M310核電機(jī)組主蒸汽隔離閥結(jié)構(gòu)及動(dòng)作原理淺析

鐘 偉

中核核電運(yùn)行管理有限公司 浙江 嘉興 314050

主蒸汽隔離閥在壓水堆核電廠中具有非常重要的作用，它安裝在核電廠二回路主蒸汽管道上，是核電廠的重要關(guān)鍵敏感設(shè)備之一。它的主要功能是實(shí)現(xiàn)主蒸汽管線的隔離，即在出現(xiàn)二回路主蒸氣管道破裂事故的情況下限制蒸汽的排放，防止反應(yīng)堆過(guò)冷引入正反應(yīng)性，導(dǎo)致反應(yīng)堆重返臨界，將該事故對(duì)核安全的影響保持在設(shè)計(jì)限值之內(nèi)。以M310核電機(jī)組為例，共有三條主蒸汽管線，在每條主蒸汽管線引出至安全殼外的位置安裝一臺(tái)主蒸汽隔離閥。每臺(tái)主蒸汽隔離閥還設(shè)有一臺(tái)并聯(lián)的旁路閥，用于機(jī)組啟動(dòng)階段對(duì)主蒸汽隔離閥下游管線進(jìn)行暖管，并能平衡主蒸汽隔離閥前后壓差，保證閥門(mén)的正常開(kāi)啟。

1 主蒸汽隔離閥性能

1.1 主蒸汽隔離閥功能

1) 主蒸汽管道破裂后，該閥門(mén)必須能夠快速截?cái)嗳我环较虻恼羝鳌?/p>

2) 防止安全殼內(nèi)的主蒸汽管道破裂時(shí)安全殼超壓，并限制由于蒸汽管道破裂而導(dǎo)致一回路的過(guò)度冷卻。

3) 機(jī)組處于停機(jī)檢修階段，主蒸汽隔離閥還用來(lái)隔離主蒸汽管道下游設(shè)備，為下游設(shè)備創(chuàng)造合適的檢修條件。

按RCC的要求，被看作能動(dòng)部件的主蒸汽隔離閥必須在其整個(gè)使用壽命期內(nèi)能執(zhí)行其功能。這要求在所有的運(yùn)行工況下，它們必須在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)快速關(guān)閥信號(hào)產(chǎn)生后5s內(nèi)關(guān)閉。

1.2 主蒸汽隔離閥特性

主蒸汽隔離閥一般特性

安全等級(jí) 2級(jí)規(guī)范等級(jí) 2級(jí)抗震等級(jí) 1A

功能特性

設(shè)計(jì)壓力 8.6MPa絕壓設(shè)計(jì)溫度 316℃

運(yùn)行溫度 熱停堆 291.4℃滿(mǎn)負(fù)荷 283℃運(yùn)行壓力 熱停堆 7.6MPa絕壓滿(mǎn)負(fù)荷 6.71MPa絕壓額定流量 1936t/h額定流量下的壓降 0.025MPa閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下最大壓差 8.6MPa快關(guān)時(shí)間 ≤5s事故安全位置 關(guān)閉

1.3 設(shè)計(jì)要求

主蒸汽隔離閥按能在正常和事故工況(主蒸汽管線破裂)下運(yùn)行，并假設(shè)處于最苛刻的載荷狀態(tài)下進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。

在正常運(yùn)行工況下，應(yīng)考慮下列載荷：設(shè)計(jì)工況(壓力、溫度) ，管道反作用力，自重，瞬態(tài)值。

在擾動(dòng)工況下，必須考慮下列載荷：設(shè)計(jì)工況(壓力、溫度) ，地震載荷，管道反作用力，自重，瞬態(tài)值。

在緊急工況下，須考慮下列載荷：事故后工況(壓力、溫度)；地震載荷，管道反作用力，自重，瞬態(tài)值。

2 主蒸汽隔離閥的結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動(dòng)方式

2.1 結(jié)構(gòu)形式

主蒸汽隔離閥為雙閘板楔形閘閥，其特點(diǎn)是流體的流動(dòng)方向與閥板的動(dòng)作方向垂直，閥門(mén)動(dòng)作力矩比較?。痪哂锌煽康碾p向密封功能，且溫度變化不易發(fā)生閥門(mén)卡住的現(xiàn)象；閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中閥板和閥座的磨損較??；它屬于改進(jìn)型的閘閥，制造成本相對(duì)較低，用戶(hù)和制造廠容易接受。其缺點(diǎn)是閥門(mén)結(jié)構(gòu)尺寸(主要是高度) 較大，控制系統(tǒng)復(fù)雜，而且結(jié)構(gòu)零件較多，在粘性介質(zhì)中易粘結(jié)，影響密封，一般要求流體介質(zhì)要純凈[2]。楔形閘閥的垂直中心線與密封面成一定的角度，即兩個(gè)密封面成楔形。密封面的傾斜角度一般有10°，8°，5°，3°30′，2°52′等，密封面傾斜角度的大小取決于介質(zhì)溫度的高低。一般來(lái)說(shuō)，介質(zhì)溫度越高，設(shè)計(jì)的角度就會(huì)越大，以此來(lái)減小溫度變化時(shí)發(fā)生卡住的可能性。主蒸汽隔離閥密封面的傾斜角度為5°[1]。

楔式閘閥一般用在對(duì)閥門(mén)的外形尺寸沒(méi)有嚴(yán)格要求,而且使用條件又比較苛刻的場(chǎng)合。如高溫高壓的工作介質(zhì)，要求關(guān)閉件要保證長(zhǎng)期密封的情況下等。

圖1 主蒸汽隔離閥

2.2 驅(qū)動(dòng)方式

主蒸汽隔離閥的主要設(shè)備部件包括(以2號(hào)隔離閥為例) ：(1) 儲(chǔ)油箱：內(nèi)部存有液壓油，位于隔離閥的中部。接收液壓油缸的排油，同時(shí)為系統(tǒng)提供液壓油。(2) 氮?dú)夤蓿呵驙?，?nèi)部充有高壓氮?dú)猓挥诟綦x閥頂部，在主蒸汽隔離閥關(guān)閉時(shí)壓力約為10-11MPa，全開(kāi)時(shí)，氮?dú)鈮毫s為15MPa。(3) 液壓缸：位于隔離閥中下部，當(dāng)閥門(mén)接收到關(guān)閉信號(hào)時(shí)時(shí)，排油回路打開(kāi)，將液壓缸內(nèi)油排出；當(dāng)閥門(mén)接到開(kāi)啟信號(hào)時(shí)，氣動(dòng)油泵將液壓油泵入液壓缸，同時(shí)排油回路關(guān)閉，油缸內(nèi)向上的動(dòng)力克服氮?dú)庀蛳碌膲毫?，將閥門(mén)打開(kāi)。(4) 氣動(dòng)供油泵：當(dāng)壓縮空氣接通后，氣動(dòng)供油泵將油箱中的油壓入液壓缸。(5) 供氣電磁閥212EL：當(dāng)電磁閥得電時(shí)打開(kāi)供油泵的供氣，失電時(shí)關(guān)閉。(6) 快關(guān)分配閥電磁閥252/272EL： 快關(guān)分配閥252/272DR 上的電磁閥。(7) 快關(guān)分配閥252/272DR：快關(guān)分配電磁閥得電時(shí)對(duì)應(yīng)的分配閥打開(kāi)，失電時(shí)關(guān)閉。(8) 試驗(yàn)電磁閥262/282EL：試驗(yàn)分配閥262/282DR上的電磁閥。(9) 試驗(yàn)分配閥262/282DR：當(dāng)262/282EL 失電且有油壓的情況下，對(duì)應(yīng)的電磁閥全開(kāi)(快速排油) ，當(dāng)262/282EL 得電且有油壓時(shí)對(duì)應(yīng)的分配閥處于試驗(yàn)位置(慢速排油) 。

圖2 主蒸汽隔離閥控制圖

3 主蒸汽隔離閥的動(dòng)作原理

3.1 主蒸汽隔離閥的控制原理

下面以VVP002VV為例說(shuō)明主蒸汽隔離閥的控制原理。

整個(gè)控制回路由三部分組成：

— 泵回路；

— 兩個(gè)類(lèi)似的液壓回路，分別裝在泵的兩側(cè)。這兩個(gè)回路是互為冗余的，分別由A列和B列電源供電[2]。

在失去氣動(dòng)壓力時(shí)，主蒸汽隔離閥有以下響應(yīng)：

— 如果主蒸汽隔離閥是開(kāi)啟的，則該閥在短期內(nèi)保持在開(kāi)啟狀態(tài)。在一段時(shí)間(大于8小時(shí)) 延遲之后，保持閥門(mén)開(kāi)啟的液壓回路內(nèi)的壓力將降低，使主蒸汽隔離閥緩慢關(guān)閉。一旦主蒸汽隔離信號(hào)觸發(fā)，閥門(mén)就繼續(xù)關(guān)閉而不能開(kāi)啟，直到手動(dòng)重新打開(kāi)。

— 如果閥門(mén)是關(guān)閉的，它將保持關(guān)閉狀態(tài)。

在失去48V直流電源時(shí)，主蒸汽隔離閥的位置如下：

— 失去LCA(系列A) 或LCC：閥門(mén)保持開(kāi)啟，關(guān)閉可由系列B驅(qū)動(dòng)；如果閥門(mén)關(guān)閉，則不能被打開(kāi)。

— 失去LCB(系列B) ：閥門(mén)保持開(kāi)啟，關(guān)閉可由系列A驅(qū)動(dòng)。

每個(gè)閥門(mén)包含A、B列兩個(gè)獨(dú)立的液壓系統(tǒng)。

每個(gè)液壓系統(tǒng)包括：

一個(gè)電磁閥VVP252EL (VVP272EL)和一個(gè)快關(guān)分配閥VVP252DR (VVP272DR)用于閥門(mén)快速關(guān)閉:

一個(gè)電磁閥VVP262 EL (VVP282 EL)和一個(gè)試驗(yàn)用分配閥VVP262DR(VVP282DR)。

主蒸汽隔離閥開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)電磁閥和分配閥的位置見(jiàn)下表。

名稱(chēng)主蒸汽隔離閥閥門(mén)關(guān)閉 閥門(mén)開(kāi)啟快關(guān)電磁閥VVP252EL (VVP272EL) 帶電 失電快關(guān)分配閥VVP252DR (VVP272DR) 開(kāi)啟 關(guān)閉試驗(yàn)電磁閥VVP262 EL (VVP282 EL) 失電 失電試驗(yàn)分配閥VVP262DR (VVP282DR) 開(kāi)啟 開(kāi)啟供氣電磁閥VVP212EL 失電 帶電供氣 關(guān)閉 開(kāi)啟

3.2 主蒸汽隔離閥的動(dòng)作方式

主蒸汽隔離閥有4種動(dòng)作方式，分別是閥門(mén)快關(guān)、閥門(mén)慢關(guān)、閥門(mén)開(kāi)啟、部分關(guān)閉試驗(yàn)。

3.2.1 閥門(mén)快關(guān)

主蒸汽隔離閥快速關(guān)閉由下列信號(hào)觸發(fā)：

1) 手動(dòng)快關(guān):手動(dòng)按下緊急停堆盤(pán)上的主蒸汽隔離按鈕，設(shè)有A、B兩列，每列各一個(gè)。該按鈕按下后，保持在彈入位置，閥門(mén)快速關(guān)閉。如果需要重新打開(kāi)閥門(mén)，則需要再次按下該按鈕，使其恢復(fù)到正常位置。

2) 自動(dòng)快關(guān)：當(dāng)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出主蒸汽隔離信號(hào)時(shí)，閥門(mén)自動(dòng)快關(guān)，主蒸汽隔離動(dòng)作由下列保護(hù)信號(hào)觸發(fā)：

— 兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器蒸汽流量高且蒸汽管道蒸汽壓力低；

— 兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器流量高且一回路平均溫度低低(P12) ；

— 兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器蒸汽管道壓力低低；

— 安全殼壓力高3(HI3，即0.19MPa(絕對(duì)) ) ；

通過(guò)下列動(dòng)作實(shí)現(xiàn)主蒸汽隔離閥的快關(guān)：

1) 電磁閥252EL (272EL) 帶電，使閥門(mén)252DR (272DR) 開(kāi)啟；

2) 電磁閥262EL (282EL) 失電，以確保262DR (282DR) 處于開(kāi)位；

3) 電磁閥212EL失電，切斷氣動(dòng)油泵的供氣，不再向油缸供油；

4) 隨后液壓缸中的油通過(guò)排油回路上的252DR 及262DR 快速泄至儲(chǔ)油箱，高壓氮?dú)饪朔虏坑透紫蛏系膲毫?，閥門(mén)將在5s 內(nèi)快速關(guān)閉。

3.2.2 閥門(mén)慢關(guān)

通過(guò)主控室電腦上操作界面或后備盤(pán)上的手動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的正常關(guān)閉。這些按鈕也用于開(kāi)啟閥門(mén)。

通過(guò)下列動(dòng)作實(shí)現(xiàn)主蒸汽隔離閥的慢關(guān):

1) 電磁閥262EL (282EL)帶電，使262DR (282DR)處于試驗(yàn)位；

2) 電磁閥212EL失電，關(guān)閉氣動(dòng)油泵的供氣；

3) 一段延時(shí)后，電磁閥252EL (272EL)帶電，使閥門(mén)252DR (272DR)開(kāi)啟。液壓缸內(nèi)的油慢慢排出，液壓缸中的油通過(guò)全開(kāi)的252/272DR 及262/282DR緩慢排至儲(chǔ)油箱。在高壓氮?dú)馀c油缸中緩慢減小的油壓的作用下，閥門(mén)逐漸關(guān)閉；然后電磁閥262EL (282EL) 失電，使262DR(282DR) 處于開(kāi)位。

3.2.3 閥門(mén)開(kāi)啟

閥門(mén)通過(guò)主控室電腦操作界面或后備盤(pán)上的按鈕手動(dòng)開(kāi)啟。當(dāng)主蒸汽隔離閥上游與下游的壓差大于300KPa時(shí)，閥門(mén)被閉鎖開(kāi)啟，而且當(dāng)主蒸汽隔離保護(hù)信號(hào)存在時(shí)，閥門(mén)也被閉鎖開(kāi)啟。

通過(guò)觸發(fā)下列動(dòng)作實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)啟:

1) 電磁閥252EL (272EL) 失電，使閥門(mén)252DR (272DR) 關(guān)閉，并一直保持關(guān)閉狀態(tài)，，此時(shí)泄油通道被關(guān)閉。

2) 電磁閥262EL (282EL) 失電，使閥門(mén)262DR (282DR) 保持在開(kāi)位；如果此時(shí)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)主蒸汽隔離信號(hào)或在緊急停堆盤(pán)上按下主蒸汽隔離按鈕，可以通過(guò)212EL 、252/272EL和相應(yīng)DR的動(dòng)作以及全開(kāi)的262/282DR使排油回路回路快速泄油，以此實(shí)現(xiàn)主蒸汽隔離閥的快關(guān)功能。

3) 電磁閥212EL帶電，此時(shí)壓縮空氣接通給氣動(dòng)油泵供氣。儲(chǔ)油箱中的液壓油被泵入液壓缸，使得液壓缸中得液壓油逐漸增多，油壓升高。當(dāng)液壓缸中向上的油壓大于閘板的自身重力和上部高壓氮?dú)鈨?chǔ)罐中向下的壓力之和時(shí)，主蒸汽隔離閥將會(huì)緩慢開(kāi)啟。當(dāng)閥門(mén)完全開(kāi)啟后，油壓上升到一定值，油泵會(huì)停止向油缸供油。

3.2.4 部分關(guān)閉試驗(yàn)

主蒸汽隔離閥的部分關(guān)閉試驗(yàn)由主控室電腦操作界面上的對(duì)應(yīng)操作按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)主蒸汽隔離閥設(shè)有A、B兩列，試驗(yàn)分別進(jìn)行。每月執(zhí)行一列部分關(guān)閉試驗(yàn)。

部分關(guān)閉試驗(yàn)用來(lái)：

1) 檢查關(guān)閥用的操作單元:電磁閥、分配閥的運(yùn)行。

2) 檢查閥門(mén)的運(yùn)行。

3) 在試驗(yàn)期間，當(dāng)接到主蒸汽隔離保護(hù)信號(hào)時(shí)，閥門(mén)能在5秒內(nèi)快速關(guān)閉。

對(duì)每個(gè)閥門(mén)A列的試驗(yàn)，過(guò)程如下：

1) 首先，電磁閥262EL帶電，使262DR處于試驗(yàn)位；

2) 接下來(lái)，當(dāng)VVP002VV處于全開(kāi)位(通過(guò)VVP002 SM3判斷)，并且閥門(mén)不處于中間位置(通過(guò)VVP002SM7判斷)時(shí)，試驗(yàn)命令被記錄；

3) 電磁閥252EL帶電，使閥門(mén)252DR開(kāi)啟。閥門(mén)液壓缸內(nèi)的油慢慢泄出，使閥門(mén)慢慢關(guān)閉，這時(shí)212EL失電；

4) 當(dāng)限位開(kāi)關(guān)VVP002SM7(90%限位開(kāi)關(guān)) 被觸發(fā)時(shí)，部分關(guān)閉試驗(yàn)信號(hào)被復(fù)位，然后快關(guān)電磁閥252EL失電，使快關(guān)閥門(mén)252DR關(guān)閉，主蒸汽隔離閥液壓缸的油停止泄出，閥門(mén)停止關(guān)閉；電磁閥212EL帶電，氣動(dòng)油泵供氣回路打開(kāi)，油泵將儲(chǔ)油箱中的液壓油泵入液壓缸，閥門(mén)開(kāi)啟；電磁閥262EL失電，使262DR處于開(kāi)位。

最后在主控電腦操作界面選擇試驗(yàn)復(fù)位按鈕來(lái)對(duì)部分關(guān)閉試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)位，部分關(guān)閉試驗(yàn)結(jié)束。

設(shè)計(jì)中要采取以下預(yù)防措施，防止主蒸汽隔離閥在試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉：

— 部分關(guān)閉試驗(yàn)時(shí)，在252DR開(kāi)啟前要先確保262DR己處于試驗(yàn)位置，以防主蒸汽隔離閥快速關(guān)閉；

— VVP002 SM3或VVP002 SM7的失效將禁止試驗(yàn)的開(kāi)始；

— 若部分關(guān)閉試驗(yàn)在20s內(nèi)未完成，閥門(mén)自動(dòng)重新開(kāi)啟。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)人員在現(xiàn)場(chǎng)就位，若自動(dòng)控制信號(hào)失效，閥門(mén)一直在進(jìn)行慢關(guān)，可以關(guān)閉對(duì)應(yīng)列的手動(dòng)泄油閥，阻止閥門(mén)慢關(guān)，此時(shí)閥門(mén)的快關(guān)功能由另一列來(lái)保證。

4 結(jié)論

(1) 主蒸汽隔離閥是核電廠的重大關(guān)鍵設(shè)備，在核電廠發(fā)生主蒸汽管道破裂事故后能夠在5s內(nèi)快速安全地關(guān)閉以切斷上游或下游蒸汽流；

(2) 主蒸汽隔離閥有四種動(dòng)作方式：閥門(mén)快關(guān)、閥門(mén)慢關(guān)、閥門(mén)開(kāi)啟、部分關(guān)閉試驗(yàn)，四種動(dòng)作方式下，相關(guān)電磁閥及分配閥的動(dòng)作各有不同。