電站鍋爐安全閥校驗新技術(shù)研究及應(yīng) 用
Application Of New Technology In verifying Safe Valves Of Power Plant
[摘要] 介紹NSH安全閥定壓儀進(jìn)行在線性能檢測和工作參數(shù)檢測的原理。NSH安全閥在線定壓儀可在機(jī)組運(yùn)行的情況下，僅需2~5 秒時間即可完成對安全閥進(jìn)行在線性能檢測和工作參數(shù)檢測，及在線整定。實(shí)際應(yīng)用表明：確保了安全閥設(shè)備和操作人員的安全、經(jīng)濟(jì)效益顯著。
[關(guān)鍵詞] 在線整定 開啟點(diǎn) 測量曲線
Abstract] The principle of on-line performance and working parameters testing by using NSH on-line safety value calibrator are briefed . On –line performance testing , working parameters testing on-line setting of safety value under the operating condition of boiler can be completed within 2-5 seconds by using such kind calibrator. Practical application shows that safety and economy benefits are remarkable.
[Key Words] on-line setting；safety value； calibration curve
0 電站安全閥校驗有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定
根據(jù)國家質(zhì)量監(jiān)督局鍋爐壓力容器監(jiān)察局頒布的《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程規(guī)定：“在用鍋爐的安全閥每年至少應(yīng)校驗一次” ；《電力工業(yè)鍋爐壓力容器監(jiān)察規(guī)程》（（ DL612-1996）9.1.13）規(guī)定：“鍋爐安裝和大修完畢及安全閥經(jīng)檢修后，都應(yīng)校驗安全閥的起座壓力”，（并明確規(guī)定“規(guī)程監(jiān)察范圍：f）熱力系統(tǒng)壓力容器：高、低壓加熱器、除氧器、各類擴(kuò)容器等”；國家電力公司頒布的《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點(diǎn)要求》規(guī)定：“各種壓力容器安全閥應(yīng)定期進(jìn)行校驗和排放試驗”。這些規(guī)定都十分明確了對電站安全閥的定期校驗工作。
電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力工業(yè)鍋爐壓力容器監(jiān)察規(guī)程》（ DL612-1996）9.1.13對儀器校驗安全閥有明確規(guī)定：“純機(jī)械彈簧式安全閥可采用液壓裝置進(jìn)行校驗調(diào)整，一般在75%～80%額定壓力下進(jìn)行。經(jīng)液壓裝置調(diào)整后的安全閥，應(yīng)至少對最低起座值的安全閥進(jìn)行實(shí)際起座復(fù)核。”
1 安全閥的檢驗方法
目前，電力系統(tǒng)的安全閥校驗普遍采用的方法有離線測量和在線測量兩種。
離線測量需要在設(shè)備停車時拆下安全閥送到檢驗臺上，即費(fèi)時又費(fèi)力，且該種測量方法不能解決溫度對安全閥開啟壓力的影響，而對一些不可拆下的安全閥（如焊接閥等）更是無能為力。在線測量又分為實(shí)跳測量和儀器測量兩種。實(shí)跳測量會對安全閥造成不必要的傷害，并且噪聲污染和測量時的安全性問題已越來越引起人們的重視，一九九九年七月九日遼寧省錦州發(fā)電廠在安全閥校驗時五死三傷的慘劇應(yīng)該不會忘記。
儀器測量方式是目前較為先進(jìn)且普遍采用的方法，如英國FURMANITE公司于八十年代研制的TREVITEST的實(shí)用產(chǎn)品。該儀器以風(fēng)動馬達(dá)驅(qū)動液壓泵為動力源，采用二通道筆試記錄儀配合傳感器作為測量記錄單元。所記錄的安全閥開啟過程外加力變化曲線，由操作者人工判別特征點(diǎn)，通過手工計算出最終結(jié)果整個測量過程均需人工參與，故測量結(jié)果的一致性受人為因素影響很大，測量精度不能保證。此外，該種儀器的價格昂貴（2000年報價達(dá)125萬元），難以在國內(nèi)推廣。日美等國的安全閥生產(chǎn)廠家在九十年代隨后也相繼開發(fā)了類似產(chǎn)品，但此類產(chǎn)品僅可用于自己廠家生產(chǎn)的安全閥，對國產(chǎn)和其他廠家安全閥就顯得無能為力。九十年代起，國內(nèi)也出現(xiàn)部分仿制型，在技術(shù)上并無太大突破，仍然存在測量一致性差、測量精度低的缺點(diǎn)。
NSH系列安全閥在線定壓儀系由北京邦備機(jī)電技術(shù)有限公司及北京勞動安全技術(shù)裝備中心研制開發(fā)的新型便攜式儀器，其基本工作原理等同于英國FURMANITE的TREVITEST安全閥檢測系統(tǒng)，并在設(shè)計工藝上有重大突破。NSH安全閥在線定壓儀是校驗電站安全閥的新型專利產(chǎn)品，勞動部鍋爐壓力容器監(jiān)察局、電站閥門標(biāo)委會推薦產(chǎn)品，此產(chǎn)品經(jīng)過中國計量科學(xué)院檢測合格。目前，該儀器已在全國五十多電廠的安全閥校驗中應(yīng)用，經(jīng)實(shí)踐證明，此儀器在設(shè)NSH安全閥在線校驗儀可在機(jī)組停運(yùn)或運(yùn)行的情況下，僅需2-5秒開啟時間可完成對安全閥進(jìn)行在線性能檢測和工作參數(shù)檢測，也可對經(jīng)檢測不合格的安全閥進(jìn)行在線整定，可以測量和記錄安全閥的開啟壓力和安全閥所在位置系統(tǒng)介質(zhì)壓力等參數(shù)。
2 設(shè)計原理
彈簧安全閥的開啟、關(guān)閉動作是依靠其進(jìn)口端的介質(zhì)壓力變化和彈簧預(yù)緊力來使閥芯自動開啟及關(guān)閉。當(dāng)介質(zhì)壓力（內(nèi)壓）升高到提升力比彈簧預(yù)緊力大時，閥芯克服彈簧預(yù)緊力自動開啟，泄放多余的介質(zhì)，使內(nèi)壓下降，又由于彈簧力的作用，當(dāng)內(nèi)壓降至安全值時，閥芯自動關(guān)閉，泄放停止。
根據(jù)這個原理，可以設(shè)想，在線（又稱熱態(tài)）測量或調(diào)整安全閥時，如果由外部提供一個向上的附加力，則當(dāng)介質(zhì)壓力與這個附加力的總和剛剛克服彈簧預(yù)緊力時，閥芯同樣也會開啟，甚至在沒有介質(zhì)作用的離線（又稱冷態(tài)）條件下，單獨(dú)由外部附加力克服彈簧預(yù)緊力時，閥芯也可開啟，圖一清楚地表示了這種力的平衡關(guān)系。
很明顯，我們可以看出，閥芯開啟的條件為：
FT＝FW＋PＬ×S
其中： FT——彈簧預(yù)緊力
FW——外部附加力
PL—— 介質(zhì)作用壓力
S——安全閥密封面面積
則開啟壓力Ｐ為：P＝PL＋FW／S
當(dāng)冷態(tài)時，Ｐ＝FW／Ｓ
顯然，如果能夠準(zhǔn)確地測定附加外力FW，就可以根據(jù)已知的閥芯面積S和系統(tǒng)工作壓力，很容易地求得安全閥的開啟壓力P。這即為安全閥在線測試技術(shù)的設(shè)計依據(jù)和原理。
3 技術(shù)依據(jù)
根據(jù)對彈簧安全閥開啟動作特性的分析，可以得出：在外加力FW的作用下，一個安全閥從關(guān)閉到開啟，再由開啟到關(guān)閉的全過程中，外附加力FW的變化規(guī)律可見圖二所示：
2.1圖二（ａ）為熱態(tài)（在線）測試時的過程曲線，當(dāng)附加力從零逐步增加，與內(nèi)壓力PL×S之和正好為彈簧預(yù)緊力時，閥門微啟，增大了介質(zhì)作用面積Ｓ，使得用來克服彈簧預(yù)緊力的內(nèi)壓作用力急劇增大，其結(jié)果在瞬間減小了外附加力。從而出現(xiàn)第一個特征峰Ａ。當(dāng)外附加力逐漸減小而達(dá)到關(guān)閉點(diǎn)時，由于介質(zhì)作用面積忽然減小，為保持力的平衡關(guān)系，此時，外附加力會出現(xiàn)瞬間回升現(xiàn)象，即第二個特征峰點(diǎn)Ｂ。上述兩個特征峰點(diǎn)Ａ和Ｂ是在線條件下檢測安全閥開啟壓力、回座壓力的技術(shù)依據(jù)。
2.2圖二（ｂ）為冷態(tài)環(huán)境時的測試過程曲線，當(dāng)閥門未打開前，外附加力克服閥芯靜態(tài)剛性力，當(dāng)達(dá)到開啟點(diǎn)以后，外附加力改為克服彈簧的彈性力，兩者隨時間變化的斜率不同，從而出現(xiàn)第一個拐點(diǎn)C，同樣情況，在閥門關(guān)閉時也會出現(xiàn)另一個拐點(diǎn)D。這兩個拐點(diǎn)分別對應(yīng)閥門的開啟和回座，正是冷態(tài)時測試閥門開啟、回座壓力的技術(shù)依據(jù)。
從以上分析不難看出，安全閥在線測試技術(shù)的關(guān)鍵在于如何正確迅速地找到對應(yīng)開啟的特征點(diǎn)。
4 系統(tǒng)構(gòu)成
在線檢測系統(tǒng)由機(jī)械夾具、液壓動力單元和數(shù)據(jù)采集處理單元三大部分組成，彼此相對獨(dú)立，由兩條10米長的液壓軟管和兩條10米長的五芯屏蔽電纜互相聯(lián)成一個完整的安全閥測試系統(tǒng)。它具有體積小、重量輕、組件模塊化、設(shè)備計算機(jī)化、操作簡單、穩(wěn)定可靠等顯著特點(diǎn)，性能在許多方面都超過國外同類儀器水平。
4.1夾具：保證對待測安全閥實(shí)施夾持定位，為液壓動力單元提供施加外力的環(huán)境，采用組合式結(jié)構(gòu)，拆卸十分方便。（見圖三）
4.2液壓動力單元：提供可調(diào)節(jié)的液壓輸出和流量，最大輸出10MPa，最大提升力為50KN，用以控制外加的提升力和提升速度。
4.3 數(shù)據(jù)處理單元：它是測試系統(tǒng)的核心，直接決定系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。
其中，力傳感器采用輪輻式結(jié)構(gòu)，靈敏度極高，精度可達(dá)到0.05% ，壓力傳感器采用高溫型傳感器，工作溫度可達(dá)200~250度。兩種傳感器均為高輸出式，內(nèi)藏放大器，其線性度、重復(fù)性和抗干擾能力極強(qiáng)。
測試系統(tǒng)采用了二通道低增益，高精度放大電路，智能化A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集電路，可同時采集力、壓力二個參數(shù)，核心部分選用目前市場上先進(jìn)的筆記本電腦（CPU PⅢ600），可繪制曲線并打印測試結(jié)果，具有漢字化的人機(jī)對話功能，各測量通道的數(shù)據(jù)均可在屏幕上顯示，在超量程的情況下，確保系統(tǒng)和安全閥的安全，全部硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于維修和調(diào)試。
另外，為保證主機(jī)能在50℃的高溫環(huán)境下正常連續(xù)的工作，特別設(shè)計了輔助配套設(shè)備——電腦低溫工作臺。
5 操作步驟：
操作步驟如下：
見圖四，選擇被測試安全閥，根據(jù)系統(tǒng)安裝圖可方便地完成NSH部件的安裝和連接；在計算機(jī)主控窗口上單擊“裝入?yún)?shù)”選定被測安全閥；（見圖五）選擇壓力傳感器測量方式，輸入基礎(chǔ)壓力值；核對無誤后，單擊“再線定壓”，此時系統(tǒng)提示：“正在測試！請等待！”打開液壓單元電源開關(guān)至“開啟”位置，調(diào)整“系統(tǒng)壓力調(diào)整”旋鈕至計算機(jī)指示“所需油壓”值；將換向控制旋鈕旋至“提升”位置，使油缸活塞帶動被測閥的閥桿向上移動；通過觀察閥桿上升或聽到介質(zhì)排泄的聲音，確定閥已開啟后，將換向控制旋鈕旋回“復(fù)位”位置，關(guān)閉電源；計算機(jī)將自動進(jìn)入結(jié)果顯示窗體，（見圖六）顯示測試曲線、測試時間、開啟壓力、調(diào)整高度等參數(shù)；根據(jù)計算機(jī)提示的調(diào)整高度，調(diào)節(jié)定壓螺母；單擊“退出”鈕，重新起動測試程序，得出新的測試曲線和結(jié)果。反復(fù)執(zhí)行上述步驟，直至開啟壓力和整定壓力相差不大于“測量允許誤差” 時，此時計算機(jī)顯示“調(diào)節(jié)完畢”，表示測量結(jié)束。
圖五 主控窗口 圖六 測試曲線
6 誤差分析
根據(jù)選用MSC—5101采樣器、傳感器的精度以及放大器設(shè)計精度，測試系統(tǒng)開啟壓力度量誤差分析如下。系統(tǒng)簡圖見圖三：
圖七 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)簡化框圖
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其中：f——物理量（力、壓力）
V1V2——中間電量
N——數(shù)字量（力、壓力）
K1、K2、K3——各級轉(zhuǎn)換系數(shù)
由：； ；
所以：
按誤差傳遞理論，絕對誤差和相對誤差分別為：
代入實(shí)際偏差量：
（力傳感器最大誤差） 精度0.05%
（壓力傳感器最大誤差）精度0.2%
（放大器誤差）
（A/D轉(zhuǎn)換器最大誤差）
因而，可以求得提升力和壓力的相對誤差分別為：
根據(jù)開啟壓力計算公式：
其中：P——開啟壓力
PL——系統(tǒng)內(nèi)壓
A——閥門密封面積
f——附加外力
從而可以得出開啟壓力的相對誤差為：
由此可以看出，開啟壓力的相對誤差不僅和附加力、系統(tǒng)內(nèi)壓有關(guān)，而且與密封面積有關(guān)， 就一般而言，安全閥密封面積在20~125，通過計算分析，可以得出：
。
7 軟件設(shè)計、功能及特點(diǎn)
測試系統(tǒng)采用了功能較強(qiáng)的筆記本計算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理器，經(jīng)過前后六年多的近千次試驗、修改，該系統(tǒng)配備了一整套功能較強(qiáng)的軟件系統(tǒng)。
其主要功能和特點(diǎn)：
7.1預(yù)置工作參數(shù)和儀器檢測狀態(tài)，整個預(yù)置過程均為漢字人機(jī)對話形式，快捷、便利，并且可根據(jù)被測閥門的工況條件事先計算出系統(tǒng)應(yīng)提供的液壓提升力，保證被測閥安全。
7.2數(shù)據(jù)采集和數(shù)字濾波功能，數(shù)據(jù)采集軟件可讓用戶根據(jù)不同閥門、不同工況條件選擇不同的采樣時間，減少雜散信號干擾，保證測試曲線的平滑完好。
7.3繪制測試曲線，可以根據(jù)測試的力、壓力以各種不同顏色繪制出整個測試過程曲線。
7.4據(jù)處理及結(jié)果打印，根據(jù)被測閥的工藝參數(shù)和工況條件，自動選擇對應(yīng)的計算方法計算出開啟壓力、回座壓力、開啟高度等測量結(jié)果，并且可自動進(jìn)行多種修正。如：對內(nèi)壓變化的修正、對低壓狀態(tài)的修正、對微起閥的修正。根據(jù)開啟高度和內(nèi)壓值對回座壓力值的修正等，最終以漢字形式打印出測試結(jié)果。
7.5閥門整定壓力的調(diào)整方法提示軟件，可以提示用戶先進(jìn)行單位增量調(diào)整，然后根據(jù)測量值的變化量經(jīng)邏輯判斷和線性處理，以漢字形式指示用戶定量調(diào)整定壓螺母，調(diào)整后經(jīng)再次測量，二級近似和處理后指示精確調(diào)整值，直至滿足整定壓力值為止。
8 應(yīng)用情況:
NSH安全閥在線定壓儀自九六年進(jìn)入電力系統(tǒng)以來，先后在鐵嶺發(fā)電廠、秦皇島熱電廠、揚(yáng)州第二發(fā)電廠、田家庵發(fā)電廠、開封火電廠、陽泉第二發(fā)電廠、華能德州電廠、菏澤電廠、丹東電廠、梅縣電廠、諫壁電廠、大港電廠、首陽山電廠、青山電廠、漢川電廠、鄂州電廠、陽邏電廠、南陽鴨河口電廠、張家口電廠、珠江電廠、媽灣電廠、珞璜電廠、嵩嶼電廠、蒲山電廠、福州電廠沙角A、B、C電廠、湛江電廠和大亞灣核電站等九十多家火電廠或核電站投入使用，涉及發(fā)電機(jī)組100 MW~600MW，含蓋目前電站鍋爐所有安全閥，如美國DRESSER、CROSBY、日本東亞、日本岡野生產(chǎn)的全量型安全閥等國內(nèi)外閥門廠家。經(jīng)實(shí)踐證明，此儀器在設(shè)計原理、儀器結(jié)構(gòu)、測量精度以及使用的安全性、方便性等方面都具有突出優(yōu)點(diǎn)。
圖八 全量型安全閥 圖九 蝶形彈簧安全閥
9 結(jié)論
NSH安全閥在線定壓儀在設(shè)計原理﹑測量精度﹑自動化程度以及操作方法等方面在國內(nèi)外安全閥校驗工作方面處于世界領(lǐng)先水平，特別是其儀器采用計算機(jī)系統(tǒng)和漢字化的測試軟件更為國內(nèi)外同類儀器的首創(chuàng)。使用NSH安全閥在線定壓儀校驗彈簧安全閥，達(dá)到了國內(nèi)外彈簧安全閥校驗的先進(jìn)水平，徹底改變了傳統(tǒng)的校驗方法，測量更加精確，定值更加可靠，定壓更加便捷，操作更加規(guī)范，節(jié)省了測試時間，降低了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了蒸汽能源，降低了噪音污染，為機(jī)組安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行提供了可靠的保證。
作者簡介：
張傳虎 任電力行業(yè)電站閥門標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員、中國電機(jī)工程學(xué)會火電分會委員、國家電力公司熱力發(fā)電雜志社特約編輯，從事電站安全閥校驗技術(shù)的研究工作，負(fù)責(zé)編寫《電站安全閥技術(shù)條件》電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。曾在以下雜志和網(wǎng)站等發(fā)表論文推廣NSH安全閥在線定壓儀校驗技術(shù)：
國家電力公司《熱力發(fā)電》雜志2001年第1期《NSH安全閥定壓儀在碟形彈簧安全閥校驗中的應(yīng)用》；
國家電力公司《中國電力》雜志2001年第5期《電站安全閥校驗新技術(shù)》；
國家電力公司 《Electricity》雜志2001年第4期《Application Of New Technology In verifying Safe Valves Of Power Plant》；
中國電力時空（www.powerfield.net）文《電站鍋爐安全閥校驗新技術(shù)研究及應(yīng)用》