三代壓水堆核電廠穩(wěn)壓器安全閥設備選型研究

王保平　賴建永　沈云?！∮嘈唷⊥鯉?/p>

【摘 要】我國正在自主研發(fā)和設計的三代壓水堆核電站，穩(wěn)壓器安全閥作為反應堆冷卻劑系統(tǒng)超壓保護裝置在各工況下保證系統(tǒng)壓力不超過設計壓力。該穩(wěn)壓器安全閥具有設計參數(shù)、鑒定要求和可靠性要求高的特點。本文針對先導式穩(wěn)壓器安全閥進行調研，對國外具有大量供貨業(yè)績的先導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)。

【關鍵詞】壓水堆核電廠；反應堆冷卻劑系統(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

華龍一號機組反應堆冷卻劑系統(tǒng)設置了穩(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。由于國內三代核電機組是全新設計，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，而目前國內外穩(wěn)壓器安全閥供貨商均不能提供滿足該要求的設備。因此需要對該項目穩(wěn)壓器安全閥進行重新設計選型和鑒定。

本文針對穩(wěn)壓器安全閥進行了調研和研究。

1 設計要求

1.1 功能要求

穩(wěn)壓器安全閥采用的是先導式控制閥。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，安全閥受先導箱液壓系統(tǒng)控制，在壓力超過開啟壓力設定值時自動起跳開啟，進行蒸汽排放；當壓力下降到關閉壓力時，自動回座關閉。處于低溫超壓保護模式時，當發(fā)生壓力瞬態(tài)事件，反應堆冷卻劑系統(tǒng)壓力高于設定值時則儀控系統(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

作為我國自主設計并定位于三代的華龍一號，操作員不干預時間是核電廠對抗事故能力的體現(xiàn)指標之一，目前世界上核電廠操作員事故后不干預時間一般為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的發(fā)展，將事故后操作員不干預時間延長到30分鐘是非常必要的，為實現(xiàn)該目標，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)績的先導式穩(wěn)壓器安全閥供貨商主要有Sebim和Sempell，且在國內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)品進行了調研和研究。

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

國內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箱。

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

閥門的先導部分起壓力傳感和控制的作用。每一個先導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成?；钊陨碛謫右桓梢粋€調節(jié)彈簧定位的傳動桿，傳動桿上裝有一個凸輪，用來開啟兩個先導閥盤R1和R2。先導閥（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，這樣可以驅動主閥的關閉和開啟。調節(jié)彈簧用來設定閥門的整定值。

當穩(wěn)壓器壓力低于先導箱的整定壓力時，先導閥的傳動桿在上面位置，先導閥盤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，因此安全閥關閉。

當穩(wěn)壓器壓力升高時，它作用在先導箱活塞上，并且使先導傳動桿向下，先導閥盤R1關閉，但由于R2也關閉，此時，安全閥仍保持關閉。

當穩(wěn)壓器壓力達到先導閥整定壓力時，先導傳動桿仍進一步向下，先導閥盤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。

當穩(wěn)壓器壓力降低時，先導傳動桿上升，首先關閉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閉安全閥，相反，如果R1維持關閉（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閥控制主閥的啟閉，先導閥與冷態(tài)串閥中的先導閥（Cabinet）不同，熱態(tài)串閥的先導閥（DCM）采用“no-flow”的設計，且先導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閥之間的連接管線和冷凝罐。

采用串閥的結構設計主要是考慮若保護閥關閉失效，則可通過隔離閥自動關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，熱態(tài)串閥的工作原理圖如圖2所示。

閥門的先導部分起壓力傳感和控制的作用。每臺先導閥由上部先導球形閥瓣和下部先導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)的壓力低于先導閥的整定壓力，先導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，閥門處于關閉狀態(tài)。

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

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

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先導式安全閥（VS99+Sierion）

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

該主閥的介質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。

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

2.4 Sempell先導式安全閥（VS99+VS66）

Sempell先導式穩(wěn)壓器安全閥（VS99+VS66）主要由主閥VS99、兩套先導閥（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)別是先導閥不同。在非超壓工況下，該先導閥將主閥上腔和低壓側隔離，而脈沖管高壓側介質和低壓側隔離；在超壓工況下，先將脈沖管高壓介質和低壓側連通，然后活塞上腔也和低壓側直接連通。所以當先導閥開啟時，主閥才開啟；當先導閥關閉時，主閥也關閉，其特點可以概括為要關全關，要開全開，為典型的有流動式先導閥設計。在形式上，該先導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定的整定壓力時，脈沖閥開啟，蒸汽則流過先導閥體的排氣通道，推動止回閥側擋板并使之提升，與擋板連接在一起的止回閥閥瓣升起，于是控制管線開啟，與低壓側連通。壓力介質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)。

該先導閥還可以設置成帶輔助驅動裝置的先導閥，即設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。為此先導閥在設計中必須要保證當系統(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控制。

該先導閥的結構原理圖如圖4所示。

3 閥門性能

經(jīng)調研各安全閥的優(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

根據(jù)上述調研結果并結合華龍一號穩(wěn)壓器安全閥的設計要求，Sebim先導式穩(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。通過該調研，了解了各供貨商先導式穩(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)壓器安全閥設備選型提供了一定的參考。

[責任編輯：楊玉潔]