壓水堆核電機(jī)組穩(wěn)壓器比例噴霧閥選型分析

張浩然，曹曉寧，?，蔣曉紅，曹月秋

（1. 中廣核工程有限公司，深圳518124；2. 鞍山電磁閥有限責(zé)任公司，鞍山114300）

壓水堆核電系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器是對一回路進(jìn)行壓力控制和超壓保護(hù)的重要設(shè)備［1-7］。在機(jī)組正常運(yùn)行及瞬態(tài)工況下，穩(wěn)壓器噴淋系統(tǒng)與電加熱器配合，共同執(zhí)行一回路壓力控制功能。根據(jù)噴淋水來源不同，穩(wěn)壓器噴淋系統(tǒng)可分為主噴淋和輔助噴淋。其中，主噴淋管線有兩條，由分別連接至兩條冷管段的管線組成，每1 列穩(wěn)壓器比例噴霧閥上游與主管道冷段連接，下游兩條支管到穩(wěn)壓器前連成一條共用噴淋母管后與噴淋管嘴相連。穩(wěn)壓器比例噴霧閥為主噴淋管線上的最重要設(shè)備，也是核電站系統(tǒng)中唯一的核安全1級控制閥［8-12］。

圖1 壓水堆核電系統(tǒng)主要閥門安裝位置Fig.1 Installation position of main valves in PWR nuclear power system

1 總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹

1.1 主要設(shè)計參數(shù)

在二代及早期核電機(jī)組中，穩(wěn)壓器比例噴霧閥均采用氣動V型球芯式控制閥。

在三代核電華龍一號技術(shù)路線引入新的設(shè)計理念，安全殼內(nèi)減少氣源，穩(wěn)壓器比例噴霧閥采用電磁驅(qū)動型控制閥［13］。

兩種技術(shù)路線下的穩(wěn)壓器比例噴霧閥的主要技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。

1.2 氣動V型球芯控制閥

目前核電市場普遍使用的氣動V 型球心式穩(wěn)壓器比例噴霧閥主要為F 公司產(chǎn)品。閥門整機(jī)由閥門本體、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三部分組成。其中，閥門本體采用鍛造閥體，閥芯流量調(diào)節(jié)部分采用V 型球心，閥桿采用石墨填料密封結(jié)構(gòu)。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用薄膜式，氣源控制系統(tǒng)回路由電磁閥、定位器、過濾器、放大器、電氣轉(zhuǎn)換器、氣體儲罐等部件組成。通過系統(tǒng)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)配備動力氣源，在接收系統(tǒng)4~20 mA 的控制命令后，經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換器、定位器等實(shí)現(xiàn)閥門開啟和關(guān)閉操作及比例調(diào)節(jié)控制功能。閥門調(diào)節(jié)特性為等百分比形式，滿足閥門小開度工況下的流量調(diào)節(jié)需求。在閥門閥桿的開、關(guān)位置分別配備限位開關(guān)，以滿足系統(tǒng)信號反饋和閥門控制要求。

表1 兩種比例噴霧閥主要技術(shù)參數(shù)對比表Tab.1 Comparison of main technical parameters of the two proportional spray valves

近年來，國內(nèi)部分調(diào)節(jié)閥廠家也陸續(xù)開展了該類閥門的國產(chǎn)化研發(fā)，但目前只實(shí)現(xiàn)了閥門本體和氣動執(zhí)行器的國產(chǎn)化研發(fā)，閥門氣控回路所需的配套電儀部件（如電磁閥、定位器等）仍舊依賴進(jìn)口。

1.3 電磁驅(qū)動角式控制閥

三代核電華龍一號的穩(wěn)壓器比例噴霧閥為電磁驅(qū)動截止型控制閥，現(xiàn)有核電市場供貨產(chǎn)品為F 公司的Y 型結(jié)構(gòu)電磁驅(qū)動控制閥。閥門由上部電磁驅(qū)動執(zhí)行器、下部閥門本體和外接電儀控制柜三大部分組成。閥體本體采用整體鍛造結(jié)構(gòu)，閥體上部為配套的電磁驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥芯調(diào)節(jié)部分采用截止型閥芯結(jié)構(gòu)。閥門動作過程中，通過電儀控制系統(tǒng)向電磁驅(qū)動執(zhí)行器輸入4~20 mA 的電流信號，轉(zhuǎn)化為電磁驅(qū)動力并帶動閥芯的上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)動作和調(diào)節(jié)功能。閥門位置反饋和調(diào)節(jié)通過電磁驅(qū)動執(zhí)行器內(nèi)置的位置反饋裝置實(shí)現(xiàn)，無需外接閥桿限位開關(guān)或閥位指示器。

2 主要性能對比

2.1 密封性

氣動V 型球芯比例噴霧閥采用傳統(tǒng)的填料密封結(jié)構(gòu)。電磁驅(qū)動比例噴霧閥采用整體屏蔽型結(jié)構(gòu)，無填料密封，實(shí)現(xiàn)了無外漏技術(shù)。因此，電磁驅(qū)動比例噴霧閥的密封結(jié)構(gòu)相比氣動V 型球芯比例噴霧閥更為安全可靠。

2.2 動作性能

對比電磁驅(qū)動型和氣動驅(qū)動型比例噴霧閥的產(chǎn)品實(shí)際測試參數(shù)，兩種比例噴霧閥的實(shí)際動作時間均滿足設(shè)計要求，均可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速響應(yīng)要求。

2.3 接口性能

對比兩種比例噴霧閥設(shè)計方案和產(chǎn)品實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸、重量等如表2。通過對比分析可知，電磁驅(qū)動型比例噴霧閥結(jié)構(gòu)更加緊湊，整機(jī)高度僅和重量僅為氣動V 型球芯式比例噴霧的一半重量。因此，采用電磁驅(qū)動型比例噴霧閥更方便于系統(tǒng)管線布置。

表2 兩種比例噴霧閥主要接口尺寸對比Tab.2 Comparison of main interface dimensions of the two proportional spray valves

2.4 運(yùn)行維護(hù)便利性

氣動V 型球芯比例噴霧閥，閥桿密封采用填料結(jié)構(gòu)，需要定期更換填料，且氣源控制回路所用電氣附件較多，包括定位器、電磁閥、過濾減壓閥、放大器、鎖氣器等氣源管路電氣附件，均需要在機(jī)組在役期間進(jìn)行定期的檢測和維修。

電磁驅(qū)動比例噴霧閥的閥門本體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用無填料密封結(jié)構(gòu)，無需定期更換非金屬填料且可實(shí)現(xiàn)無外漏。閥門控制系統(tǒng)主要由控制柜配合電磁驅(qū)動執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)，減少了外接電儀部件的定期檢修工作和維護(hù)成本，但需定期進(jìn)行控制柜的響應(yīng)特性的檢測和維護(hù)。

2.5 研發(fā)技術(shù)難度和成本

從整機(jī)的研發(fā)成本分析，兩種型式的比例噴霧閥均需進(jìn)行閥門本體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)（主要是配套電儀控制部件）的研發(fā)。

近年來，依托國家科技重大專項，國內(nèi)主要核電控制閥制造企業(yè)已成功研發(fā)出氣動V 型球芯比例噴霧閥閥門本體和氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過配套進(jìn)口的電儀部件，已完成整機(jī)的鑒定試驗(yàn)。從長遠(yuǎn)來看，若需徹底解決卡脖子問題，還需進(jìn)行氣控回路的電儀配套件的研發(fā)，因此，當(dāng)前的研發(fā)難度和成本主要在于電儀配套件。目前，國內(nèi)部分企業(yè)已啟動相關(guān)研發(fā)工作，預(yù)計在未來幾年會有望實(shí)現(xiàn)定位器、電磁閥、鎖氣器等全部電儀配套件的研發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣動V型球芯比例噴霧閥整機(jī)的完全國產(chǎn)化。

電磁驅(qū)動比例噴霧閥的應(yīng)用是三代核電引入的新技術(shù)，國內(nèi)缺乏此種比例噴霧閥的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即使放眼全球市場目前仍屬于壟斷供貨狀態(tài)，因此整機(jī)研發(fā)的技術(shù)難度相對較大。其研發(fā)過程的主要技術(shù)難點(diǎn)在于為閥門本體配套的電磁驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制柜，包括比例電磁鐵的設(shè)計和制造、比例電磁伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計和制造以及耐高溫型位移傳單器的設(shè)計和制造等，同樣需要具備豐富經(jīng)驗(yàn)的電磁閥專業(yè)廠家及控制柜、位移傳單器等專業(yè)廠家一起聯(lián)合研發(fā)。

3 結(jié) 論

氣動V 型球芯比例噴霧閥屬于早期及二代核電等傳統(tǒng)的噴霧閥，市場供貨和應(yīng)用相對成熟；電磁驅(qū)動型比例噴霧閥屬于三代核電創(chuàng)新技術(shù)；兩種結(jié)構(gòu)型式的比例噴霧閥適用的技術(shù)路線不同，但均可實(shí)現(xiàn)核電站穩(wěn)壓器系統(tǒng)所需的噴淋控制功能。因此，用戶可根據(jù)核電廠的技術(shù)路線和具體需求選擇相對適宜的產(chǎn)品。

在未來新建核電市場中，由于電磁驅(qū)動型比例噴霧閥采用電磁驅(qū)動原理，實(shí)現(xiàn)了在核島內(nèi)無氣源的狀態(tài)下的快速響應(yīng)和控制功能，避免內(nèi)置氣源儲罐帶來的超壓危險，因此擁有電動及氣動控制閥不具備的優(yōu)勢，預(yù)計將有較廣闊的應(yīng)用前景。