摘要：电磁阀既可以用于水、空气和中性气体及其他与电磁阀材质相适应的气体、液体的开关控制，又可用作安全和保护连锁系统控制。文章对电磁阀的原理进行介绍，结合三门一号机组旁排控制系统的特点，分析电磁阀的选择和应用技巧。综合考虑各种因素，给出了旁排系统电磁阀的维护方案。
关键词：三门一号机组；电磁阀；应用维护。
中图分类号：TH134 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）08-0044-03
1 电磁阀工作原理
随着集成化控制系统的不断发展，电磁阀在工业中的运用也越来越广泛和灵活，尤其是在核电厂。它既可以用于水、空气和中性气体及其它与电磁阀材质相适应的气体、液体的开关控制，又可用作安全和保护连锁系统控制。
电磁阀一般由电磁头和阀体两部分组成。电磁头由静铁芯、动铁芯、线圈等部件组成，阀体部分由阀座、弹簧、阀芯等组成。电磁头线圈得电激励时，静铁芯产生磁力，吸附动铁芯和阀体中的阀芯动作，工艺管道导通或者截止；线圈失电时，静铁芯磁力消失，动铁芯与阀芯受到弹簧弹力作用，恢复得电前的初始状态，工艺管道截止或者导通。
按照通道数，可将电磁阀分为2通、3通、4通电磁阀；按照开关状态可以分为常闭、常开和通用型；按照工作方式可以分为直动式、先导式。
2 旁排系统与电磁阀
2.1 旁排系统
压水堆核电站中，反应堆对负荷的适应性跟不上汽轮机对负荷的适应性。当电网需要核电厂大幅度降负荷时，汽轮机能够很快地关小调节阀，降低汽轮机输出功率，但是反应堆不能大幅度快速地降功率，只能缓慢地以5～10%速度逐步降功率。这样在反应堆和汽轮机之间就产生一个功率差，反应堆输出蒸汽量大于汽轮机所需蒸汽量。汽轮机旁路排放系统（旁排系统）能提供一个人工负荷，平衡反应堆和汽轮机之间的功率差，将多余蒸汽量排向凝汽器，保证反应堆安全运行。
旁排系统除了上述功能外，在汽轮机启动前承担主蒸汽管道的暖管和升温的控制，并协助汽轮机冲转、升速直至带上0～15%负荷。在反应堆正常停堆或紧急停堆时导出反应堆余热，直至—回路设备余热排除系统投入运行为止。该系统是非安全相关的系统，避免主蒸汽压力释放阀、主蒸汽管线安全阀、稳压器安全阀等安全相关的设备的先行动作。
2.2 电磁阀选用与功能定位
旁排系统要实现上述复杂的功能，相应的控制逻辑也较复杂，既需要安全保护相关的闭锁、又必须有控制级连锁，还必须具备快速开启旁排阀的功能以适应汽轮机快速甩负荷。
三门一号机组每台旁排阀都需要接受两路保护和监测系统的冗余保护信号，以及电厂控制系统的连锁信号，还得具备快速开启的功能。因此每台旁排阀需要配4个电磁阀。普通两位两通电磁阀只能实现工艺管道介质的通断两位控制，实现连锁需采用两位三通或者两位五通电磁阀。三门一号机采用Konan Electric的两位三通直动通用型电磁阀，其简图与真值表见下图1。
图1 三门一号机旁排系统电磁阀简图与真值表
每台旁排阀的4个相同的电磁阀，它们之间的连接如图2-2所示。图中所有电磁阀均为失电状态，它们串联于旁排阀的供气管线上，用于旁排阀的保护和控制逻辑以及驱动旁排阀适时快开与快关。上游连接智能阀门定位器控制旁排阀调节开启。4个电磁阀的功能定位
如下：
lC电磁阀：在旁排阀需要调节开启时，C电磁阀保持失电状态，允许气源通过定位器来控制旁排阀；在旁排阀需要快速开启时，C电磁阀得电动作，旁路掉定位器，使气源越过定位器直接连通到旁排阀气腔，实现旁排阀快速开启。C电磁阀由电厂控制系统（PLS）控制。
lD电磁阀：在没有排放需求时，处于失电状态，闭锁旁排阀，旁排阀由于弹簧作用处于关闭；在有排放需求时得电，使得气源进入旁排阀气腔通过膈膜推动旁排阀。在凝汽器不可用（C9信号）出现时，失电，闭锁旁排阀使之不能开启。
图2 旁排阀及其附属电磁阀简图
lA和B电磁阀：机组正常运行情况下，处于得电状态，压缩空气可以进入到旁排阀气腔，允许旁排阀动作；当出现一回路冷却剂平均温度低低信号或者主蒸汽管线隔离信号时，A、B电磁阀同时失电，使旁排阀驱动器气腔内的压缩空气通过电磁阀排气孔排出，由弹簧的作用力驱使旁排阀失气关闭。6个旁排阀都被自动闭锁后，操作员可以手动解除其中两个，用于持续冷却反应堆，导出反应堆余热。这两个旁排阀又称冷却阀。A、B电磁阀分别由保护和监测系统（PMS）中的B和D序列控制。
3 电磁阀应用技巧
3.1 设备安装
当电磁阀工作在允许压力范围内靠近低限值附近时，需要充分考虑动作部件的润滑、排水布置以及仪用空气量是否充足。在供气压侧，可以考虑用直径较大的供气管道，条件允许可以安装一个储气罐，以减少因为仪用空气压力偏低对设备运行造成不利的影响。
宜采用滤芯微孔标称直径5μm或更低的过滤减压阀。水汽或油渍过多、劣质的仪用空气易损坏电磁阀的精密部件，降低设备使用寿命。管道在安装后需要用干净的压缩空气充分冲洗。残渣、焊丝等随流体进入电磁阀将严重影响阀门性能和寿命。
将电磁阀安装到管道上之前，严禁取走接孔上的堵头。每连接一根管道就取走一个堵头，不允许多个堵头一次性取下。在多尘运输、仓储和恶劣的施工现场环境下，该堵头能有效防止灰尘和污染物进入电磁阀内，影响和损坏阀内精密部件。
连接管道攻丝宜5圈以内，过多的攻丝可能胀裂电磁阀体，导致阀门泄漏。密封胶带不能包得过长，以免进入管道继而最终进入电磁阀内。
3.2 线缆选择与接线
三门一号机组采用的电磁阀额定工作电压为220V交流，功率17W，允许电压波动范围：[-15%+10%]，即最小电压187V，最高耐压242V。交流配电盘柜到就地电磁阀的电缆敷设长度约120m到145m。采用型号为C-6X4C-4M的低压阻燃电缆，耐压等级600V/1000V，单芯截面积4mm2，经查国标，4mm²的铜线电缆的线阻为4.61～4.7Ω/km。
由此得出电磁阀的工作电流：
I=P/V=17/220=0.08（A） （1）
式中：
I——电磁阀工作电流，A
P——电磁阀额定功率，W
V——电磁阀工作电压，V
电缆上产生的最大电压降为：
ΔV=IR=0.08×0.145×2×4.7=0.109V （2）
式中：
R——电缆的电阻，Ω
电压在电缆上的传递效率：
η=1-ΔV/V=1-0.109/220=99.95% （3）
由（3）可见，电压在电缆上的传递效率接近于满效率，选择的电缆完全满足电磁阀的运行要求。选用交流电220V，相比于直流电磁阀来说，供电电压较高，传输电缆造成的电压降基本不影响电磁阀正常工作，可以实现更远距离传输。
4 维护方案
合理地维护电磁阀，确保电磁阀时刻保持在设计范围内的良好性能状态，不仅能减少电磁阀在运行中的故障率，还可以延长电磁阀寿命。保障电厂发电量的同时降低运行维护成本，实现经济收益最大化。
4.1 技术检查
运行和维修人员通过简单的巡视检查来评估电磁阀的大致状况，以证实该设备是完好的。该检查方法简单易行，不需要借助工器具，不需要对电磁阀进行拆卸，可融合到日常的巡检工作中。主要检查旁排电磁阀有无漏气、连接有无松动、上游过滤减压阀存水器中废液装量是否过高等。
4.2 定期动作
图2中的A、B、C电磁阀，长时间处于单一状态不动作，增大了密封件与阀座发生粘滞的概率。压缩空气不净，高温环境，常年带电的电磁阀（A和B电磁阀）相对来说更容易发生粘滞。有必要定期将电磁阀动作一次，确认其可运行性。该方法只能确认电磁阀是否可以动作，不能发现电磁阀潜在的隐形故障。
如果运行经验表明某电磁阀往年没有运行故障或粘滞现象发生，可适当延长定期动作周期；如果电磁阀已经粘滞，且粘滞根本原因未被查明，可以适当缩短定期动作周期。
旁排阀上的电磁阀不属于核安全相关的关键设备，且运行条件良好。对于D电磁阀，在机组正常运行情况下，本身动作频率较高，不需要进行该项试验。对于A、B、C电磁阀，综合厂家推荐的维护策略，可考虑每半年执行一次定期动作试验。
4.3 线圈测试
最常用的线圈测试是对线圈进行绝缘测试，即进行绝缘电阻测试。绝缘电阻测试通常也是能最快判定电磁阀线圈大致状态的手段之一，在故障排除和纠正性维修中经常使用。
传统电磁阀维修中，采用额定工作电压测试电磁阀是否能正确开闭运行。实际上，电磁阀动作有一个电压范围，并不是电压到达了额定电压电磁阀才会动作。由于该动作电压的裕量存在，如4.2节所述，采用额定电压对本身具有潜在问题的电磁阀进行测试，电磁阀依然能够表现出正常动作。在条件允许的情况下，应当采用更精确的测试方法来判定电磁阀是否存在降级，是否能够运行良好。传统采用额定电压测试，然后移除所有电压看电磁阀是否恢复的方法，不能较全面的发现电磁阀潜在的性能降级。
电磁阀存在动作电压和恢复电压两个参数：
（1）l动作电压是指能使电磁阀从失电状态励磁到得电状态所需的最小电压，依据电磁阀的不同设计，该动作电压一般为额定工作电压的50%～75%。
（2）l恢复电压也相类似，是指随着励磁电压逐渐降低，弹簧力刚好使电磁阀恢复初始位置时对应的最高电压。
如果某电磁阀经过测试，动作电压高达90%额定电压才可以动作，则说明阀门性能差，阀内件、线圈或电磁回路存在问题。同样，电磁阀在低于恢复电压的情况下才能恢复初始状态，则说明阀杆动作阻力大、可能发生粘滞或卡涩。
该项测试技术可以运用在三门一号机组旁排阀电磁阀的维护中，以既定的周期对电磁阀动作电压进行测试和记录，随着时间的增长，该电压值将越来越高，当高过一定值，可以考虑对电磁阀进行解体清污检、修润滑或者整体更换电磁阀。采用这种测试，一方面能让电磁阀的性能充分发挥避免资源浪费，另一方面又能防止因为电磁阀老化故障降级而影响旁排系统的正常运行。
4.4 定期更换
电磁阀累计运行到一定年限，会出现寿期末的各种老化故障，此时需要整体更换。三门一号机组。鉴于旁排阀电磁阀的工作环境良好以及频度不是太大，可考虑每隔10年对24个电磁阀进行整体更换。
5 结语
本文对电磁阀的原理和应用进行介绍，结合三门一号机组旁排系统的实际情况，阐述了电磁阀的选择和使用技巧。并分析电磁阀在旁排控制系统中的重要性以及失效机理，提出了维护、定期试验的方法和建议周期。按照该维护方案执行，不仅能保证旁排阀电磁阀可靠运行，还能节约成本提高电厂经济性。
参考文献
[1] 顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子
能出版社，2010.
[2] 周超群.电磁阀的原理及其在工程设计中的应用探
讨[J].石油化工自动化，2006.
[3] 杨叔子，杨克冲，等.机械工程控制基础（第五
版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.
[4] 范逸致，王学华.核电站汽轮机旁路排放系统全排
凝汽器优化设计[M].深圳：中广核工程有限公
司，2011.
[5] 马训鸣，等.喷气织机电磁阀原理剖析及故障诊
断.西安工程大学.2009.
[6 ]INPO AP-913. Rev.1，“Equipment Reliability
Process Description”.
作者简介：谢东（1986—），男，浙江宁波人，三门核电有限公司助理工程师，研究方向：AP1000核电站系统健康监督与设备可靠性管理。