穩(wěn)壓器安全閥在極限事故工況下的功能研究

邱 磊，傅仁浦，祝太富，秦博杰，劉德軍

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

0 引言

2011 年3 月11 日，日本大地震使得福島第一核電廠1—4號(hào)機(jī)組發(fā)生全廠斷電事故，正常電源及應(yīng)急柴油機(jī)電源都無法正常工作，反應(yīng)堆堆芯喪失冷卻水源，導(dǎo)致堆芯部分裸露，出現(xiàn)不同程度的堆芯熔化，造成核電史上又一次重大事故。福島事故后，中國核電站進(jìn)行了一系列的整改工作，其中穩(wěn)壓器安全閥再供電工作作為堆芯余熱排出的重要手段，是其中重要的整改工作之一。

1 極限事故分析與穩(wěn)壓器安全閥在事故中的作用

根據(jù)福島事故背景，如果核電站發(fā)生全廠斷電事故工況（SBO），如何順利排出堆芯余熱將成為事故處理首要工作。為應(yīng)付極限事故工況堆芯冷卻，核電站在保留原有安全措施的基礎(chǔ)上，增設(shè)一、二回路等應(yīng)急補(bǔ)水改造。當(dāng)一回路自然循環(huán)可以建立、且二回路緊急排熱路徑暢通，則首先考慮利用二回路排出堆芯余熱，此時(shí)二回路應(yīng)急補(bǔ)水產(chǎn)生作用；當(dāng)二回路排熱手段不可用時(shí)，為防止高壓熔堆的發(fā)生，在嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則中要求在綜合評估泄壓的好處和潛在風(fēng)險(xiǎn)的前提下，對一回路進(jìn)行降壓操作。通過開啟穩(wěn)壓器安全閥，使一回路的壓力降低到一定水平（嚴(yán)重事故導(dǎo)則中提到要將壓力降到2 MPa 以下，壓力值需確保低于補(bǔ)水壓力）。當(dāng)成功實(shí)施一回路泄壓后，則可根據(jù)相關(guān)規(guī)程和嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則的要求，通過實(shí)施一回路應(yīng)急補(bǔ)水，最終實(shí)現(xiàn)對堆芯的冷卻。

當(dāng)二回路排熱手段不可用需一回路補(bǔ)水操作時(shí)，如何保證穩(wěn)壓器安全閥的長時(shí)間開啟成為一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，只有保證穩(wěn)壓器安全閥的開啟才能確保一回路的泄壓和應(yīng)急補(bǔ)水的注入，而同時(shí)保證穩(wěn)壓器安全閥的長時(shí)間開啟才能確保應(yīng)急補(bǔ)水帶走熱量流出，最終實(shí)現(xiàn)對堆芯的冷卻。

目前中國核電站使用的穩(wěn)壓器安全閥基本是法國生產(chǎn)的SEBIM 安全閥，SEBIM 安全閥為世界上技術(shù)先進(jìn)的一類先導(dǎo)式安全閥，為壓水堆核電廠最重要和復(fù)雜的一類閥門，是核島一回路的最后一道壓力屏障。安全閥的低壓保護(hù)功能使其在三哩島事故后得到全世界核電站廣泛的應(yīng)用，可以說SEBIM安全閥是針對解決三哩島事故工況發(fā)展起來的。穩(wěn)壓器安全閥的作用：確保在RCP 系統(tǒng)超壓狀況下將穩(wěn)壓器內(nèi)壓力的及時(shí)釋放，保證系統(tǒng)及設(shè)備的安全；確保RCP 系統(tǒng)在低壓狀態(tài)下及時(shí)關(guān)閉閥門，保護(hù)一回路壓力，避免壓力太低造成堆芯融化風(fēng)險(xiǎn)。福島事故后，穩(wěn)壓器安全閥開發(fā)的新作用：極限事故工況下，穩(wěn)壓器安全閥恰當(dāng)?shù)拈_啟，促使堆芯冷卻水的流出，從而帶走堆芯余熱。

2 穩(wěn)壓器安全閥再供電剖析與整改

穩(wěn)壓器安全閥位于穩(wěn)壓器頂部，分為3 組6 臺(tái)，每組由保護(hù)閥和隔離閥組成，正常運(yùn)行情況下保護(hù)閥關(guān)閉，隔離閥通過電磁閥通電開啟。每臺(tái)穩(wěn)壓器安全閥由控制柜和閥體組成。SBO 一回路補(bǔ)水工況下，為了排出堆芯余熱，穩(wěn)壓器安全閥保護(hù)閥必須能手動(dòng)開啟，而手動(dòng)開啟必須借助主控室操作閥門電磁閥通電。但此時(shí)全廠已失電，如何對穩(wěn)壓器安全閥再供電成為事故處理非常重要的一環(huán)，針對這個(gè)問題，主要有以下兩種解決辦法。

2.1 蓄電池為穩(wěn)壓器安全閥電磁閥長期供電

在機(jī)架附近墻上對A/B 列各設(shè)置一個(gè)整流器箱，在應(yīng)急需要的情況下由人手動(dòng)將新增整流器箱電源轉(zhuǎn)接到需要供電的機(jī)架UP 設(shè)備上。使用的備用開關(guān)為LNE 逆變器下游負(fù)載，LNE 逆變器上游由LAA 充電器和蓄電池供電，SBO 時(shí)由LAA蓄電池為穩(wěn)壓器安全閥長期供電。LAA 蓄電池可以為穩(wěn)壓器安全閥單獨(dú)長時(shí)間供電，但在事故工況下，LNE 逆變器因需要為其他負(fù)載大負(fù)荷供電，此時(shí)可能造成穩(wěn)壓器安全閥電磁閥無電源供電。

2.2 穩(wěn)壓器安全閥電磁閥改型

現(xiàn)在使用的電磁閥原理：對電磁閥通電時(shí)，電磁閥內(nèi)部電磁鐵產(chǎn)生的磁力將穩(wěn)壓器安全閥控制柜控制桿拉下，控制柜控制閥門本體開啟；當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，電磁鐵的磁力消失，控制桿在彈簧作用下彈回，控制柜控制閥門本體關(guān)閉。新式電磁閥原理：觸發(fā)閥門開啟信號(hào)，電磁閥通電，電磁閥內(nèi)部電磁鐵產(chǎn)生的磁力將穩(wěn)壓器安全閥控制柜控制桿拉下，同時(shí)電磁閥內(nèi)部機(jī)構(gòu)將控制桿鎖住；當(dāng)線路斷電時(shí)，磁力消失，但是控制桿仍舊被鎖住，閥門保持原狀態(tài)開啟；觸發(fā)閥門關(guān)閉信號(hào)，控制桿鎖住裝置解除，控制桿在彈簧作用下彈回，控制柜控制閥門本體關(guān)閉。

目前的穩(wěn)壓器安全閥電磁閥由UP 供電，UP 由上游48 V母線供電，母線可由有一定電量的蓄電池供電。在事故初期，當(dāng)需要打開穩(wěn)壓器安全閥泄壓時(shí)，蓄電池可為電磁閥提供原始電源，電磁閥通電，穩(wěn)壓器安全閥開啟，系統(tǒng)泄壓。系統(tǒng)泄壓到一定程度，一回路應(yīng)急補(bǔ)水注入，整個(gè)過程持續(xù)很長時(shí)間，這時(shí)即使母線失去電源無法為穩(wěn)壓器安全閥電磁閥供電，穩(wěn)壓器安全閥仍可以保持開啟，繼續(xù)保證堆芯的冷卻。新式電磁閥設(shè)計(jì)對穩(wěn)壓器安全閥長期供電問題是很好的解決路徑。新式電磁閥如圖1所示，比原電磁閥體積大一倍，位置不再安裝在穩(wěn)壓器安全閥控制柜底部，而是安裝在控制柜側(cè)面，電纜接口與原電磁閥接口一致，更換簡單。新式電磁閥在法國核電站正在普及推廣，很多核電站已經(jīng)開始使用。

綜上所述，穩(wěn)壓器安全閥電磁閥改型方案優(yōu)于為穩(wěn)壓器安全閥增加供電路徑方案。

3 現(xiàn)有穩(wěn)壓器安全閥在極限事故工況下開啟問題

3.1 穩(wěn)壓器安全閥事故工況下開啟現(xiàn)狀

圖1 新式穩(wěn)壓器安全閥電磁閥

極限事故工況下，穩(wěn)壓器安全閥不僅承擔(dān)著一回路超壓保護(hù)的功能，還承擔(dān)著一回路低壓保護(hù)的功能，同時(shí)穩(wěn)壓器安全閥承擔(dān)著在一回路應(yīng)急補(bǔ)水工作中開啟的重任，其功能非其他安全閥可以替代。

但目前業(yè)界對現(xiàn)有穩(wěn)壓器安全閥存在普遍的認(rèn)識(shí)誤區(qū)：只要穩(wěn)壓器安全閥電磁閥能通電，穩(wěn)壓器安全閥就能打開。但現(xiàn)狀是穩(wěn)壓器安全閥保護(hù)閥在系統(tǒng)處于0.5 MPa（5 bar）壓力以下無法開啟，即使是在電磁閥通電情況下。

穩(wěn)壓器安全閥結(jié)構(gòu)有別于一般安全閥，在系統(tǒng)處于高壓時(shí)，它借助于系統(tǒng)壓力使其密封，系統(tǒng)壓力越大密封越好，但是保護(hù)閥在系統(tǒng)處于低壓狀態(tài)時(shí)，是依靠閥門彈簧壓縮閥瓣使其密封，閥門彈簧力是無法手動(dòng)解除的，因此閥門無法開啟。

圖2 為SEBIM 保護(hù)閥和隔離閥結(jié)構(gòu)對比，由于隔離閥在任何壓力工況下都能通過電磁閥開啟，因此通過對比兩者的結(jié)構(gòu)差異，分析保護(hù)閥在低壓情況下無法開啟的原因。

圖2 SEBIM 保護(hù)閥和隔離閥閥體結(jié)構(gòu)對比

圖3 保護(hù)閥和隔離閥閥瓣對比

低壓情況下，保護(hù)閥關(guān)閉隔離閥卻有5 mm 的自然開度，是因?yàn)閮烧叩拈y瓣長度不一樣，區(qū)別主要在活塞上部彈簧和閥瓣波紋管。①保護(hù)閥活塞頂部有2 個(gè)粗彈簧，而隔離閥活塞頂部只有一個(gè)細(xì)彈簧，這就保證了保護(hù)閥閥瓣有著較大的向下推力；②保護(hù)閥和隔離閥波紋管照片見圖3，從圖3 可以看出，保護(hù)閥的波紋管彈簧比隔離閥的波紋管彈簧細(xì)，保護(hù)閥的波紋管彈簧力小，比隔離閥更容易被往下推動(dòng)。在系統(tǒng)無壓情況下，閥瓣受到的總向下推力F=彈簧向下推力-波紋管向上收縮力。保護(hù)閥彈簧向下推力大，波紋管向上收縮力小，因此閥瓣的總向下推力F 較大。而隔離閥相反，其彈簧向下推力小于波紋管向上收縮力，總向下推力F 為負(fù)值，閥門保持約5 mm 的自然開度。

而當(dāng)系統(tǒng)處于低壓狀態(tài)并且電磁閥通電時(shí)，由于閥頭活塞頂部為大氣壓狀態(tài)（即表壓為0），閥瓣底部受到系統(tǒng)壓力，保護(hù)閥閥瓣受到的總向下推力F=彈簧向下推力-波紋管向上收縮力-系統(tǒng)壓力向上推力，系統(tǒng)壓力向上推力F′=P系統(tǒng)×S閥瓣。另外如果要使閥瓣產(chǎn)生向上移動(dòng)，閥瓣還需要克服活塞密封件的摩擦阻力，因此當(dāng)閥瓣向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，閥瓣受到的總向上推力F′=系統(tǒng)壓力向上推力（P系統(tǒng)×S閥瓣）+波紋管向上收縮力-彈簧向下推力-活塞密封件的摩擦阻力。根據(jù)計(jì)算，如果使保護(hù)閥閥瓣受到的總向上推力F′＞0，需P系統(tǒng)＞0.5 MPa（5 bar），即P系統(tǒng)＜0.5 MPa（5 bar）時(shí)，穩(wěn)壓器保護(hù)閥基本不會(huì)開啟。

3.2 斷電情況下堆芯注水冷卻現(xiàn)狀

根據(jù)事故工況導(dǎo)則，一回路需通過穩(wěn)壓器安全閥泄壓至補(bǔ)水壓力以下后注入應(yīng)急補(bǔ)水，現(xiàn)在一回路應(yīng)急補(bǔ)水的接入口位于EAS 和RIS 中間的H4 管線，通過RIS 管線注入RCP 系統(tǒng)。消防車正常出水壓力1 MPa，處于0 m 位置，穩(wěn)壓器安全閥處于核島25 m 位置，高度差為25 m。考慮消防水在傳輸過程中存在一定的壓力損耗和管道節(jié)流，消防水壓力到達(dá)穩(wěn)壓器安全閥時(shí)壓力值P=消防水壓力-高壓差對應(yīng)的壓力值-壓力損耗和管道節(jié)流=0.75 MPa（7.5 bar）-壓力損耗和管道節(jié)流，該壓力值可能已經(jīng)接近保護(hù)閥的電磁閥通電閥門開啟壓力值0.5 MPa（5 bar），因此即使穩(wěn)壓器安全閥能推開，但穩(wěn)壓器安全閥閥瓣受到的向上推力值（波紋管向上收縮力+系統(tǒng)壓力向上推力-彈簧向下推力-活塞密封件的摩擦阻力）也較小，開度有限。而根據(jù)事故導(dǎo)則，在此事故工況下，注入反應(yīng)堆堆芯的有效補(bǔ)水流量要求為不小于40 m3/h，此時(shí)穩(wěn)壓器安全閥保護(hù)閥的開啟高度無法使冷卻補(bǔ)水流量超過40 m3/h。

3.3 解決辦法

針對存在的問題，較好的解決辦法為：①提高補(bǔ)水壓力。需提高消防車的供壓能力以及消防軟管的壓力等級。②在能滿足閥門密封力要求的前提下減小保護(hù)閥在低壓狀態(tài)的開啟壓力值。針對方法②進(jìn)行以下分析。

按照前面的分析，保護(hù)閥閥瓣受到的總向上推力F′=系統(tǒng)壓力向上推力（P系統(tǒng)×S閥瓣）+波紋管向上收縮力-彈簧向下推力-活塞密封件的摩擦阻力。如果需要增大閥瓣受到的總向上推力，在閥門結(jié)構(gòu)上可以采取以下方法：

3.3.1 控制彈簧向下推力和波紋管向上收縮力

由于保護(hù)閥在正常運(yùn)行工況下需要保證密封，現(xiàn)有的保護(hù)閥彈簧向下推力遠(yuǎn)大于波紋管向上收縮力，目的是保證在系統(tǒng)低壓狀況下閥門有足夠的密封力。但針對福島事故整改的冷卻水排放要求，同時(shí)在滿足閥門密封力的情況下，彈簧向下推力和波紋管向上收縮力之間的差距可以適當(dāng)縮小。

3.3.2 減小活塞密封件的摩擦阻力

目前使用的活塞如圖4 所示，組件包含有2 個(gè)帶內(nèi)彈簧密封件，密封件開口朝有壓側(cè)（向上），密封件在壓力作用下?lián)未?，從而貼緊閥頭內(nèi)壁保證密封。從現(xiàn)場檢修情況看，將活塞安裝進(jìn)活塞套需要較大推力，單用成人雙手無法推進(jìn)，在檢修過程中使用檢修工具安裝。

活塞及密封件的功能：通過活塞的運(yùn)動(dòng)控制閥瓣運(yùn)動(dòng)，同時(shí)需保證密封。目前針對減小活塞密封件阻力的解決方案是改變原先活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將閥頭與活塞設(shè)計(jì)成波紋管式結(jié)構(gòu)，密封形式變成波紋管靜密封，同時(shí)波紋管的上下伸縮又能滿足類似活塞上下運(yùn)動(dòng)的要求，活塞密封件的摩擦阻力將變成波紋管的上下伸縮力，波紋管的上下伸縮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的活塞上下運(yùn)動(dòng)阻力。

結(jié)合上述兩點(diǎn)對閥門結(jié)構(gòu)改造后，要使穩(wěn)壓器保護(hù)閥閥瓣受到的總向上推力F′＞0，系統(tǒng)壓力向上推力（P系統(tǒng)×S閥瓣）將大大減小，S閥瓣為定值，則P系統(tǒng)將大大減小。

針對福島事故冷卻水排放要求而進(jìn)行的閥門本體結(jié)構(gòu)技改，即在滿足閥門密封力的情況下，適當(dāng)縮小彈簧向下推力和波紋管向上收縮力之間的差距，同時(shí)改變活塞結(jié)構(gòu)以減小活塞密封件的摩擦阻力，SEBIM 工廠已經(jīng)完成設(shè)計(jì)，目前法國EDF 旗下電廠已安裝使用并成功解決了閥門啟閉的問題，圖5 為現(xiàn)有的閥門和改造后的閥門。

圖4 現(xiàn)在使用的活塞

4 結(jié)束語

穩(wěn)壓器安全閥先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)因三哩島事故而生，同時(shí)在福島事故后的核電站事故處理方案中起到舉足輕重作用。分析核電站在極限工況下事故的成因及處理，根據(jù)穩(wěn)壓器安全閥再供電整改工作要求提出較好的解決方案，同時(shí)指出現(xiàn)有穩(wěn)壓器安全閥在極限事故工況下容易被忽略的問題，闡述問題的成因，破除認(rèn)識(shí)誤區(qū)，并提出相應(yīng)的解決方案。