乔乃勇-田湾核电站电动阀门专用电机的分析与研究.doc

1、国家职业资格全国统一鉴定电工 论文（国家职业资格 一 级）论文题目：田湾核电站电动阀门专用电机的分析与研究姓名：乔乃勇身份证号：320704199402053017准考证号：所在省市：江苏省连云港市所在单位：连云港市金辰实业有公司田湾核电站电动阀门专用电机的分析与研究乔乃勇连云港市金辰实业有公司摘要摘要：针对田湾核电站一期机组使用的大量电动阀门，本文系统地整理了核电站电动执行器所安装使用电机的种类，重点讨论了开关阀用电机与调节阀用电机各自的性能参数及实际匹配工况。同时阐述了电机实际运行过程中频繁出现的问题，举例并分析电机的某些重大缺陷的产生原因、处理方式、解决方案及后续经验反馈。分析结果表明，

2、已完成的设备检修及优化工作均取得了良好的实践效果，不仅为后续阀门电动执行机构电机的维护管理及检修方式积累了大量经验，也为进一步优化扩建工程项目中执行器的选型及调试提供了有力的保证。关键词：关键词：阀门；电动执行器；电机；电动开关阀；电动调节阀目录摘要摘要：.20 引言.41 田湾核电站电动执行器电机分类.51.1 按生产厂家分类. 51.2 按工作制分类. 62 设计参数与实际运行工况.72.1 开关阀用电机. 72.2 调节阀用电机. 83 阀用电机缺陷分析. 103.1 高压加热器输水系统调节阀用电机缺陷.103.2 放射性气体净化系统调节阀电机烧毁缺陷.114 结束语.14参考文献. 1

3、40 引言引言阀门是核电站的关键设备之一，控制并调节介质的压力、温度、流向、流量等，对压力容器设备还起到安全保护作用。核电阀门是指在核电站中核岛、常规岛和电站辅助设施 BOP 系统中使用的阀门，是核电站中是使用数量较多的介质输送控制设备，是核电站安全运行中的必不可少的重要组成部分。核电阀门在核电站中的投资比例占核电站建成价的 1.6左右。 核电阀门的维修、更换费用一般占核电站维修总额中约占 50。在核电站 4060年正常运行期间，阀门是需要维护的主要设备，在所需维修费用中占有很高比例。因此阀门对核电站的正常、安全和稳定运行起到极为重要的作用，是核电站可靠运行的保障。按驱动方式来分，核电阀门可以

4、分为六种，分别是：气动、手动、电动、自动、水压驱动和电磁驱动。为匹配田湾核电站的全数字化仪控系统，现场安装使用了大量的电动执行器来驱动并控制电动阀门。以田湾一期为例， 两台机组中共有安装使用超过 6000 多台电动执行器， 这其中包含有 570台左右电动调节型执行器。而电机作为电动执行器的核心部件，承担着整体装置的动力输出功能，因此，电机决定了电动执行器的整体输出性能是否良好，更决定了阀门的运行质量。1 田湾核电站电动执行器电机分类田湾核电站电动执行器电机分类电动阀门在核电站整体中是一个庞大的群体，不仅数量大，而且种类、规格繁多，分布广泛。因此，对阀门的分类就显得极为重要，一经分类，工作人员可

5、以对各个阀门的基本信息及功能一目了然，为实际工作的开展带来便利。1.1 按生产厂家分类按生产厂家分类核电站的阀门安装和运行管理是按系统进行的，而对每个阀门的技术和档案管理都是按生产厂家来进行的。根据统计，田湾核电单台机组安装使用 3000 台以上电动阀门，而这些阀门所匹配的电动执行器电机分别是由十几个电机生产厂家提供的。田湾核电站现场有 2300 多台俄供执行器，占总数的 75%左右。这些电动执行器主要使用俄罗斯执行器厂家生产的电机。核电站还安装使用一些其他国家生产的执行器，主要有德国 SIPOS、德国 AUMA、法国 BERNARD、英国 ROTORK、捷克 ZPA 等。除捷克ZPA 使用德

6、国 Siemens 电机外， 其它国外厂家均自行生产执行器电机。 另外，现场也安装使用了一定数量的国产电动执行器，如扬州电力设备修造厂、常州电站辅机总厂、天津第二通用机械厂、上海自动化仪表十一厂等，国产电动执行器使用的电机多为订制，由执行器厂自主生产电机的较少。阀门电动执行器电机均为鼠笼式三相异步电机，冷却方式多为自扇冷式（图 1 所示） ，仅部分重要阀门的电机冷却方式为外部风冷（图 2 所示） 。图 1 自扇冷式图 2 外部风冷1.2 按工作制分类按工作制分类按照系统功能要求，电动阀门可分为电动开关阀及电动调节阀，文中以下相关内容简称为开关阀和调节阀。开关阀执行器电机多为 S2 工作制，持续

7、负载时间均为 10min 或 15min。部分俄供开关阀执行器使用 S3 工作制电机，负载率 25%。法国 BERNARD 生产的开关阀执行器电机为 S4 工作制电机。调节阀多采用 S4 工作制电机，旨在适应电动调节过程中电机的频繁周期启停需要。德国 SIPOS 生产的执行器配装了性能更为优良的 S5 工作制电机，能够满足制动工况的要求，保证了对重要系统的精确自动调节。调节阀用电机的持续负载率主要为 25%、30%，法国 BERNARD 的部分调节阀用执行器的电机还可选择装载持续负载率为 50%或 100%的电机。2 设计参数与实际运行工况设计参数与实际运行工况2.1 开关阀用电机开关阀用电机

8、参照开关阀用电机设计要求，田湾核电站绝大多数阀门电动执行器电机均能满足要求，但部分系统或管线中仍频繁发生启/停方面的问题。在田湾核电站现场实际运行过程中，部分蒸汽发生器排污系统截止阀用电机每天需启停 12 次，每个燃料周期（10 个月）需启停 3600 次；凝结水及疏水收集系统部分阀门每天需启停 41 次，每个燃料周期需启停 12300 次；辅助给水系统部分阀门每天需启停 98 次，每个燃料周期需启停 29400 次。以上开关阀在机组日常运行期间均执行重要功能，其中蒸汽发生器排污系统用截止阀因其所处环境中的辐射剂量非常高，即使出现缺陷，工作人员也无法进入现场进行检修。因此，必须为这些阀门提供性

9、能足够可靠的电机，以满足频繁的启停需要。目前，田湾核电站已经完成对上述阀门的物项替代工作或控制方式的修改工作，尽最大可能地降低频繁启停对电机和阀门执行机构产生的负面影响。此外，在机组启/停机或正常运行过程中，部分阀门会根据系统需要临时修改控制方式。比较常见的修改方式是将阀门的开/关方式修改为脉冲开/关方式，执行开（关）1s 停 2s 循环。例如高压加热器的入口开关阀，在启机阶段投运高压加热器时，为了避免阀门短时间内的全开动作对高压加热器液位造成冲击，而将入口开关阀的开启方式更改为脉冲控制方式，阀门由原先的全开历时 56 秒，变成脉冲控制后历时 168s 开启，在此过程中，电机需启停 56 次。

10、虽然仅在投运高压加热器时执行一次脉冲开启操作，但在维修历史上也出现过因执行该控制方式出现的缺陷，甚至对启机的关键路径造成了一定的影响。为此，田湾核电站着重开展了相关电动头的物项替代工作，选用 S4 短时周期工作制电机，要求电动执行器必须能够满足每分钟 20 次的启停，以满足实际工况的需要。针对此类型情况，维修技术人员需要对现场已修改为脉冲控制方式的开关阀进行统计和归档，讨论并分析电机能否满足实际运行工况的需求，必要时应采取相应的物项替代工作。2.2 调节阀用电机调节阀用电机调节阀用电机均为 S4 或 S5 工作制电机，其设计性能已经能够满足周期性的短时启停需要。根据各大生产厂家提供的技术文件资

11、料，调节阀用电机可以实现每小时 500 次以上的启停动作，部分性能更为优良的电机还可以实现每小时 1200 次甚至更高次数的启停动作。田湾核电站采用技术先进的全数字化仪控系统，仪控系统根据技术参数及控制逻辑自动计算出调节阀所需的控制脉冲的时间宽度， 通过 Siemens制造的 XST 柜（80 柜）模件（结构见图 3）实现阀门电动执行器电机所需的相应通电时间。图 3 XST 柜（80 柜）结构图根据阀门动作后系统参数的变化再进行后续的逻辑运算与调节，直至系统参数恢复至设定范围以内。田湾核电站多使用俄供调节阀执行器，电机均为 S4-25%工作制，按照 S4 工作制工作要求，电机可承受周期性的启动

12、-维持负载-断能动作， 而在其执行器的传动部分均设计有机械制动装置 （见图 2） ，即在电机断电后，机械制动单元会迅速将电机制动，避免电机转动惯性继续开关阀门，提高了调节的精度。根据现场实际运行工况及维修记录，机械制动装置可能会对电机的正常运行造成一定的影响，其自身在运行使用一段时间后也会出现一定的磨损现象，其可靠性低于电磁制动装置。但机械制动装置并非没有优点，因机械制动装置并不设置在电机内部，因此电机可以远离制动产生的热量，避免了其在断能后发生持续温升的情况，能够在更短的时间内冷却至初始温度，为电机的可靠性提供了一定保证。3 阀用电机缺陷分析阀用电机缺陷分析维修历史记录表明，田湾核电站阀门电

13、动执行器电机出现过多种缺陷情况，经分析，发现造成缺陷的原因可能是外部环境因素，也可能是外部接口或者是执行器自身性能造成的影响。下面将对近期出现的阀门电动执行器电机缺陷进行举例分析。3.1 高压加热器输水系统调节阀用电机缺陷高压加热器输水系统调节阀用电机缺陷在开展田湾核电站 1 号机组第七次大修过程中，维修人员对高压加热器输水系统调节阀进行解体后回装调试工作，在测量电机运行时发现实际运行电流为 1.90A，该电流值超过额定电流 1.75A，初步判断为阀门电动执行器减速部分或阀门本体存在卡涩，造成电机过载运行。而现场手摇执行器开关阀门并未感觉明显的卡涩情况，查询检修记录确认阀杆填料紧固螺栓加载扭矩

14、符合程序规范要求，维修人员经此排除了传动装置卡涩造成电机过载运行的情况。现场对电机有明确的技术要求， 规定测量电机三相对地绝缘均大于 20M，三相直阻分别为 40：41：40，偏差率约为 2.5%，需满足不大于10%的技术要求。经检修调试，工作人员发现电机在带电试转时并未出现明显异常。因俄供电机技术文件对绕组的直阻值大小无明确标注，维修人员领取一台新电机，测量新电机的三相直阻 43:44:44，新电机的直阻比旧电机平均高 10%左右，由此判断出问题所在，是旧电机直阻普遍下降而造成运行电流超出额定值。高压加热器输水调节阀所处环境及管线温度较高，加之俄供设备的防护等级要求均不高，常规岛设备仅要求满

15、足 IP54 即可，湿热的空气可通过电动执行器进入电机内部，造成定子线圈受潮，阻值下降。维修技术人员有针对性的开展了关于提高俄供电动执行器密封性能的分析研究工作，在端盖的结合面上涂抹耐高温硅酮密封胶，提高电动执行器的气密性，避免了类似缺陷的发生。图 4 电动执行器电机图 5 电动执行器各部件3.2 放射性气体净化系统调节阀电机烧毁缺陷放射性气体净化系统调节阀电机烧毁缺陷在机组的功率运行过程中，放射性气体净化系统中电动调节阀曾经出现这样的缺陷，电动阀门无法实现操作功能。维修人员进入现场测量电机三相绝缘时发现绝缘失去，电机烧毁。进一步检查电动执行器传动部分与阀门本体传动部分，未发现明显的卡涩现象，

16、各传动机构润滑良好。维修人员将电机烧毁的根本原因初步确认为电机设备本身绝缘降低造成损坏。在确认根本原因后，现场人员立即更换了一台新电机。而在新电机送电而未进行操作时电机产生异音，维修人员立即断开连接，排查原因。在仪控人员的协助支持下，发现电机上游 80 模件损坏，造成电机两相带电。更换模件后，带电试验阀门可正常开关。田湾核电站的调节阀的控制逻辑（详见图 6）与其他电厂有所区别，调节阀用电机转动所需的交流 380V 电源由 XST 柜控制，XST 柜又称为 80 柜，一般用于集中驱动 2.2KW 至 5.5KW 的异步电机，其优点是调节精度高、保护功能全，且能对调节阀实行无触点的平滑调节。80

17、柜模件作为 80 柜核心元件，实现了 80 柜的控制、调节和保护功能。图 6 田湾核电站电动调节阀控制逻辑主工作电路（图 7）完成了 80 柜模件的关键功能，即无触点地为调节阀通、断电。其参照电机反转原理而设计，即交换三相异步电动机的任意三相供电线路中的两相，工作主电路共由四个双向晶闸管构成，它们分别两两用于异步电机三相交流输电线（A、B、C）的 A 相和 C 相中，如图 7 所示。图 7 80 柜模件的主工作电路图 7 中，当电机正转时，在门极电路的触发下，晶闸管 A、D 被同时导通，三相电源和异步电机定子三相相序之间的对应关系为：L1（A）U，L2（B）V，L3（C）W。当电极反转时，在门

18、极电路的触发下，晶闸管 B、C 被导通，此时三相电源和异步电机定子三相相序之间的对应关系为：L1（A）W，L2（B）V，L3（C）U。因此是通过将异步电机三相电源的 A、C 相相序交换来实现对异步电机的正反转控制的，即实现了对阀们的开、关控制。当所有的门极触发电路都无输出时，工作主电路将依靠电源在晶闸管上产生的负向电压差来实现自然断流。仪控人员检查发现控制此台电动调节阀的 80 模件的晶闸管 A 击穿，造成 U 相带电，送电之后电机便两相带电，从而烧毁电机。维修人员更换了80 模件后，系统运行恢复正常。针对此类型缺陷，维修技术人员修改了相应的检修方式，将电机的检修内容规范为：控制部分、电机本体

19、、负载单元三个功能块的检查，进而从根本层面上消除此类电机缺陷。4 结束语结束语田湾核电站使用的堆型技术特点及仪控系统的整体性能决定了现场的重要阀门均为电动阀门，驱动该类阀门，就必须安装各种结构类型的电动执行器，不同电动执行器使用电机的结构和原理区别不大，但其综合性能却总会有一定区别，加之使用的工况环境及操作条件不尽一致，给缺陷分析造成了一定的难度。综合考虑控制逻辑、运行工况及设备可靠性能等方面因子，维修技术人员也在不断的对田湾核电站的电动执行器进行优化改进，多种检修经验及优化方式值得总结反馈，同时也能为二期、三期工程的安装调试提供最宝贵的经验。参考文献参考文献1 张晓峰. 田湾核电站电动调节阀跳自动故障分析 M .北京： 科技咨询杂志社，20122 蒋国元. WWER-1000 核电站设备与系统 M .北京：原子能出版社，2009.93 陆培文. 实用阀门设计手册 M . 北京：机械工业出版社，20024 IEE 60034-1, Rotating electrical machines-part1:Rating and performance s5 JB 2195-77 ,YDF 系列电动阀门用三相异步电动机s6 JB8528-1997 ,阀门电动装置技术条件 s