热工实验系统智能化阀门的现状及应用

王运生 祝 文 袁 凯 肖林海 马新光 田雪莲 段水强

（中国核动力研究设计院，成都 610000）

随着经济社会的不断发展和全球工业生产规模的不断扩大，智能化技术的水平不断提高[1]，已在人工智能与信息技术等领域取得了重大突破。在智能产品的应用层面上，智能语音识别、人工智能（Artificial Intelligence，AI）识物、无人机、无人驾驶以及专家诊断系统等，在多个工业领域均有成功应用的案例，促使我国制造业逐渐进入万物互联与AI控制的新时代。为抓住新一轮科技革命的发展先机，我国相继提出了工业4.0与《中国制造2025》等重大战略。

热工实验系统与石油化工、电厂锅炉蒸汽等管道输送系统类似，需要在复杂的工况变化过程中维持系统稳定运行。例如，回路系统中介质流量的调节和截断，是通过庞大而复杂的阀门系统完成的。人工控制方式受限于操作员的经验，存在很大主观随意性与不稳定性，效率较低，且存在人为失误的风险较高。因此，阀门的智能化控制尤为重要，有利于迅速精准地调节和控制实验系统回路中介质的流量、压力及温度等关键参数，提升系统工作安全性与可靠性，大幅降低系统运行的人工成本。可见，在热工实验系统中应用智能化阀门控制技术可更好地保障实验安全和系统的稳定运行，提高科研工作效率，具有重要的实践意义。

1.1 电动智能化阀门的技术发展现状

世界发达国家对电动智能化阀门的研发起步较早，并已广泛应用于相关领域。电动智能化阀门的最大特点是具备智能化的电动执行机构。图1为英国ROTOKR（罗托克）公司的电动执行机构。随着计算机、微电子、数字化以及机电一体化等技术的发展，最核心的部件阀门控制器不仅能够兼容各类执行机构，而且智能化与数字化程度越来越高，使得电动智能化阀门的功能日趋完善。英国ROTOKR（罗托克）公司、德国SIEMENS（西门子）公司以及美国KEYSTONE与VALTEK公司等生产的电动智能化阀门，技术先进，功能完善，质量可靠，在国际市场享有良好的声誉[2]。

随着我国改革开放的不断深入，大量先进技术融入各个领域，快速缩短了各领域相关技术与发达国家的差距。目前，国产电动智能化阀门已基本满足国内工业需求，但尚不能达到国际先进水平[3]。尤其在核电领域，国产阀门距世界一线品牌仍存在较大差距。我国核岛内执行安全功能的诸多阀门严重依赖进口，主要原因是电动智能化阀门所用行程开关、力矩开关及控制器等重要配件技术相对落后，电动执行机构与阀体的一体化匹配效果不佳。目前，扬州电力设备修造厂有限公司、重庆川仪自动化股份有限公司及常州电站辅机总厂有限公司等生产的电动执行机构在国内处于行业领先地位。

1.2 电动智能化阀门的特点

1.2.1 微处理器控制信号

电动执行机构控制器通常根据控制系统中微处理器发出的控制信号驱动阀门，不仅能根据热工实验中压力、温度以及流量等热工参数的需求精确调节阀门，还能够通过远程操作方式在不需要打开阀门密封外壳的情况下直接调节弹簧力矩值的大小，大大提高了人机效率[4]。

1.2.2 故障诊断的智能化

电动智能化阀门具有完善的故障自诊断功能。在阀门的电动执行机构上安装传感器，可以诊断电动智能化阀门出现的故障。当发现控制指令与执行情况不符合或阀门发生故障时，可迅速识别并向主控系统报警或者立即关停阀门电机[5]。

1.2.3 智能化监测和数据存储

智能化监测和数据存储可在线监测电动智能化阀门、管道系统内流体的运行状态，判断阀门是否处于正常工作状态。电动智能化阀门能够收集正常运行和故障状态下的数据，并传输给上位机进行存储和分析。

1.2.4 执行机构与阀门的一体化

执行机构与阀门的一体化主要包括电动执行机构和阀门本体的设计与制造一体化。通过一体化结构可大大简化控制系统的设计、生产、安装、操作和维护等，也可减少因信号在传输中的泄露和干扰等因素影响系统的情况发生，提高了电动智能化阀门的可靠性。

热工实验装置通常由主系统、辅助系统、电气系统和仪控系统构成。根据设计要求，它可开展一些温度和压力科研实验。其中：主系统用于提供热工实验所需的特定热工水力环境，主要包含主循环泵、各种规格参数的电动阀门以及流量测量装置等；
辅助系统是维持主系统正常稳定运行的实验系统，主要由专用安全设备、过滤设备、补水设备以及设备冷却换热器等组成，保障主系统的稳定与安全；
电气系统主要负责整个热工水力实验装置的配送电，可为各类实验设备提供所需规格参数的电力。主系统、辅助系统和电气系统可以布置各种类型的传感器连入仪控系统，用于监测和记录热工实验中需要关注的温度、压力、流量以及振动等主要参数，并向电气系统发出控制指令，以实现对各类设备的远程驱动控制。热工实验系统的运行流程图如图2所示。

图2 热工实验系统运行流程图

目前，大多数热工水力实验装置使用了各类电动阀门。系统常用电动智能化阀门的功能和作用见表1，电动智能化阀门现场安装图见图3。

图3 电动智能化阀门现场安装图

表1 热工实验系统常用电动智能化阀门的功能作用

根据电动智能化阀门在热工实验系统中使用位置与功能的不同，电动智能化阀门主要包括以下两个类型。

第一类，通过行程开关控制阀门电机、力矩开关进行保护的工作方式。行程开关和力矩开关一般安装在电动执行机构，并不是从阀门轴上直接获取原始数据，所以阀位的指示值与实际阀位值存在误差，会降低阀门的控制精度。此类阀门多用于辅助系统等次要系统。

第二类，智能型电动执行器的电动阀。它的优点在于方便遥控设置阀门的运行参数而无须打开密封外壳，并具有丰富的在线显示功能。随着电动智能化阀门执行机构的智能化水平不断提高，利用现场总线通信协议技术可减少现场所用辅助设备和信号转换过程中的损失，为电动智能化阀门执行机构的运行提供便利的通信方式。此类阀门多用于主系统等重要系统。

根据目前热工实验系统布置使用电动智能化阀门的特点和实验运行方式，结合热工实验工况多、研究性强的特点，经过长期科研实验总结了其主要存在的不足。第一，实验回路电动智能化阀门种类较多，与早期建设的热工实验系统的实验装置使用的电动智能化阀门相比，并不具备智能化模块，只能通过行程开关控制阀门电机进行操作，因此有必要改造仍具有开展科研需求的热工实验系统中实验装置的电动智能化阀门。第二，实验过程中，电动智能化阀门自检出故障或问题后，不能及时进行相应调整和排除故障，仍需要阀门供货厂家到现场查找故障原因并处理问题，耗时耗力。第三，热工实验长时间运行值班过程中，电动智能化阀门不能实现自动控制，也不能自动调节热工工况中流量等主要参数，无人化和少人化值守水平较低。第四，实验控制系统尚未编辑系统参数的上层逻辑，各个电动智能化阀门间未能实现信息互通，无法相互判断阀门的实时状态和动作。

结合电动智能化阀门的现状，建议后续可以从以下3个方面完善热工实验系统中电动智能化阀门的智能化水平。

第一，智能化阀门的改造。更换早期建设的热工实验系统中实验装置不具备智能化模块的电动智能化阀门，同时针对核电领域阀门应用的安全要求，提升国产阀门传感器的耐辐照、耐高温等性能，使其具备良好的指示精度和可靠性，扩大电动智能化阀门在热工实验领域的应用程度和范围。

第二，完善并应用电动智能化阀门数据库。使用过程中应注重电动智能化阀门数据库的建立和完善。电动智能化阀门数据库的数据主要包括阀门自身的状态与工作数据和管道流体介质在不同工况下的重要热工数据。利用阀门状态和工作数据开展阀门故障分析研究，可以检测电动智能化阀门的在线状态，从而排除常见故障，存储并分析管道和系统的热工数据。超过预设差值的热工参数时，可及时向控制系统发出预警或自动调整。

第三，建立电动智能化阀门间信息的互通互联。热工实验系统中阀门众多，功能和作用也不同。为实现在长时间实验过程中无人值守作业和高度自动化等目的，可以分单元、分步骤以及分阶段地逐步完善热工实验智能化阀门间互通互联的功能。目前，热工水力常用的实验控制只是基于数学模型和逻辑程序开展的，实验过程中仍然需要人工依靠经验和专业知识进行判断、分析和决策。实现电动智能化阀门间的信息共享会使整个系统具备判断和决策能力，进而按照人的思维模式发布实验程序和操作规程命令，从而在实验任务要求的范围内主动作业。