王保平　賴建永　沈云?！∮嘈?quán)　王帥

【摘 要】我國正在自主研發(fā)和設(shè)計的三代壓水堆核電站，穩(wěn)壓器安全閥作為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)超壓保護裝置在各工況下保證系統(tǒng)壓力不超過設(shè)計壓力。該穩(wěn)壓器安全閥具有設(shè)計參數(shù)、鑒定要求和可靠性要求高的特點。本文針對先導(dǎo)式穩(wěn)壓器安全閥進行調(diào)研，對國外具有大量供貨業(yè)績的先導(dǎo)式安全閥的工作原理和性能參數(shù)進行了描述，為該項目穩(wěn)壓器安全閥最終選型提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】壓水堆核電廠；反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)；超壓保護；穩(wěn)壓器安全閥

【Abstract】The third generation PWR is self-developed and self-designed in our country. The pressurizer safety valve as overpressure protection device of reactor coolant system ensure the pressure in the system would not exceed design pressure. The design parameters and reliability of the valves are strict. This article gives a brief description on the working principle and performance of the pilot-operated safety valve overseas， and provide a foundation for the determination of the pressurizer safety valve.

【Key words】PWR nuclear Power Plant； Reactor Coolant System； Overpressure Protection； Pressurizer safety valve

0 引言

華龍一號機組反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)設(shè)置了穩(wěn)壓器安全閥執(zhí)行一回路卸壓、超壓保護、低溫超壓保護和Feed&Bleed功能。由于國內(nèi)三代核電機組是全新設(shè)計，事故分析要求該閥門需具有較快啟閉時間、較高的整定值精度以及較高的可靠性。另外，三代核電機組要求地面基準(zhǔn)加速度為0.3g，穩(wěn)壓器安全閥需要滿足6g的抗震要求，而目前國內(nèi)外穩(wěn)壓器安全閥供貨商均不能提供滿足該要求的設(shè)備。因此需要對該項目穩(wěn)壓器安全閥進行重新設(shè)計選型和鑒定。

本文針對穩(wěn)壓器安全閥進行了調(diào)研和研究。

1 設(shè)計要求

1.1 功能要求

穩(wěn)壓器安全閥采用的是先導(dǎo)式控制閥。穩(wěn)壓器安全閥有兩種工作模式——“正常保護模式”和“低溫超壓保護模式”，分別用于電廠正常工況以及電廠升降溫工況，由操作員在控制室或者遠程停堆站根據(jù)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)溫度報警信號手動切換。處于正常保護模式時，安全閥受先導(dǎo)箱液壓系統(tǒng)控制，在壓力超過開啟壓力設(shè)定值時自動起跳開啟，進行蒸汽排放；當(dāng)壓力下降到關(guān)閉壓力時，自動回座關(guān)閉。處于低溫超壓保護模式時，當(dāng)發(fā)生壓力瞬態(tài)事件，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力高于設(shè)定值時則儀控系統(tǒng)對電磁線圈通電以強制開啟安全閥，卸壓后電磁閥斷電以關(guān)閉閥門。在正常保護模式下，該控制邏輯被閉鎖。

1.2 可靠性要求

作為我國自主設(shè)計并定位于三代的華龍一號，操作員不干預(yù)時間是核電廠對抗事故能力的體現(xiàn)指標(biāo)之一，目前世界上核電廠操作員事故后不干預(yù)時間一般為10到30分鐘，隨著世界各國對核電廠安全性要求的提高，尤其是第三代核電技術(shù)的發(fā)展，將事故后操作員不干預(yù)時間延長到30分鐘是非常必要的，為實現(xiàn)該目標(biāo)，需將穩(wěn)壓器安全閥誤開啟事故劃分為三類事故，其發(fā)生誤開啟事故的概率應(yīng)小于IV類事故發(fā)生的概率，因此，要求該項目穩(wěn)壓器安全閥具有較高的可靠性。

2 閥門選型

目前，國外具有大量供貨業(yè)績的先導(dǎo)式穩(wěn)壓器安全閥供貨商主要有Sebim和Sempell，且在國內(nèi)已建和在建核電站均有類似產(chǎn)品的供貨業(yè)績。該文主要針對這兩個供貨商的產(chǎn)品進行了調(diào)研和研究。

2.1 Sebim “Cold Solution”先導(dǎo)式穩(wěn)壓器安全閥

國內(nèi)M310機組全部采用SEBIM“Cold Solution”穩(wěn)壓器安全閥。每一個安全閥組由串聯(lián)安裝的兩臺先導(dǎo)式安全閥組成：一臺提供卸壓功能的上游閥門，稱為“保護閥”；一臺提供隔離功能的下游閥門，稱為“隔離閥”。保護閥和隔離閥幾乎一樣并且尺寸相同，每一閥門均帶有各自的先導(dǎo)箱。

在機組正常運行期間，保護閥關(guān)閉，隔離閥開啟。如果保護閥在開啟之后回座時失效，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力下降過度，則隔離閥關(guān)閉，防止反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)進一步卸壓。

閥門的先導(dǎo)部分起壓力傳感和控制的作用。每一個先導(dǎo)箱均包括一個壓力探測器，壓力探測器由受穩(wěn)壓器壓力作用的活塞構(gòu)成?；钊陨碛謫右桓梢粋€調(diào)節(jié)彈簧定位的傳動桿，傳動桿上裝有一個凸輪，用來開啟兩個先導(dǎo)閥盤R1和R2。先導(dǎo)閥（R1和R2）的組合動作可以通過控制管線使閥頭上部實現(xiàn)增壓和卸壓，這樣可以驅(qū)動主閥的關(guān)閉和開啟。調(diào)節(jié)彈簧用來設(shè)定閥門的整定值。

當(dāng)穩(wěn)壓器壓力低于先導(dǎo)箱的整定壓力時，先導(dǎo)閥的傳動桿在上面位置，先導(dǎo)閥盤R1開啟及主閥活塞上部跟穩(wěn)壓器連通，由于主活塞的表面積比閥瓣大，因此安全閥關(guān)閉。

當(dāng)穩(wěn)壓器壓力升高時，它作用在先導(dǎo)箱活塞上，并且使先導(dǎo)傳動桿向下，先導(dǎo)閥盤R1關(guān)閉，但由于R2也關(guān)閉，此時，安全閥仍保持關(guān)閉。

當(dāng)穩(wěn)壓器壓力達到先導(dǎo)閥整定壓力時，先導(dǎo)傳動桿仍進一步向下，先導(dǎo)閥盤R2開啟，主閥活塞上部容納的流體排出，作用在主閥閥瓣上的穩(wěn)壓器壓力使安全閥開啟。

當(dāng)穩(wěn)壓器壓力降低時，先導(dǎo)傳動桿上升，首先關(guān)閉R2，開啟R1，然后使主閥活塞上部與穩(wěn)壓器接通，于是安全閥關(guān)閉。

安全閥在低于其整定壓力下，通過使電磁線圈通電，可以“強制開啟”。

如果R1處于開啟位置（即壓力低于R1的整定壓力），通過使電磁線圈斷電，在主閥活塞上可以重新建立壓力并關(guān)閉安全閥，相反，如果R1維持關(guān)閉（壓力高于R1的整定壓力），則不能重新建立壓力，而且安全閥維持開啟狀態(tài)。

2.2 Sebim hot solution串閥（Tandem）

熱態(tài)串閥包括保護閥和隔離閥，閥體為一體式鍛造。保護閥和隔離閥分別帶有一個先導(dǎo)閥控制主閥的啟閉，先導(dǎo)閥與冷態(tài)串閥中的先導(dǎo)閥（Cabinet）不同，熱態(tài)串閥的先導(dǎo)閥（DCM）采用“no-flow”的設(shè)計，且先導(dǎo)閥直接連接在主閥上，相對于冷態(tài)串閥取消了主閥與先導(dǎo)閥之間的連接管線和冷凝罐。

采用串閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是考慮若保護閥關(guān)閉失效，則可通過隔離閥自動關(guān)閉以防止一回路系統(tǒng)的過度降壓。與冷態(tài)串閥一樣，Sebim熱態(tài)串閥（保護閥和隔離閥）分別配有一個強制開啟電磁閥，在事故工況下，可通過給電磁閥供電強制開啟安全閥，以達到排放的目的。一回路在低溫運行時，也可以通過為電磁閥供電強制安全閥，實現(xiàn)低溫超壓保護功能。

該熱態(tài)串閥可適用于蒸汽、水和汽水混合物介質(zhì)，熱態(tài)串閥的工作原理圖如圖2所示。

閥門的先導(dǎo)部分起壓力傳感和控制的作用。每臺先導(dǎo)閥由上部先導(dǎo)球形閥瓣和下部先導(dǎo)閥瓣的動作來控制安全閥閥頭的充壓和排放，從而實現(xiàn)對穩(wěn)壓器安全閥的開啟和排放進行控制。

正常運行期間，系統(tǒng)的壓力低于先導(dǎo)閥的整定壓力，先導(dǎo)球形閥瓣與針形閥接觸，下部閥瓣處于開啟的位置，閥頭與穩(wěn)壓器通過脈沖管連通，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。

當(dāng)穩(wěn)壓器壓力達到先導(dǎo)閥整定壓力時，上部球形閥瓣與針形閥脫開并回座，下部先導(dǎo)閥瓣回座且與下部活塞脫開，閥頭卸壓閥門開始開啟。

當(dāng)穩(wěn)壓器壓力降低時，上部針形閥與球形閥瓣接觸，排放通道關(guān)閉，下部先導(dǎo)閥組件開啟，閥頭充壓，安全閥關(guān)閉。

安全閥在低于其整定壓力下，通過使電磁線圈通電，可以“強制開啟”。

2.3 Sempell先導(dǎo)式安全閥（VS99+Sierion）

Sempell先導(dǎo)式穩(wěn)壓器安全閥（VS99+Sierion）主要由主閥VS99、兩套先導(dǎo)閥（Sierion）、電磁閥（PDE）組成。該閥門的主閥可由一套或兩套先導(dǎo)閥驅(qū)動，提供自動超壓保護功能，兩套先導(dǎo)閥是冗余設(shè)計，在正常運行過程中一套先導(dǎo)閥工作，另一套先導(dǎo)閥作為備用。主閥可以由獨立的電磁閥（PDE）強制開啟執(zhí)行釋放功能，主閥和先導(dǎo)閥以及電磁閥之間的控制管線設(shè)置了截止閥，便于閥門的調(diào)試和檢修。

該主閥的介質(zhì)壓力作用在閥瓣周圍，其密封力取決于閥瓣面積的大小，而非活塞與閥瓣的面積差。當(dāng)工作壓力增大，閥座密封力也會隨之增加，即無限載荷式密封形式。閥門在關(guān)閉狀態(tài)下，由于活塞上存在小孔泄漏，活塞上下端面均受到相同的系統(tǒng)壓力，主閥不需要使用波紋管。

該先導(dǎo)閥通過螺紋直接連接到主閥上，先導(dǎo)閥主要部件有一個止回閥、一個轉(zhuǎn)換部件、一個釋放閥瓣和一個再填充閥瓣等，另外先導(dǎo)閥中還包含有四個波紋管。該先導(dǎo)閥為“non-floating”式設(shè)計，閥門的壓力整定值由先導(dǎo)閥中的蝶形彈簧設(shè)定。該先導(dǎo)閥的原理圖圖如圖3所示。

2.4 Sempell先導(dǎo)式安全閥（VS99+VS66）

Sempell先導(dǎo)式穩(wěn)壓器安全閥（VS99+VS66）主要由主閥VS99、兩套先導(dǎo)閥（VS66）、電磁閥（PDE）組成。該閥門與EPR項目穩(wěn)壓器安全閥的主要區(qū)別是先導(dǎo)閥不同。在非超壓工況下，該先導(dǎo)閥將主閥上腔和低壓側(cè)隔離，而脈沖管高壓側(cè)介質(zhì)和低壓側(cè)隔離；在超壓工況下，先將脈沖管高壓介質(zhì)和低壓側(cè)連通，然后活塞上腔也和低壓側(cè)直接連通。所以當(dāng)先導(dǎo)閥開啟時，主閥才開啟；當(dāng)先導(dǎo)閥關(guān)閉時，主閥也關(guān)閉，其特點可以概括為要關(guān)全關(guān)，要開全開，為典型的有流動式先導(dǎo)閥設(shè)計。在形式上，該先導(dǎo)閥由一個彈簧直接加載式脈沖閥和一個止回閥兩部分組成。如果工作壓力超過由彈簧設(shè)定的整定壓力時，脈沖閥開啟，蒸汽則流過先導(dǎo)閥體的排氣通道，推動止回閥側(cè)擋板并使之提升，與擋板連接在一起的止回閥閥瓣升起，于是控制管線開啟，與低壓側(cè)連通。壓力介質(zhì)從主閥活塞上腔流出，活塞上腔壓力下降，則在活塞的上下端面產(chǎn)生壓力差，產(chǎn)生向上開啟的驅(qū)動力而使主閥開啟。主閥開啟的同時，脈沖閥保持在開啟的狀態(tài)。

該先導(dǎo)閥還可以設(shè)置成帶輔助驅(qū)動裝置的先導(dǎo)閥，即設(shè)置電磁附加載荷裝置，目的是在正常的工況下增加對系統(tǒng)的密封性能。為此先導(dǎo)閥在設(shè)計中必須要保證當(dāng)系統(tǒng)壓力到達整定壓力后能自動去除該附加電磁載荷。該附加載荷的施加或卸除由壓力開關(guān)控制。

該先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

3 閥門性能

經(jīng)調(diào)研各安全閥的優(yōu)缺點、啟閉時間、整定值精度以及可靠性數(shù)據(jù)見表1。

4 總結(jié)

根據(jù)上述調(diào)研結(jié)果并結(jié)合華龍一號穩(wěn)壓器安全閥的設(shè)計要求，Sebim先導(dǎo)式穩(wěn)壓器安全閥的整定值精度和可靠性均滿足該項目的要求，其熱態(tài)串閥的啟閉時間較冷態(tài)串閥快，滿足事故分析要求。Sempell先導(dǎo)式安全閥啟閉時間較Sebim熱態(tài)串閥慢，整定值精度較低，且無可靠性數(shù)據(jù)。但上述閥門均需補充6g的抗震鑒定試驗。通過該調(diào)研，了解了各供貨商先導(dǎo)式穩(wěn)壓器安全閥的工作原理和性能參數(shù)等，為華龍一號機組穩(wěn)壓器安全閥設(shè)備選型提供了一定的參考。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]