1引言

      隨著核電安全要求的不斷提高,對于自動控制的要求也隨之增強。電動驅動機構在三代核電中閥門上的應用也更加廣泛,尤其在核島范圍內的閥門上,更是大面積取代驅動機構。為實現自動控制,通過電動驅動機構中電機轉動的圈數來反饋閥門的位置成為一種技術選擇,此裝置一般稱為電位計。某電站在進行冷態工程試驗時發現部分對調節精度要求較高的調節閥在手動或自動模式動作過程中,出現閥位反饋跳變的現象,當閥門處于自動控制模式時,此現象造成閥門操作不精確。

2閉環控制中閥位信息的重要性

      閉環控制系統亦稱反饋控制系統,這是一種最基本的控制系統。在閉環控制系統中,被控信號以反饋方式送入調節器的輸入端,作為不斷引起控制作用的依據,而控制的目的是盡可能地減少被控量與其設定值之問的偏差。

      閥位測量在工業過程控制中起著非常大的作用,準確、及時的測量閥門閥位,直接決定調節系統調節的準確性、快速性、穩定性等指標。測量信號的可靠性和準確性是決定自動控制系統品質的基礎。

      此電站中有近百臺電動調節閥需要參與閉環控制。在閥門調試過程中,發現部分閥門實際開度和閥位測量開度不對應,閥門向關閉方向偏差呈偏大趨勢;實際操作閥門時,發現當閥門從開向關,或者從關向開的過程中,存在一定比例的閥門行程操作但閥位顯示無變化,即閥位測量回程存在死區的現象廠。

3原因分析

      此電站調節閥的閥位是通過電動頭中的電位計反饋。電動頭的轉動通過聯軸器連接閥桿,將電動頭螺桿螺母的轉動轉換為閥桿的直線運動,電動頭的轉動同時改變電位計中電阻絲電阻值(類似滑動變阻器),最終電位計輸出4-20mA電流,建立電流和閥位的線性關系。

圖一 電位計原理圖

圖二 電位計實體圖

     根據事件描述和電位計的工作原理,對直接原因、問接原因和根本原因分析如卜:

3.1直接原因

     廠家的電動調節閥未設計單獨的位置指示器,使用電動頭自帶的電位計反饋閥位信號。電動頭電位計是通過電動頭的轉動信號計算閥門行程,此信號經過多級齒輪傳動存在偏差。

3.2間接原因

     部分核島電動調節閥參與閉環控制,閉環控制對于閥位信號精度要求相對于一般閥門更高,導致電動頭反饋的閥位信息無法滿足要求。

圖三 閉環控制原理圖示

     閉環調節系統的原理如圖三所示。被調量水位N由變送器MD測出,與設定值NO比較,偏差信號送往調節器R,改變執行機構V閥開度以增、減給水流量,維持水箱水位為設定值。閉環調節系統就是按被調量進行調節的系統,調節精度高。

      在電動調節閥處于自動模式時,過程控制設定量與感應器測得系統的實際量進行對比,通過PID(比例積分微分控制系統)計算出閥門需要調節的閥位值,包括開或關的量以及開關的速率。閥門的位置指示器反饋閥位,設定值(被調量和閥位信息不斷被反饋給控制系統,進行調節。

    在電動調節閥正、反向控制過程中,因死區原因,閥門在死區的行程內,閥門開度指令信號和閥位測量信號無變化,無法實現精確調節。

    實際調節過程中,當被調量與設定值偏差較小,需要反方向小范圍調節閥門,經過一個調節過程后,因死區的存在,必然使閥門實際動作行程大于死區范圍,從而使被調量偏差反方向進一步加大,又進入卜一個較大幅度的調節過程,最終閥門頻繁動作,被調量在較大范圍內波動而無法穩定,這種現象尤其在低開度時更為明顯。一般情況卜,自動調節系統執行機構及其反饋通道的死區較小時,可通過設置PID的調節死區來解決被調量波動和執行機構頻繁動作的問題,但因工藝系統自身要求,被調量與設定值問偏差不能過大(過大后調節滯后,調節幅度較大,不利于調節系統穩定),要求這一死區不得大于2%。

3.3根本原因

      閥門電機轉數經多級變速、減速齒輪后,通過安裝在末級齒輪輸出軸上的電位器,將轉數信號輪換為對應的電阻值,再通過DCS將電阻值轉換為相應的閥門開度,從而實現閥門閥位的測量。當閥門同方向開啟或關閉時,主動輪和從動輪問緊緊嚙合,沒有問隙,此時不會形成同方向開關死區,而當反方向關閉或開啟閥門時,由于齒輪問存在咬合問隙,且經多級齒輪問問隙疊加,導致安裝在末級齒輪輸出軸上的電位器不能和閥門同步旋轉,從而產生了死區。