，气室B中压力减小，直到P2=P1时达到平衡。小孔D与E相连通，使P1和P2相平衡。
图5 流量放大器结构图
调试过程中，主要需要关注流量放大器旁路螺丝的调试，若旁路螺丝调节过弱，则会导致阀门响应速度慢，若旁路螺丝调节过强，则会导致阀门出现振荡，所以在调试过程中，对于旁路螺丝的调节需要同时兼顾行程时间和阀门稳定性的要求。
2.6电磁阀
气动调节阀的控制功能主要通过定位器来实现，但在许多气动调节阀的控制回路中增加了电磁阀对于阀门的控制功能。这些电磁阀与定位器串联，增加控制系统的多样性。AP1000核电站中很多重要的气动调节阀的控制包括电厂控制系统（PLS）（控制定位器）、保护和安全监视系统（PMS）（控制1E级电磁阀）、多样化驱动系统（DAS）（控制非1E级电磁阀），图6为AP1000化容系统下泄管线安全壳隔离阀控制结构图，正常运行工况下，PMS控制电磁阀S1处于上电导通位置，DAS控制电磁阀S2接收RST指令处于导通位置，操作员可以通过PLS控制定位器输出指令控制阀门动作，事故工况下，操作员可通过PLS、PMS或DAS送出指令将阀门置于安全位置从而避免严重事故的发生。
图6 AP1000下泄管线安全壳隔离阀控制结构图
调试过程中，首先应根据电磁阀使用说明书，对电磁阀的气源管线连接进行检查，确保电磁阀接口连接正确，其次，对电磁阀线圈电阻进行检查，确保线圈电阻符合要求。对于直流电磁阀，在通电之前还需要确认电源极性正确，防止因为极性相反造成回路电流过大烧毁供电系统保险甚至电磁阀。
3调试过程中典型故障分析
3.1定位器选型不当导致阀门偏差大
海阳核电一号机组主给水调节阀、启动给水调节阀及大气释放阀最初的定位器选型为FISHER DVC6010，一般情况下，阀门处于50%开度时，定位器反馈杆应大致处于水平位置，但在进行上述六台阀门调试时，发现50%开度时，反馈杆上翘角度较大，如图7中50%位置，若通过缩短调节杆使反馈杆水平，如图7中红线部分，则导致阀门处于全关位置时整个反馈装置长度不够，无法连接。而50%开度时反馈杆不水平导致定位器不准，给定50%指令时，阀门实际开度为40%，给定25%指令时，阀门实际开度为17%。根据定位器厂家手册，DVC6010型定位器适用于0-4in行程的执行机构，而上述六台阀门最小行程为6in，因此判定六台阀门定位器选型出现问题，经过与西屋公司以及阀门厂家CCI沟通后，厂家将定位器型号由DVC6010更换为DVC6200，更换完成重新调试后阀门工作正常。
图7 DVC6010定位器与执行机构连接图
3.2电磁阀动作不到位导致无法控制阀门
常用两位三通电磁阀如图8，A连接气源，B连接执行机构，C为排气口。电磁阀上电，A与B通，压缩空气进入气缸，阀门动作。电磁阀失电，B与C通，排出气缸内压缩空气，阀门回到失效位置。调试过程中出现给定阀门指令后，阀门无法动作到位，现场检查发现电磁阀已经上电，但排气口C持续向外排气，导致进入气缸的气压不足，阀门无法动作到位。出现此类问题，考虑以下因素：
第一：电磁阀内部有杂质，导致阀芯卡涩无法动作到位，可通过解体电磁阀去除杂质解决此问题；
第二：若电磁阀有先导阀，则需检查减压阀压力设置是否合理，若压力设置较低，则电磁阀上电后，先导阀动作，但因为减压阀设置压力较低，先导供气回路气压较低，无法将电磁阀主阀芯动作到位，从而出现排气口排气的情况，出现此类问题则需按要求将减压阀压力调高。
图8 两位三通电磁阀原理图
3.3执行机构出力不足出现的问题
HY1-CVS-PL-V228阀门为连续加氢管线流量调节气动阀，为失效关闭的阀门。氢的补充方式为通过安全壳外的瓶装氢气，直接向RCS注入高压氢气。在海阳核电一号机组热试期间发现给定阀门关闭指令但阀前存在高压氢气时，阀门无法全关，但在单体试验过程中即管道内无介质情况下阀门可以正常开关。分析认为管道有压力情况下，弹簧作用在隔膜上的预紧力不足以克服介质作用在阀芯上的作用力，导致阀门在失效状态下无法关闭。随后联系厂家进行澄清，厂家根据现场数据分析后确认执行机构选型存在问题，于是将阀门返厂，厂家对执行机构进行更换，更换完毕后阀门功能正常。
3.4行程开关调节不当导致反馈异常
海阳核电一号机组热试期间，操作员对CMT B进行补水时发现给定补水隔离阀HY1-PXS-PL-V230B开指令后阀门无法打开。该阀门行程开关为非接触式，调试人员到现场检查发现与连轴块连接的目标磁铁与开行程开关之间距离较大，导致阀门处于打开位置时开行程开关未触发，主控未收到开反馈。且根据逻辑，在给定阀门开指令15秒后，若未收到开反馈，则判断为阀门异常，自动消除开阀指令。调试人员将目标磁铁与行程开关之间距离调小，操作员重新控制阀门后阀门动作及反馈正常。
HY1-PXS-PL-V108A/B阀门为PRHR HX出口气动隔离阀，该阀门为常闭失效开，每个阀门安装有4个关行程开关，分别送入PMS A/B/C/D四个序列，当任何一个阀门的四个关反馈中同时消失两个，PMS触发P4信号，从而停堆。
由此可见，阀门行程开关虽然为粗略监测阀门开关位置，但调试不当则可能造成阀门开关功能异常，严重情况下甚至可造成停堆。
3.5 ABB定位器与PLS通讯故障导致无反馈
ABB TZID-C型智能定位器在AP1000核电厂通风系统、热水加热系统（VYS）、中央冷冻水系统（VWS）的气动调节阀上有大量应用。该类型定位器接收控制系统4-20mA控制信号，并通过HART协议进行阀门阀位反馈。
在开始进行此类型定位器调试时，发现主控室无法接收所有此类型定位器的反馈信息，但就地连接HART 475手操器，可以实时接收定位器输出的阀位信息，由此判断定位器输出没问题，问题原因为定位器与PLS之间通讯故障。
对PLS侧配置进行检查，发现HART variable参数配置为fourth digital variable，更改为primary digital variable后，阀门反馈正常。随后西屋根据调试人员提供的使用ABB定位器的阀门清单，在PLS软件升级之后，将所有参数进行更改，此类型定位器反馈问题得到解决。
总结
气动调节阀是控制系统中的一个重要环节，其运行的准备、稳定的程度直接影响系统的控制质量。气动调节阀的调试，不但是对阀门设计、施工以及安装工作的验证，同时也是保证机组安全投运的重要环节。气动调节阀结构复杂，附属部件较多，所以出现故障的概率较大。对于调试阶段出现的问题，进行故障原因分析，并采取适当的处理、改进办法，不但可以提高自己的技术水平，同时可以提高调节阀使用的平稳率，为安全生产的平稳操作保驾护航。
参考文献：
[1]丁长云.气动调节阀的维护修理及故障处理[J].化学工程与装备，2008（11）
[2]赵永峰.气动调节阀常见故障诊断[J].设备管理与维修，2011（1）
[3]张鲁滨，李静，吴志欣.气动调节阀故障原因分析[J].化学工程与装备，2010（1）：87-89.
论文作者:成玉丰,黑鹏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/13
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