池式低溫供熱堆用自然循環(huán)閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

周寅鵬，張金山，衣大勇，范月容，姚成志，石辰蕾，郭志家，彭朝暉，柯國(guó)土，劉興民

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

池式低溫供熱堆適用于我國(guó)多數(shù)供熱網(wǎng)，供水溫度在100 ℃以下，是一種較為經(jīng)濟(jì)合理的供熱方式[1]。該反應(yīng)堆將堆芯固定在一個(gè)常壓水池的深處，利用水層的靜壓力提高堆芯的出口溫度，再將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量通過(guò)一二回路兩級(jí)換熱傳遞給供熱回路，并將供熱回路與熱網(wǎng)直接相連，將熱量輸送到需求用戶。

自然循環(huán)閥門安裝于池式低溫供熱堆堆芯容器的側(cè)壁，其整體結(jié)構(gòu)完全浸泡在池水中，是堆芯余熱排出系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。該閥門的關(guān)閉是通過(guò)由堆水池回水管引出的射流管的射流沖擊和系統(tǒng)的循環(huán)壓力差實(shí)現(xiàn)的；而當(dāng)主泵事故停轉(zhuǎn)后，射流停止，閥門內(nèi)外兩側(cè)的壓差減小到一定程度后閥門在自身重錘組件的重力作用下非能動(dòng)開啟，實(shí)現(xiàn)池水對(duì)堆芯的自然循環(huán)冷卻。可見，自然循環(huán)閥門需同時(shí)滿足關(guān)閉可靠性及開啟即時(shí)性的要求，且其性能對(duì)保證反應(yīng)堆的安全具有重要意義。

1 功能及參數(shù)描述

自然循環(huán)閥門的功能如下。

(1)反應(yīng)堆一回路主泵工作時(shí)，在外部射流作用下，自然循環(huán)閥門能夠保持閉合，以保證堆芯內(nèi)部流體與水池內(nèi)流體的有效隔離，避免無(wú)效漏流。

(2)反應(yīng)堆一回路主泵事故停轉(zhuǎn)后的初期，自然循環(huán)閥門在外部射流和一回路主泵惰轉(zhuǎn)吸力的作用下，仍然保持閉合，在主泵慣性流量作用下保障堆芯的循環(huán)冷卻功能。

(3)反應(yīng)堆一回路主泵完全停轉(zhuǎn)后，自然循環(huán)閥門在重錘組件自重作用下非能動(dòng)開啟，以聯(lián)通堆芯內(nèi)部與池內(nèi)流體，建立自然循環(huán)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)池水對(duì)堆芯的自然循環(huán)冷卻。

根據(jù)低溫供熱堆構(gòu)件分級(jí)準(zhǔn)則，自然循環(huán)閥門的安全級(jí)別為SC-3，抗震類別為Ⅰ類，質(zhì)保等級(jí)為QA2，設(shè)計(jì)應(yīng)滿足RCC-M規(guī)范[2]第2冊(cè)D篇的相關(guān)要求，其具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

(1)池水溫度：68 ℃；

(2)工作介質(zhì)：輕水；

(3)閥門通流面積：≥0.031 5 m2；

(4)閥門開啟角度：≥45°；

(5)閥門開啟壓差：1 000 Pa。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自然循環(huán)閥門主要由閥座、密封組件、轉(zhuǎn)軸組件、閥桿及重錘組件等結(jié)構(gòu)組成，其主體材料選為Z2CN19—10(控氮)，與反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件主體材料相同，焊材選為ER308L。閥門的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中圖1(a)為自然循環(huán)閥門關(guān)閉狀態(tài)，圖1(b)為自然循環(huán)閥門開啟狀態(tài)。

圖1 自然循環(huán)閥門結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Scheme of Naturalcirculation valve

如圖1所示，閥座為閥門的固定部件，與反應(yīng)堆堆芯容器側(cè)壁焊接連接；密封組件與閥桿及重錘組件相連接，共同組成閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，可通過(guò)轉(zhuǎn)軸組件在一定角度內(nèi)一起旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)閥門的關(guān)閉及開啟功能。

當(dāng)一回路主泵啟動(dòng)后，支管路射流作用于密封組件外表面，給予密封組件以足夠的推動(dòng)力矩，保證閥門實(shí)現(xiàn)關(guān)閉動(dòng)作，同時(shí)，待閥門關(guān)閉后，在主泵的作用下，閥門內(nèi)部的壓力低于閥門外部水池的壓力，在壓差和射流水柱的作用下可以保證密封組件的有效關(guān)閉和密封；當(dāng)反應(yīng)堆事故停堆后，主泵停轉(zhuǎn)，射流停止，待閥門內(nèi)外壓差逐漸減小至某一限值后，密封組件在重錘組件重力作用下旋轉(zhuǎn)開啟，堆芯容器內(nèi)、外流體聯(lián)通，自然循環(huán)過(guò)程隨之建立。

2.1 閥座結(jié)構(gòu)

閥座由筒體、密封面和支撐座等結(jié)構(gòu)組成。其中，筒體與堆芯容器側(cè)壁焊接連接，形成連接堆芯內(nèi)、外流體的通道；密封面為凹槽結(jié)構(gòu)，閥門關(guān)閉時(shí)與密封組件共同實(shí)現(xiàn)閥門的密封；筒體下部焊接有支撐座，支撐座與轉(zhuǎn)軸組件連接，為轉(zhuǎn)軸組件提供支撐，閥門的旋轉(zhuǎn)部件可繞轉(zhuǎn)軸組件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

2.2 密封組件

密封組件主要由密封板、密封蓋、彈簧組件及相關(guān)連接緊固件等結(jié)構(gòu)組成。其中，密封板通過(guò)連接臂與閥桿及重錘組件相連，共同組成繞轉(zhuǎn)軸組件旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)閥門的關(guān)閉及開啟動(dòng)作；閥門關(guān)閉后，密封蓋與閥座的凹槽密封面緊密貼合，以實(shí)現(xiàn)閥門的有效密封；另外，密封蓋通過(guò)彈簧組件與密封板相連，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得密封組件在閥門關(guān)閉的瞬間得到有效的緩沖，防止密封蓋及閥座密封面因沖擊力過(guò)大發(fā)生損壞或變形。

2.3 轉(zhuǎn)軸組件

轉(zhuǎn)軸組件主要由軸套、鉸鏈軸、擋圈、墊片等結(jié)構(gòu)組成。其中，軸套與閥座的支撐座進(jìn)行固定，閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)部件通過(guò)鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)，完成閥門的關(guān)閉或開啟。另外，轉(zhuǎn)軸組件外側(cè)設(shè)置有位置開關(guān)，用來(lái)在線監(jiān)測(cè)閥門的開啟角度。

2.4 閥桿及重錘組件

重錘組件通過(guò)連接螺母與閥桿進(jìn)行固定。由于自然循環(huán)閥門是通過(guò)重錘組件的重力實(shí)現(xiàn)閥門的非能動(dòng)開啟的，所以必須合理設(shè)置重錘組件和連接螺母的重量以及閥桿的長(zhǎng)度，才能得到準(zhǔn)確的開啟力矩，這也是自然循環(huán)閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 計(jì)算內(nèi)容與目的

根據(jù)自然循環(huán)閥門的關(guān)閉及開啟要求，結(jié)合第1節(jié)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，須對(duì)閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以驗(yàn)證閥門的設(shè)計(jì)是否滿足功能要求。

自然循環(huán)閥門的設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括閥門的關(guān)閉及開啟兩個(gè)方面。首先，要計(jì)算開啟壓差為1 000 Pa時(shí)閥門能否在重錘作用下實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)開啟，且開啟角度達(dá)到45°；另外，還要通過(guò)分析計(jì)算，得到滿足閥門關(guān)閉要求所需最小射流力矩，以對(duì)射流支管路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

3.2 計(jì)算輸入

自然循環(huán)閥門各個(gè)零部件的重力如表1所示。在下文中，密封組件的重力用G1表示，連接臂的重力用G2表示，重錘組件的重力用G3表示，閥桿的重力用G4表示，連接螺母的重力用G5表示。

表1 閥門各零部件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of each part of the valve

閥門在45°開啟狀態(tài)及關(guān)閉狀態(tài)下各零部件的重心位置及重力相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心線產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力臂如圖2所示，其中，在關(guān)閉狀態(tài)下，密封組件的力臂L1=0.13 m，連接臂的力臂L2=0，重錘組件的力臂L3=0.268 m，閥桿的力臂L4=0.172 m，連接螺母的力臂L5=0.283 m，射流作用產(chǎn)生的力臂L6=0.33 m；在45°開啟狀態(tài)下，密封組件的力臂L11=0.13 m，連接臂的力臂L22=0.181，重錘組件的力臂L33=0.268 m，閥桿的力臂L44=0.172 m，連接螺母的力臂L55=0.283 m。另外，閥門的開啟壓差ΔP=1 000 Pa，閥門的有效面積S=0.089 m2。

圖2 重心及力臂示意圖Fig.2 Center of gravity and arm of force

3.3 計(jì)算準(zhǔn)則

根據(jù)第3.1節(jié)計(jì)算內(nèi)容與目的的要求，自然循環(huán)閥門需要滿足如下計(jì)算準(zhǔn)則。

(1)自然循環(huán)閥門開啟狀態(tài)下，要求滿足：密封組件及連接臂對(duì)旋轉(zhuǎn)中心線的力矩≈重錘組件、閥桿及連接螺母對(duì)旋轉(zhuǎn)中心線的力矩。

(2)自然循環(huán)瓣閥關(guān)閉狀態(tài)下，要求滿足：密封組件、連接臂及閥門內(nèi)外表面壓差對(duì)旋轉(zhuǎn)中心線的力矩>重錘組件、閥桿及連接螺母對(duì)旋轉(zhuǎn)中心線的力矩。

3.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)第3.3節(jié)計(jì)算準(zhǔn)則要求，可得到閥門全開狀態(tài)時(shí)應(yīng)滿足力矩平衡關(guān)系式(1)；閥門在閉合狀態(tài)臨界開啟時(shí)應(yīng)滿足力矩平衡關(guān)系式(2)。

G1L11+G2L22=G3L33+G4L44+G5L55

(1)

G1L1+G2L2+ΔPSL6=G3L3+G4L4+G5L5

(2)

將第3.2節(jié)設(shè)計(jì)輸入值帶入以上關(guān)系式中，通過(guò)計(jì)算，可得到設(shè)計(jì)參數(shù)滿足上述平衡關(guān)系式要求，即說(shuō)明自然循環(huán)閥門滿足在1 000 Pa下實(shí)現(xiàn)開啟且閥門開啟角度為45°的要求。

另外，在現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)下可以計(jì)算出閥門的最大開啟力矩為ΔPSL6=28 N·m，則在射流管的設(shè)計(jì)中，只需要保證射流力矩大于28 N·m，即可保證自然循環(huán)閥門在射流作用下能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)閉功能。

4 結(jié)論

自然循環(huán)閥門是低溫供熱堆堆芯余熱排出系統(tǒng)的重要設(shè)備，是通過(guò)水力關(guān)閉非能動(dòng)開啟的一種特殊結(jié)構(gòu)的閥門。本文對(duì)自然循環(huán)閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明，并結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)閥門的關(guān)閉及開啟性能進(jìn)行了力矩平衡分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，本閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足功能要求。

目前，本自然循環(huán)閥門已完成相關(guān)設(shè)計(jì)工作，并將在后續(xù)工作中進(jìn)行等尺寸模擬件的加工，以開展相關(guān)性能試驗(yàn)的驗(yàn)證。