核電站電磁驅(qū)動型穩(wěn)壓器噴淋閥設計綜述

曹月秋，曹曉寧，蔣曉紅，吳松

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

0 引言

電磁驅(qū)動型穩(wěn)壓器噴淋閥是三代壓水堆核電機組的重要設備之一，是核電站唯一的一臺核安全一級的控制閥。該閥門位于穩(wěn)壓器系統(tǒng)主噴淋管線上，主要功能是參與一回路的壓力控制。在DBC-1類工況（包括電廠啟動和停運工況）時，穩(wěn)壓器通過噴淋閥和電加熱器實現(xiàn)將一回路壓力控制在允許的變化范圍內(nèi)，避免反應堆緊急停堆和穩(wěn)壓器安全閥動作；在DBC-2類工況（例如二次側(cè)排熱減少事故）中，操縱員手動開關(guān)穩(wěn)壓器噴淋閥對一回路進行降壓，以便達到安全注入系統(tǒng)余熱排出模式（RIS/RHR）接入的安全停堆狀態(tài)［1］。

1 主要技術(shù)參數(shù)

三代核電華龍一號技術(shù)路線引入了全新設計理念，安全殼內(nèi)減少氣源，穩(wěn)壓器比例噴霧閥由二代機組的氣動控制閥改為電磁驅(qū)動型控制閥。

電磁驅(qū)動型穩(wěn)壓器噴淋閥的主要設計參數(shù)指標如表1 所示。閥門在滿足RCC-M［2］機械設備規(guī)范1級要求的同時，還需滿足RCC-E［3］電氣設備鑒定等級K2 的要求，并確保閥門整機滿足一定地震工況下的可運行性和60 年內(nèi)12 萬次的循環(huán)壽命要求。閥門控制部分由外接在安全殼外的控制柜完成，控制柜和閥門本體之間應能保證至少150 m 的信號傳輸與控制能力。閥門電磁驅(qū)動執(zhí)行器需滿足RCC-E等級K2 的鑒定要求，控制柜需滿足RCC-E 電氣設備鑒定等級K3的要求。

表1 電磁驅(qū)動穩(wěn)壓器噴淋閥主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of solenoid pressurizer spray valve

2 結(jié)構(gòu)設計

2.1 整機結(jié)構(gòu)設計

電磁驅(qū)動型控制閥的核心原理是以電磁線圈帶電并產(chǎn)生電磁力來帶動閥門閥芯的運動，這是電磁驅(qū)動型控制閥與傳統(tǒng)氣動控制閥［5-7］或電動控制閥的最大區(qū)別所在。

綜合考慮噴淋閥的工作條件和環(huán)境條件等要求，確定整機結(jié)構(gòu)采用單向位置調(diào)節(jié)型高溫高壓比例電磁鐵驅(qū)動機構(gòu)，閥門流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用先導式具有壓力平衡功能的閥芯結(jié)構(gòu)，整機采用無外漏的屏蔽套結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)采用分立式控制。閥門整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，閥門本體采用整體鍛造的角式結(jié)構(gòu)，承壓能力可達CL2500 磅級。電磁驅(qū)動執(zhí)行器采用大功率比例電磁鐵，直動型調(diào)節(jié)方式，電磁鐵的外部防護采用整體鍛造的高強度屏蔽套，同時確保導磁性能的同時滿足高溫、輻照等環(huán)境條件要求。閥位信號的檢測與輸出采用模擬量的輸出方式，其位移傳感器內(nèi)置于電磁驅(qū)動執(zhí)行器的上部。電磁驅(qū)動執(zhí)行器與閥門本體通過中法蘭螺栓連接，閥門中部設置熱防護裝置以減小介質(zhì)熱傳導對閥門上部電磁驅(qū)動執(zhí)行器的影響。

圖1 電磁驅(qū)動型穩(wěn)壓器噴淋閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural representation of solenoid pressurizer spray valve

閥門工作過程中通過電磁線圈接收比例電流信號后產(chǎn)生磁場，比例電磁鐵的靜鐵芯和動鐵芯組件之間產(chǎn)生電磁吸力，動鐵芯組件帶動閥芯組件運動并壓縮平衡彈簧，實現(xiàn)閥門的開啟、關(guān)閉及調(diào)節(jié)功能。同時，連接在動鐵芯組件和閥芯組件上的信號發(fā)生器伴隨閥芯組件運動并向閥位信號檢測輸出裝置輸出閥位信號，閥位信號檢測輸出裝置再將檢測到的位移信號以模擬量的形式輸出至控制柜，控制柜再根據(jù)接收到的閥位信號判斷閥門開度并根據(jù)需求進行調(diào)節(jié)，由此實現(xiàn)閥門的閉環(huán)控制。

2.2 比例電磁鐵結(jié)構(gòu)設計

電磁驅(qū)動型穩(wěn)壓器噴淋閥的動力源是電磁驅(qū)動執(zhí)行器，其核心構(gòu)成部分是比例電磁鐵。

目前市場可見的傳統(tǒng)比例電磁鐵的極靴為不可調(diào)節(jié)的固定式極靴，即在比例電磁鐵制造完成后極靴位置就完全固定。固定式極靴使得輸出特性固化，無法針對配套設備和現(xiàn)場使用工況進行調(diào)整，因此其與配套設備和使用工況的匹配被限制，使用范圍被限定。

在電磁驅(qū)動型穩(wěn)壓器噴淋閥的自主研發(fā)過程中，采用了極靴可調(diào)型比例電磁鐵結(jié)構(gòu)，通過在比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)中設置調(diào)節(jié)件，改變極靴的形狀，從而改變其輸出特性。比例電磁鐵的輸出特性可以適度調(diào)節(jié)，因此其能夠與配套閥門及其工況條件更好地匹配，使電磁驅(qū)動執(zhí)行器的輸出特性和使用更加靈活便捷。

2.3 熱防護裝置結(jié)構(gòu)設計

電磁驅(qū)動型穩(wěn)壓器噴淋閥的最高運行溫度要求為360 ℃。當高溫介質(zhì)流經(jīng)閥門時，其熱量會通過對流、輻射和傳導三種方式傳向比例電磁鐵。由于電磁驅(qū)動執(zhí)行器的比例電磁鐵內(nèi)部配置有電磁線圈、電器元件和電子元件，其耐熱性能遠遠低于閥門的其他金屬材料機械部分，加之比例電磁鐵在電流通過時本身會產(chǎn)生一定的熱量，再疊加介質(zhì)熱傳導的影響，電磁驅(qū)動執(zhí)行器整體處于較高的工作溫度。這種工況將會加速電磁驅(qū)動執(zhí)行器的熱老化從而影響整機壽命，甚至導致絕緣破壞而致功能喪失。

為減輕下部閥體中流通介質(zhì)的熱傳導對電磁驅(qū)動執(zhí)行器的影響，在進行電磁驅(qū)動型穩(wěn)壓器噴淋閥結(jié)構(gòu)設計時，在下部閥門本體與上部電磁驅(qū)動執(zhí)行器之間設計了散熱盤片，同時將電磁驅(qū)動執(zhí)行器的屏蔽套外殼也加工成能夠增大散熱面積的盤片式結(jié)構(gòu)，以最大程度地將電磁線圈通電產(chǎn)生的熱量散發(fā)至周圍環(huán)境中，并減輕介質(zhì)的熱量通過對流、傳導和輻射對比例電磁鐵的影響。

通過上述散熱結(jié)構(gòu)設計，在不影響高溫電磁比例調(diào)節(jié)閥內(nèi)部件運動功能的前提下，可實現(xiàn)對比例電磁鐵的熱防護功能。

2.4 閥位信號檢測與輸出裝置設計

傳統(tǒng)的氣動或電動控制閥一般通過定位器或模擬量的閥位指示器進行閥位信號反饋。目前在役及在建機組使用的定位器或模擬量閥位指示器均為進口產(chǎn)品。國內(nèi)市場正在進行自主化研發(fā)，但尚未實現(xiàn)落地應用。

在本項目電磁驅(qū)動型穩(wěn)壓器噴淋閥研發(fā)過程中，結(jié)合電磁驅(qū)動執(zhí)行器的特殊結(jié)構(gòu)，將閥位信號檢測與輸出功能設計與電磁驅(qū)動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設計結(jié)合，設計了內(nèi)置于電磁驅(qū)動執(zhí)行器屏蔽套中的信號檢測與信號輸出裝置，可根據(jù)電磁驅(qū)動執(zhí)行器內(nèi)動鐵芯和靜鐵芯的運動情況實時向控制柜反饋閥位狀態(tài)。

2.5 先導式閥芯結(jié)構(gòu)設計

考慮穩(wěn)壓器噴淋閥最大壓差0.5 MPa 的調(diào)節(jié)閥范圍要求，為提升調(diào)節(jié)精度并使得閥門整機結(jié)構(gòu)設計更加緊湊，電磁驅(qū)動型穩(wěn)壓器噴淋閥的閥芯調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)設計為先導式的閥芯結(jié)構(gòu)［8-12］。通過先導閥芯平衡主閥座上下腔壓力，在電磁驅(qū)動力、彈簧力等的作用下，實現(xiàn)了閥門在2～5 s 內(nèi)的快速開啟動作，實現(xiàn)了閥門的精密調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)了耐高溫、高精度、具有補償功能的平衡彈簧閥芯系統(tǒng)設計。

3 試驗驗證

穩(wěn)壓器噴淋閥是核電站一回路系統(tǒng)的重要設備，為確保研制產(chǎn)品滿足電廠的設計要求并成功落地應用，根據(jù)閥門在電廠中的安裝位置及所在環(huán)境條件、運行老化等要求，確定了樣機的鑒定試驗項目［13-15］如表2 所示。其中閥門本體承壓機械組件的鑒定參照ASME QME-1［16］確定，閥門電磁驅(qū)動執(zhí)行器按照RCC-E K2 級的要求確定，閥門配套控制器按照RCC-E K3級的要求確定。

樣機成功通過了表2 所列的全套鑒定試驗，證明本次研發(fā)的穩(wěn)壓器噴淋閥樣機可滿足機組一回路穩(wěn)壓器噴淋閥的正常運行老化及事故環(huán)境條件要求。

表2 電磁驅(qū)動型穩(wěn)壓器噴淋閥鑒定試驗項目Tab.2 qualification test item for solenoid pressurizer spray valve

4 結(jié)論

通過本次自主化研發(fā)，掌握了電磁驅(qū)動型穩(wěn)壓器噴淋閥設計技術(shù)，解決了電磁驅(qū)動結(jié)構(gòu)的技術(shù)難點和閥門在高溫高壓介質(zhì)的工況適應性問題，實現(xiàn)了電磁驅(qū)動型穩(wěn)壓器噴淋閥的系統(tǒng)功能，滿足三代核電穩(wěn)壓器噴淋閥的發(fā)展需求。同時，采用電磁驅(qū)動型控制閥，可減少核島內(nèi)氣源的布置并實現(xiàn)閥門的快速響應與調(diào)節(jié)控制，擁有傳統(tǒng)氣動及電動型控制閥不可替代的技術(shù)優(yōu)勢，具有可觀的市場前景，可在后續(xù)核電項目及類似民用市場中推廣應用。