電站鍋爐安全閥校驗新技術研究及應 用
Application Of New Technology In verifying Safe Valves Of Power Plant
[摘要] 介紹NSH安全閥定壓儀進行在線性能檢測和工作參數檢測的原理。NSH安全閥在線定壓儀可在機組運行的情況下，僅需2~5 秒時間即可完成對安全閥進行在線性能檢測和工作參數檢測，及在線整定。實際應用表明：確保了安全閥設備和操作人員的安全、經濟效益顯著。
[關鍵詞] 在線整定 開啟點 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標準的規(guī)定
根據國家質量監(jiān)督局鍋爐壓力容器監(jiān)察局頒布的《蒸汽鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程規(guī)定：“在用鍋爐的安全閥每年至少應校驗一次” ；《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檢修后，都應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、各類擴容器等”；國家電力公司頒布的《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》規(guī)定：“各種壓力容器安全閥應定期進行校驗和排放試驗”。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)標準《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：“純機械彈簧式安全閥可采用液壓裝置進行校驗調整，一般在75%～80%額定壓力下進行。經液壓裝置調整后的安全閥，應至少對最低起座值的安全閥進行實際起座復核?！?/span>
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。
離線測量需要在設備停車時拆下安全閥送到檢驗臺上，即費時又費力，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。在線測量又分為實跳測量和儀器測量兩種。實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該不會忘記。
儀器測量方式是目前較為先進且普遍采用的方法，如英國FURMANITE公司于八十年代研制的TREVITEST的實用產品。該儀器以風動馬達驅動液壓泵為動力源，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，通過手工計算出最終結果整個測量過程均需人工參與，故測量結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125萬元），難以在國內推廣。日美等國的安全閥生產廠家在九十年代隨后也相繼開發(fā)了類似產品，但此類產品僅可用于自己廠家生產的安全閥，對國產和其他廠家安全閥就顯得無能為力。九十年代起，國內也出現部分仿制型，在技術上并無太大突破，仍然存在測量一致性差、測量精度低的缺點。
NSH系列安全閥在線定壓儀系由北京邦備機電技術有限公司及北京勞動安全技術裝備中心研制開發(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品，勞動部鍋爐壓力容器監(jiān)察局、電站閥門標委會推薦產品，此產品經過中國計量科學院檢測合格。目前，該儀器已在全國五十多電廠的安全閥校驗中應用，經實踐證明，此儀器在設NSH安全閥在線校驗儀可在機組停運或運行的情況下，僅需2-5秒開啟時間可完成對安全閥進行在線性能檢測和工作參數檢測，也可對經檢測不合格的安全閥進行在線整定，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)介質壓力等參數。
2 設計原理
彈簧安全閥的開啟、關閉動作是依靠其進口端的介質壓力變化和彈簧預緊力來使閥芯自動開啟及關閉。當介質壓力（內壓）升高到提升力比彈簧預緊力大時，閥芯克服彈簧預緊力自動開啟，泄放多余的介質，使內壓下降，又由于彈簧力的作用，當內壓降至安全值時，閥芯自動關閉，泄放停止。
根據這個原理，可以設想，在線（又稱熱態(tài)）測量或調整安全閥時，如果由外部提供一個向上的附加力，則當介質壓力與這個附加力的總和剛剛克服彈簧預緊力時，閥芯同樣也會開啟，甚至在沒有介質作用的離線（又稱冷態(tài)）條件下，單獨由外部附加力克服彈簧預緊力時，閥芯也可開啟，圖一清楚地表示了這種力的平衡關系。
很明顯，我們可以看出，閥芯開啟的條件為：
FT＝FW＋PＬ×S
其中： FT——彈簧預緊力
FW——外部附加力
PL—— 介質作用壓力
S——安全閥密封面面積
則開啟壓力Ｐ為：P＝PL＋FW／S
當冷態(tài)時，Ｐ＝FW／Ｓ
顯然，如果能夠準確地測定附加外力FW，就可以根據已知的閥芯面積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的設計依據和原理。
3 技術依據
根據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，一個安全閥從關閉到開啟，再由開啟到關閉的全過程中，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，當附加力從零逐步增加，與內壓力PL×S之和正好為彈簧預緊力時，閥門微啟，增大了介質作用面積Ｓ，使得用來克服彈簧預緊力的內壓作用力急劇增大，其結果在瞬間減小了外附加力。從而出現第一個特征峰Ａ。當外附加力逐漸減小而達到關閉點時，由于介質作用面積忽然減小，為保持力的平衡關系，此時，外附加力會出現瞬間回升現象，即第二個特征峰點Ｂ。上述兩個特征峰點Ａ和Ｂ是在線條件下檢測安全閥開啟壓力、回座壓力的技術依據。
2.2圖二（ｂ）為冷態(tài)環(huán)境時的測試過程曲線，當閥門未打開前，外附加力克服閥芯靜態(tài)剛性力，當達到開啟點以后，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，從而出現第一個拐點C，同樣情況，在閥門關閉時也會出現另一個拐點D。這兩個拐點分別對應閥門的開啟和回座，正是冷態(tài)時測試閥門開啟、回座壓力的技術依據。
從以上分析不難看出，安全閥在線測試技術的關鍵在于如何正確迅速地找到對應開啟的特征點。
4 系統(tǒng)構成
在線檢測系統(tǒng)由機械夾具、液壓動力單元和數據采集處理單元三大部分組成，彼此相對獨立，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、設備計算機化、操作簡單、穩(wěn)定可靠等顯著特點，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，采用組合式結構，拆卸十分方便。（見圖三）
4.2液壓動力單元：提供可調節(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 數據處理單元：它是測試系統(tǒng)的核心，直接決定系統(tǒng)的可靠性和準確性。
其中，力傳感器采用輪輻式結構，靈敏度極高，精度可達到0.05% ，壓力傳感器采用高溫型傳感器，工作溫度可達200~250度。兩種傳感器均為高輸出式，內藏放大器，其線性度、重復性和抗干擾能力極強。
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轉換和數據采集電路，可同時采集力、壓力二個參數，核心部分選用目前市場上先進的筆記本電腦（CPU PⅢ600），可繪制曲線并打印測試結果，具有漢字化的人機對話功能，各測量通道的數據均可在屏幕上顯示，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構，便于維修和調試。
另外，為保證主機能在50℃的高溫環(huán)境下正常連續(xù)的工作，特別設計了輔助配套設備——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；在計算機主控窗口上單擊“裝入參數”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至“開啟”位置，調整“系統(tǒng)壓力調整”旋鈕至計算機指示“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排泄的聲音，確定閥已開啟后，將換向控制旋鈕旋回“復位”位置，關閉電源；計算機將自動進入結果顯示窗體，（見圖六）顯示測試曲線、測試時間、開啟壓力、調整高度等參數；根據計算機提示的調整高度，調節(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果。反復執(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，此時計算機顯示“調節(jié)完畢”，表示測量結束。
圖五 主控窗口 圖六 測試曲線
6 誤差分析
根據選用MSC—5101采樣器、傳感器的精度以及放大器設計精度，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：
其中：f——物理量（力、壓力）
V1V2——中間電量
N——數字量（力、壓力）
K1、K2、K3——各級轉換系數
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：
根據開啟壓力計算公式：
其中：P——開啟壓力
PL——系統(tǒng)內壓
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)內壓有關，而且與密封面積有關， 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 軟件設計、功能及特點
測試系統(tǒng)采用了功能較強的筆記本計算機作為數據處理器，經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的軟件系統(tǒng)。
其主要功能和特點：
7.1預置工作參數和儀器檢測狀態(tài)，整個預置過程均為漢字人機對話形式，快捷、便利，并且可根據被測閥門的工況條件事先計算出系統(tǒng)應提供的液壓提升力，保證被測閥安全。
7.2數據采集和數字濾波功能，數據采集軟件可讓用戶根據不同閥門、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據處理及結果打印，根據被測閥的工藝參數和工況條件，自動選擇對應的計算方法計算出開啟壓力、回座壓力、開啟高度等測量結果，并且可自動進行多種修正。如：對內壓變化的修正、對低壓狀態(tài)的修正、對微起閥的修正。根據開啟高度和內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果。
7.5閥門整定壓力的調整方法提示軟件，可以提示用戶先進行單位增量調整，然后根據測量值的變化量經邏輯判斷和線性處理，以漢字形式指示用戶定量調整定壓螺母，調整后經再次測量，二級近似和處理后指示精確調整值，直至滿足整定壓力值為止。
8 應用情況:
NSH安全閥在線定壓儀自九六年進入電力系統(tǒng)以來，先后在鐵嶺發(fā)電廠、秦皇島熱電廠、揚州第二發(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、日本岡野生產的全量型安全閥等國內外閥門廠家。經實踐證明，此儀器在設計原理、儀器結構、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。
圖八 全量型安全閥 圖九 蝶形彈簧安全閥
9 結論
NSH安全閥在線定壓儀在設計原理﹑測量精度﹑自動化程度以及操作方法等方面在國內外安全閥校驗工作方面處于世界領先水平，特別是其儀器采用計算機系統(tǒng)和漢字化的測試軟件更為國內外同類儀器的首創(chuàng)。使用NSH安全閥在線定壓儀校驗彈簧安全閥，達到了國內外彈簧安全閥校驗的先進水平，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，降低了勞動強度，提高了生產效率，節(jié)約了蒸汽能源，降低了噪音污染，為機組安全穩(wěn)定經濟地運行提供了可靠的保證。
作者簡介：
張傳虎 任電力行業(yè)電站閥門標準化技術委員會委員、中國電機工程學會火電分會委員、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的研究工作，負責編寫《電站安全閥技術條件》電力行業(yè)標準。曾在以下雜志和網站等發(fā)表論文推廣NSH安全閥在線定壓儀校驗技術：
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》；
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研究及應用》