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燃氣安全閥耐用性自動測試系統(tǒng)的開發(fā)

文檔作者：李玉春張乃方文檔來源： 1．深圳市燃氣集團股份有限公司 2．中國市政工程華北設計研究總院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月12日
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第33卷 第7期
2013年7月
煤氣與熱力
GAS＆ HEAT
VO1．33 Nll_7
Ju1．2O13
燃氣安全閥耐用性自動測試系統(tǒng)的開發(fā)
李玉春 ， 張乃方
(1．深圳市燃氣集團股份有限公司，廣東深圳518000；2．中國市政工程
華北設計研究總院，天津300074)
摘要： 論述燃氣安全閥耐用性自動測試系統(tǒng)超壓自動切斷、欠壓自動切斷和超流量自動切
斷耐用性試驗的實現(xiàn)方法，介紹測試系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計，分析了測試系統(tǒng)的優(yōu)點。
關鍵詞： 燃氣安全閥； 耐用性試驗； 自動測試系統(tǒng)
中圖分類號：TU996 文獻標識碼：B 文章編號：1000—4416(2013)07—0B16—05
作者簡介：李玉春(1973一 )，男，湖南衡東人，工程師，
大學，從事城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)的安全技術管理
工作。
1 概述
隨著人們對燃氣安全重視程度的日益提高，燃
氣安全閥不斷發(fā)展，燃氣安全閥的功能日益增多，尤
其是確保燃氣安全方面的性能，如超壓自動切斷功
能、欠壓自動切斷功能、超流量自動切斷功能等。
為確保燃氣安全閥的質量，需要在燃氣安全閥
產(chǎn)品的研發(fā)和檢驗階段開展大量的相關試驗。其中
耐用性試驗一方面能夠檢驗燃氣安全閥性能的優(yōu)
劣，另一方面可以反映燃氣安全閥的使用壽命，是檢
驗燃氣安全閥性能的重要試驗之一。對于燃氣安全
閥的耐用性試驗，試驗條件與普通燃氣閥門的耐用
性試驗相比，更加繁瑣和復雜，且涉及到復位要求，
依靠傳統(tǒng)的耐用試驗機無法完成相關的測試；若依
靠人工完成燃氣安全閥的耐用性試驗(相關的產(chǎn)品
標準規(guī)定，閥門的耐用性試驗次數(shù)為幾千次、幾萬
次，甚至是幾十萬次)，則需要反復地進行試驗條件
的變換和手動復位，試驗過程面臨工作效率低下、試
驗條件的控制不夠精確等難點。對于要求進行幾十
萬次耐用性試驗的燃氣安全閥，手動耐用性試驗更
是無法實現(xiàn)的。
為了高效率、高精度地完成燃氣安全閥的耐用
性試驗，國家燃氣用具質量監(jiān)督檢驗中心自主研發(fā)
了燃氣安全閥的耐用性自動測試系統(tǒng)。
2 燃氣安全閥的工作原理
不同的燃氣安全閥的功能和結構各異，其工作
原理各不相同。本文以某一型號具備超壓切斷功能
的燃氣安全閥¨ 為例，簡要介紹該型號燃氣安全閥
的工作原理，其各種狀態(tài)見圖1～3。
1．復位鈕2．閥桿3．磁鐵4．上鎖氣片5．下鎖氣片
6．橡膠膜片7．主閥瓣8．副閥瓣9．閥口
圖1 燃氣安全閥未通氣狀態(tài)
如圖1所示，此型號燃氣安全閥在未通氣狀態(tài)
下，閥瓣在重力作用下下落，磁鐵3吸附上鎖氣片
· B 16 ·
李玉春，等：燃氣安全閥耐用性自動測試系-~Lgq開發(fā) 第33卷第7期
4，主閥瓣7關閉閥口9，燃氣安全閥處于切斷狀態(tài)。
當燃氣安全閥通氣后，若不上提復位鈕進行手動復
位，燃氣安全閥進口壓力無法克服磁鐵3吸附上鎖
氣片4的磁力作用，燃氣安全閥將一直處于如圖1
所示的切斷狀態(tài)。
圖2 燃氣安全閥正常工作狀態(tài)
如圖2(圖注同圖1)所示，當燃氣安全閥的進
口壓力處于閥門的正常工作壓力范圍內(nèi)時，上提復
位鈕1，在燃氣安全閥進口燃氣壓力和磁場力的共
同作用下，由閥桿2、上鎖氣片4、橡膠膜片6、主閥
瓣7和副閥瓣8組成的組件處于懸浮的平衡狀態(tài)，
閥口9開啟，燃氣安全閥處于正常的工作狀態(tài)。值
得注意的是，只有當燃氣安全閥的進口壓力處于閥
門的正常工作壓力范圍內(nèi)時，才能夠通過提拉復位
鈕進行手動復位，若燃氣安全閥的進口壓力低于正
常工作壓力范圍的下限時，則手動復位后組件無法
處于懸浮平衡狀態(tài)，磁鐵3吸附上鎖氣片4，閥口9
關閉，燃氣安全閥無法正常工作。
圖3 燃氣安全閥超壓切斷狀態(tài)
如圖3(圖注同圖1)所示，當燃氣安全閥的進
口壓力超過正常工作壓力范圍的上限時，組件的懸
浮平衡狀態(tài)將被破壞，閥桿2上移，磁鐵3吸附下鎖
氣片5，副閥瓣8關閉閥口9，燃氣安全閥實現(xiàn)超壓
切斷功能。當燃氣安全閥的進口壓力恢復至正常工
作壓力范圍內(nèi)時，需要手動下壓復位鈕1，使得組件
重新恢復懸浮的平衡狀態(tài)，閥口9開啟，燃氣安全閥
恢復如圖2所示的正常工作狀態(tài)。
3 測試系統(tǒng)的功能設計
燃氣安全閥耐用性自動測試系統(tǒng)可完成安全閥
的超壓自動切斷耐用性試驗、欠壓自動切斷耐用性
試驗、超流量自動切斷耐用性試驗。
燃氣安全閥耐用性自動測試系統(tǒng)的試驗原理見
圖4。
大氣
1、3、5、6、11．電磁閥2、4．調(diào)壓器7、9．壓力變送器
8．待測燃氣安全閻l0．手動球閥
圖4 測試系統(tǒng)的試驗原理
其中調(diào)壓器2的出口壓力設定為待測燃氣安全
閥的超壓自閉壓力(稍高于正常工作壓力上限值)，
調(diào)壓器4的出口壓力設定為待測燃氣安全閥的額定
工作壓力(處于閥門正常工作壓力范圍內(nèi))。
3．1 超壓自動切斷耐用性試驗功能
3．1．1 燃氣安全閥的超壓自動切斷功能
具備超壓自動切斷功能的燃氣安全閥，當安全
閥的人口壓力升高至超壓自閉壓力時，安全閥能夠
自動切斷；故障排除、閥門的進口壓力恢復至安全閥
的正常工作壓力范圍內(nèi)時，安全閥才能夠通過手動
復位重新開啟。
用戶在燃氣表前加裝具備超壓自動切斷功能的
燃氣安全閥，能夠有效地避免超壓燃氣事故的發(fā)
生 。
3．1．2 耐用性試驗功能的實現(xiàn)
如圖4所示，在進行燃氣安全閥的超壓自動切
斷耐用性試驗時，首先進行試驗工況的設定：開啟電
磁閥1，關閉電磁閥3和電磁閥6，開啟電磁閥5(待
測燃氣安全閥8的人口壓力為額定工作壓力)和電
磁閥11，手動調(diào)節(jié)手動球閥10的開度(將待測燃氣
安全閥8的流量調(diào)節(jié)為正常工作流量)，并手動復
位待測燃氣安全閥8，令待測燃氣安全閥8處于正
常工作狀態(tài)。開啟復位機構(復位機構由電機、凸
輪、安全閥固定裝置和位置傳感器組成)和變頻器，
通過PLC控制變頻器，進而控制復位機構中電機的
轉速，令凸輪的轉速滿足耐用性試驗頻率的要求。
· B l7 ·
第33卷 第7期 煤氣與熱力
試驗臺的初始設定狀態(tài)設定完畢后，即開始進
行安全閥的超壓自動切斷耐用性試驗：通過PLC發(fā)
出電信號，電磁閥5關閉，電磁閥3開啟(待測燃氣
安全閥8的入口壓力為規(guī)定的超壓自閉壓力)，待
測燃氣安全閥8自動切斷。待測燃氣安全閥8自動
切斷后，待測燃氣安全閥8的出口壓力降至0，當壓
力變送器9反饋至PLC的待測燃氣安全閥8的出
口壓力降為0時，PLC即可判定待測燃氣安全閥已
自動切斷。PLC發(fā)出電信號，電磁閥3關閉，電磁閥
5開啟。電動機帶動凸輪轉動，完成待測燃氣安全
閥8的復位。當與電機相連接的凸輪帶動閥桿到達
極限位置時，復位機構的位置傳感器向PLC發(fā)出電
信號，PLC即判定待測燃氣安全閥8復位完畢，延遲
2 S后發(fā)出超壓切換信號。至此完成一個耐用性試
驗的測試循環(huán)。
壓力變送器7的作用在于對超壓自動切斷耐用
性試驗過程進行監(jiān)控。在正常的工作狀態(tài)下，壓力
變送器7反饋的壓力應為待測燃氣安全閥8的額定
工作壓力和超壓自閉壓力的不斷切換，并與相應的
設定值一致。若出現(xiàn)壓力異常時，說明測試系統(tǒng)的
工作狀態(tài)出現(xiàn)異常，PLC發(fā)出異常報警信號并切斷
電磁閥1，停機檢修。
與復位機構相連接的變頻器能夠通過PLC進
行控制，調(diào)節(jié)復位機構中減速電機的轉速和轉動方
向，進而對耐用性試驗的試驗頻率進行控制。
3．2 欠壓自動切斷耐用性試驗功能
3．2．1 燃氣安全閥的欠壓自動切斷功能
具備欠壓自動切斷功能的燃氣安全閥，當安全
閥的人口壓力低于正常工作壓力范圍的下限時，安
全閥能夠自動切斷；故障排除、閥門的進口壓力恢復
至安全閥的正常工作壓力范圍時，安全閥才能夠通
過手動復位重新開啟。
若在下游用戶加裝具備欠壓自動切斷功能的燃
氣安全閥，當燃氣公司進行停氣檢修或發(fā)生突發(fā)性
的第三方施工挖斷燃氣管道的事故時，室內(nèi)燃氣管
道中的燃氣壓力將降低，當安全閥入口處的燃氣壓
力低于正常工作壓力范圍的下限時，安全閥即自動
切斷。安全閥需要手動進行復位，且安全閥的人口
壓力處于正常工作壓力范圍內(nèi)時才能夠手動復位成
功，因而加裝具備欠壓自動切斷的燃氣安全閥能夠
有效地避免事故的發(fā)生，進一步確保下游用戶的生
命財產(chǎn)安全 J。
3．2．2 耐用性試驗功能的實現(xiàn)
如圖4所示，在進行燃氣安全閥的欠壓自動切
斷耐用性試驗時，首先進行試驗工況的設定，設定方
法與3．1．2一致。
試驗臺的初始設定狀態(tài)設定完畢后，即開始進
行安全閥的欠壓自動切斷耐用性試驗：通過PLC發(fā)
出電信號，電磁閥6開啟，通過增加待測燃氣安全閥
8入口端試驗介質放散流量的方式將待測燃氣安全
閥8的人口壓力降至低于正常工作壓力范圍的下
限，待測燃氣安全閥8自動切斷。待測燃氣安全閥
8自動切斷后，待測燃氣安全閥8的出口壓力降至
0，當壓力變送器9反饋至PLC的待測燃氣安全閥8
的出口壓力降為0時，PLC即可判定待測燃氣安全
閥8已自動切斷。PLC發(fā)出電信號，電磁閥6關閉。
電動機帶動凸輪轉動，完成待測燃氣安全閥8的復
位。當與電機相連接的凸輪帶動閥桿到達極限位置
時，復位機構的位置傳感器向PLC發(fā)出電信號，PLC
即判定待測燃氣安全閥8復位完畢，延遲2 S后發(fā)
出欠壓切換信號。至此完成一個耐用性試驗的測試
循環(huán)。
3．3 超流量自動切斷耐用性試驗功能
3．3．1 燃氣安全閥的超流量自動切斷功能
具備超流量自動切斷功能的燃氣安全閥，當安
全閥的流量超過正常工作流量范圍的上限時，安全
閥能夠自動切斷；故障排除、通過閥門的流量恢復至
安全閥的正常工作流量時，安全閥才能夠通過手動
復位重新開啟。
用戶燃氣表后的旋塞閥開啟，且灶具連接軟管
脫落導致的燃氣泄漏事故是目前居民燃氣事故中最
常見的案例。。 。當灶具連接軟管脫落時，燃氣管道
與大氣相通，會導致燃氣管道內(nèi)的流量瞬間增大。
若燃氣管道上加裝具有超流量自動切斷功能的燃氣
安全閥，安全閥能夠在灶具連接軟管脫落的瞬間自
動切斷燃氣通路，有效地防止燃氣的進一步泄漏。
3．3．2 耐用性試驗功能的實現(xiàn)
如圖4所示，在進行燃氣安全閥的超流量自動
切斷耐用性試驗時，首先進行試驗工況的設定：開啟
電磁閥1，關閉電磁閥3、電磁閥6和電磁閥11，開啟
電磁閥5(待測燃氣安全閥8的入口壓力為額定工
作壓力)。手動調(diào)節(jié)手動球閥10的開度，令手動球
閥10處于全開狀態(tài)。開啟復位機構和變頻器，通過
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李玉春，等：燃氣安全閥耐用性自動測試系統(tǒng)的開發(fā) 第33卷第7期
PLC控制變頻器，進而控制復位機構中電機的轉速，
令凸輪的轉速滿足耐用性試驗頻率的要求。手動復
位待測燃氣安全閥8，令待測燃氣安全閥8處于開
啟狀態(tài)。
試驗臺的初始設定狀態(tài)設定完畢后，即開始進
行安全閥8的超流量自動切斷耐用性試驗：通過
PLC發(fā)出電信號，電磁閥11開啟，流經(jīng)待測燃氣安
全閥的流量超過正常工作流量的上限，待測燃氣安
全閥8自動切斷。待測燃氣安全閥8自動切斷后，
待測燃氣安全閥8的出口壓力降至0，當壓力變送
器9反饋至PLC的待測燃氣安全閥8的出口壓力
降為0時，PLC即可判定待測燃氣安全閥8已自動
切斷。PLC發(fā)出電信號，電磁閥11關閉。電動機帶
動凸輪轉動，完成待測燃氣安全閥8的復位。當與
電機相連接的凸輪帶動閥桿到達極限位置時，復位
機構的位置傳感器向PLC發(fā)出電信號，PLC即判定
待測燃氣安全閥8復位完畢，延遲2 S后發(fā)出信號，
電磁閥1 1開啟。至此完成一個耐用性試驗的測試
循環(huán)。
4 測試系統(tǒng)的設計
4．1 測試系統(tǒng)的硬件設計
本測試系統(tǒng)采用的氣源為0．8MPa的壓縮空
氣，通過調(diào)壓器降壓至待測燃氣安全閥的額定工作
壓力和超壓自閉壓力。所采用的調(diào)壓器是JYT一
0．6型調(diào)壓器，調(diào)壓器的進口壓力范圍為0．03～
1．56 MPa，將調(diào)壓器進行改裝，將其出口壓力分別
調(diào)至待測燃氣安全閥的額定工作壓力和超壓自閉壓
力。采用的電磁閥為VX2120—02—5G1一B型電磁
閥，通徑為DN 10 mm，驅動線圈電壓為24 V。采用
的手動球閥為DN 15 mm的黃銅材料球閥。采用的
壓力變送器為上潤AK系列壓力變送器，精度為0．4
級。
本測試系統(tǒng)采用的減速電機，額定功率為0．4
kW，減速齒輪箱的減速比為1：300?？刂齐姍C轉速
的變頻器為VFD—M型單相變頻器，工作頻率為0
～ 55 Hz。變頻器的實際工作頻率可通過手動調(diào)節(jié)，
也可以通過通信接口和輸入端口輸人進行調(diào)節(jié)。此
變頻器具有轉速可調(diào)、扭矩恒定的運行優(yōu)點，故而能
夠在比較寬泛的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)電機的穩(wěn)定運行，
提高了測試系統(tǒng)的適用范圍。本測試系統(tǒng)可定頻運
轉，也可通過程序控制變頻器的實際工作頻率進行
變頻調(diào)節(jié)。
本測試系統(tǒng)采用的可編程控制器(PLC)為西門
子SL7—200可編程控制器，內(nèi)部集成有國家燃氣用
具質量監(jiān)督檢驗中心自主開發(fā)的耐用性試驗自動測
試控制程序。
本測試系統(tǒng)設置了帶有觸摸屏的通用計算機，
用以完成耐用性試驗的參數(shù)設置、試驗狀態(tài)監(jiān)控、停
機檢修、試驗數(shù)據(jù)的存儲和輸出等工作，人機界面更
加友好。
4．2 測試系統(tǒng)的軟件設計
本測試系統(tǒng)采用STEP 7一MicroWlN編程軟件
作為編程工具，將燃氣安全閥的超壓自動切斷耐用
性試驗、欠壓自動切斷耐用性試驗和超流量自動切
斷耐用性試驗以模塊化的方法分別編寫控制程序，
并將每一個試驗模塊嵌入到PLC中。
超壓自動切斷耐用性自動測試程序框圖見圖
5，其中P 為圖4中壓力變送器7反饋至PLC的壓
力值，P：為圖4中壓力變送器9反饋至PLC的壓力
值。
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圖5 超壓自動切斷耐用性測試程序框圖

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