台山核电合营有限公司 张贻林 潘洪良 李江峰 奉林峰

核电站的阀门数量众多，以台山EPR项目为例，单台机组阀门总量约为15000台，其中电动阀、电磁阀超过1100台，数量相较于CPR机组几乎增加了两倍，潜在提高了机组出现电动阀门故障的概率。以目前主流的故障纠正性维修结合预防性维修的策略来看，电动阀门数量的增加直接加大了维修负荷，增加了电站运行成本。因此电动阀门的在线监测及故障诊断就显得尤为重要，并越来越受到电站管理层面和行业同行的重视。

EPR三代技术的先进性不仅体现在主系统和厂房设计上，也体现在辅助监测系统的应用上。台山EPR项目引进了阀门在线监测与诊断系统（即KID系统），实现对核岛部分F1/F2级电动阀和电磁阀进行实时在线监测和诊断评估。该系统基于SIPLUG采集模块和ADAM诊断分析技术是EPR项目特有的系统，在国内核电项目为首次应用。通过系统在线监测，掌握阀门和电动头的行为特性、运行状态和趋势，及时诊断发现阀门可能存在的缺陷，有助于实现电动阀门的状态维修，提升电厂经济效益。

KID系统在机组调试期间为阀门故障原因分析及故障处理提供了重要的数据及分析支持，发挥了积极的作用。经过台山EPR项目的消化吸收和实践运用，有助于在线监测与诊断技术在国内其他项目的推广使用，推动阀门诊断行业的技术革新。

1 系统设计介绍

KID系统主要由SIPLUG、墙柜、系统机柜组成。其中SIPLUG没有ECS代码，集成在配电抽屉中，各SIPLUG之间通过CAN BUS总线通讯。墙柜主要配置有CEB（Can Ethernet Bridge）和Ethernet Switch，将SIPLUG送来的CAN BUS信号转换为光纤信号传输到系统柜中。系统机柜主要包括两台服务器、显示器及网络转换器等，这些部件及连接线缆组成了整个诊断网络。

SIPLUG是KID系统的信号采集设备，其主要有电流互感器、电压互感器、主板、控制信号接口、直流供电接口、CAN BUS信号接口、外部组态接口组成。SIPLUG只有经过标定、组态后才能采集数据。每个SIPLUG都有唯一的HWID，通过HWID来识别标定文件并将该SIPLUG分配给该抽屉对应的阀门。SIPLUG组态主要是设置采集定义、触发模式及输入标定数据。当阀门上游抽屉收到DCS的动作指令时，继电信号触发SIPLUG启动测量，记录阀门电压、电流及开关信号信息。

KID系统数据评估和诊断分析通过ADAM评估软件实现。其中ADAM-MOV用于电动阀的诊断评估，其拥有强大的数据库和图形算法，数据库包含了诊断评估所需的主数据信息，如阀门参数、电动头参数、评估矩阵、特征参数限值、Power-Torque函数等。通过ADAM的图形功能可自动评估或手动评估曲线形态，再结合评估矩阵和Power-Torque函数计算力矩、推力等，直观定量的判断相关参数是否在限值之内。而ADAM-SOV用于电磁阀的诊断评估，通过使用电流I(t)曲线、电感L(t)曲线等捕捉电磁阀动作的起始点和结束点，通过曲线形态及特征数值判断电磁阀的启闭是否正常。

2 电动阀诊断原理研究

KID系统监测的273台阀门中259台为电动阀，类型主要为球阀、闸阀、截止阀、蝶阀。电动头带自锁保护功能，反馈方式多为限位开、力矩关，以保证阀门关紧又不至于推力过大损坏阀座或阀杆。

2.1 Power-Torque函数获取

SIPLUG只能获取电压、电流等电气参数，而无法获取力矩、推力等机械参数。为此设计开发的离线设备Test Bench，用来获取电动头输出力矩与有功功率的关系、力矩开关动点的力矩和功率、零载荷功率等。Test Bench与KID系统有很好的兼容性，测量数据可直接导入ADAM数据库，便于矩阵评估直接调用。

2.2 电动阀状态诊断评估

通过SIPLUG获取的有效功率曲线可完整表现电动阀开关过程的行为状态。对电动阀而言，电动头的结构差异、阀门的类型差异及开关反馈控制的差异都会表现出不同的功率曲线形态，因此平行闸阀、楔形闸阀、球阀、蝶阀、截止阀等曲线形态各不相同。

图1中，O对应零载荷功率；C/D对应行程过程中的平均运行功率（反映阀杆与填料的摩擦力、松紧程度）；F对应功率加载的斜率；M对应力矩开关动作点的有效功率；Tab对应力矩开关动作反馈到电动头停运持续的时间；A对应电动头在力矩开关动作后到停运持续输出的最大功率；B对应阀门开启瞬间所需的最大有效功率；G对应阀杆卸力过程的斜率；S对应阀杆行程时间；E对应电动头运行时间。ADAM-MOV不仅支持对某个阀门的单次测量分析或多次测量比较分析，且支持对同类阀门的比较分析，通过特征参数的趋势变化判断阀门是否存在故障或潜在故障，如阀杆与盘根摩擦加剧、阀门卡涩、阀座存在缺陷、推力裕量不足、阀杆弯曲，甚至电动头选型不保守等。

图1 截止阀行程过程典型的有效功率曲线

2.3 电动阀故障诊断分析

某电动阀接收到DCS开关指令后显示阀门开度不变，现场检查阀门无动作。结合KID监测曲线（图2棕色曲线）分析，位置①处无明显的零载荷功率特征，整个过程中有效功率无明显增大趋势，与历史动作曲线差异较大，怀疑阀杆与螺母传动异常，离合器失效。经隔离检修，确认离合器故障。更换电动头后首次开启阀门，动作曲线如图2红色曲线。可见零载荷位置①曲线正常，但开启过程中运行功率较大，行程时间稍长，怀疑备件长期放置导致机械摩擦较大。后咨询维修人员，反馈确实有点卡涩，徒手转动较为困难。经过磨合后逐渐恢复正常，见图2绿色和蓝色曲线。

图2 电动阀动作曲线诊断分析

3 电磁阀诊断原理研究

电磁阀是用来快速开关流体通路的设备，主要由复位弹簧、电磁线圈、电磁铁芯以及阀体组成，通过电磁线圈的通断电来控制阀杆的升降，从而实现阀门快速开关的功能。

3.1 电磁阀诊断原理

电磁阀的诊断主要根据电磁铁芯在电磁线圈里的相对运动来实现。通过配电抽屉内的SIPLUG测量得到线圈电流、直流电压和阀门的开关信号。其原理基于电磁线圈在通直流电的情况下呈感性电路的特性，等效电路如图3(a)所示：

图3 (a) 电磁线圈等效电路 (b)电磁阀动作原理图

当闭合开关K该电路导通，由于电感L的存在会产生一个反电势εL，由此可建立方程ε+εL=IR。其中，即，通过微分方程求解得到，由此可知该感性电路在加载电压后，电流跟时间和电感系数有关。在电感不变情况下电流随时间呈逐渐增大的趋势，如图3(b)红色曲线所示；当插入电磁铁芯时线圈电感系数L变大，对电流的阻碍作用也变大，导致线圈电流减小，如图3(b)蓝色曲线所示。

3.2 电磁阀曲线评估

ADAM基于上述原理，建立了电磁阀电流特征曲线的算法模型，软件自动识别电磁阀动作的起始点和终点并显示相应的特征值，图4为电磁阀的典型电流曲线。其中，tE为电磁阀芯动作结束时刻；tB为电磁阀开始动作时刻，表示通电过后经过tB段阀芯才开始动作；tF为tE与tB之差，表示阀芯真正的动作时间；IB为电磁阀芯开始动作时的线圈电流大小；IE为电磁阀动作结束时刻线圈电流大小。电磁阀实际运行过程中，线圈的温度变化、电压波动、阀门动作迅速等可能会造成电流曲线不太容易识别动作起始点，这时需借助电感系数L(t)曲线来识别。

图4 电磁阀典型电流曲线

3.3 电感系数L(t)的计算

针对电磁线圈通电电路，考虑因电磁阀铁芯移动导致通电线圈电感发生变化的过程，建立如下电路方程：，其中Φ=IL，所以，即（1），其中U(t)、I(t)通过SIPLUG测量获取，dI/dt由I(t)计算得到，R已知。只有L(t)、dI/dt未知。所以式（1）是关于L(t)的微分方程，ADAM软件通过解该微分方程得到L(t)。

图5是电磁阀通电加载状态下的曲线，由于动作时间极短，电流曲线无法准确识别电磁阀动作时刻，这时借助L(t)曲线就可清晰识别，即最低点动作开始、最高点动作结束。通过电磁阀的电压、电流及电感曲线评估可发现电磁阀的故障缺陷，如电磁阀触发未动作、加载电压不足、阀芯摩擦加剧、阀门通路存在障碍物等。

图5 电磁阀通电加载时的电流和电感变化曲线

综上，目前国内阀门维护主要采用预防性维修和故障维修的策略，阀门出现故障后进行离线测试诊断是主流做法。这种策略和做法比较成熟、偏于保守，容易出现盲目维修，增加运营成本；且无法在设备故障早期发现潜在缺陷，以至于错过合适的维修窗口导致机组降级等。本文研究的在线监测与诊断系统设计理念先进、技术成熟，兼具在线监测和故障诊断两大功能，不仅能实现阀门运行动态实时监测、趋势分析，而且实现阀门机械特性诊断评估，帮助设备工程师及时发现阀门潜在故障，具有较强的实践应用及推广价值。同时，经过EPR项目的消化吸收积累了大量的数据和经验，掌握了系统的运用和诊断，有助于阀门在线监测与诊断技术在国内其他项目的推广使用，推动阀门诊断行业的技术革新。