压水堆核电机组稳压器比例喷雾阀选型分析

2021-06-30张浩然曹晓宁蒋晓红曹月秋

南方能源建设 2021年2期

张浩然，曹晓宁，✉，蒋晓红，曹月秋

（1. 中广核工程有限公司，深圳518124；2. 鞍山电磁阀有限责任公司，鞍山114300）

压水堆核电系统中，稳压器是对一回路进行压力控制和超压保护的重要设备［1-7］。在机组正常运行及瞬态工况下，稳压器喷淋系统与电加热器配合，共同执行一回路压力控制功能。根据喷淋水来源不同，稳压器喷淋系统可分为主喷淋和辅助喷淋。其中，主喷淋管线有两条，由分别连接至两条冷管段的管线组成，每1 列稳压器比例喷雾阀上游与主管道冷段连接，下游两条支管到稳压器前连成一条共用喷淋母管后与喷淋管嘴相连。稳压器比例喷雾阀为主喷淋管线上的最重要设备，也是核电站系统中唯一的核安全1级控制阀［8-12］。

图1 压水堆核电系统主要阀门安装位置Fig.1 Installation position of main valves in PWR nuclear power system

1 总体结构特点介绍

1.1 主要设计参数

在二代及早期核电机组中，稳压器比例喷雾阀均采用气动V型球芯式控制阀。

在三代核电华龙一号技术路线引入新的设计理念，安全壳内减少气源，稳压器比例喷雾阀采用电磁驱动型控制阀［13］。

两种技术路线下的稳压器比例喷雾阀的主要技术指标要求如表1所示。

1.2 气动V型球芯控制阀

目前核电市场普遍使用的气动V 型球心式稳压器比例喷雾阀主要为F 公司产品。阀门整机由阀门本体、气动执行机构和控制系统三部分组成。其中，阀门本体采用锻造阀体，阀芯流量调节部分采用V 型球心，阀杆采用石墨填料密封结构。气动执行机构采用薄膜式，气源控制系统回路由电磁阀、定位器、过滤器、放大器、电气转换器、气体储罐等部件组成。通过系统为执行机构配备动力气源，在接收系统4~20 mA 的控制命令后，经电气转换器、定位器等实现阀门开启和关闭操作及比例调节控制功能。阀门调节特性为等百分比形式，满足阀门小开度工况下的流量调节需求。在阀门阀杆的开、关位置分别配备限位开关，以满足系统信号反馈和阀门控制要求。

表1 两种比例喷雾阀主要技术参数对比表Tab.1 Comparison of main technical parameters of the two proportional spray valves

近年来，国内部分调节阀厂家也陆续开展了该类阀门的国产化研发，但目前只实现了阀门本体和气动执行器的国产化研发，阀门气控回路所需的配套电仪部件（如电磁阀、定位器等）仍旧依赖进口。

1.3 电磁驱动角式控制阀

三代核电华龙一号的稳压器比例喷雾阀为电磁驱动截止型控制阀，现有核电市场供货产品为F 公司的Y 型结构电磁驱动控制阀。阀门由上部电磁驱动执行器、下部阀门本体和外接电仪控制柜三大部分组成。阀体本体采用整体锻造结构，阀体上部为配套的电磁驱动执行机构，阀芯调节部分采用截止型阀芯结构。阀门动作过程中，通过电仪控制系统向电磁驱动执行器输入4~20 mA 的电流信号，转化为电磁驱动力并带动阀芯的上下运动，实现阀门的开关动作和调节功能。阀门位置反馈和调节通过电磁驱动执行器内置的位置反馈装置实现，无需外接阀杆限位开关或阀位指示器。

2 主要性能对比

2.1 密封性

气动V 型球芯比例喷雾阀采用传统的填料密封结构。电磁驱动比例喷雾阀采用整体屏蔽型结构，无填料密封，实现了无外漏技术。因此，电磁驱动比例喷雾阀的密封结构相比气动V 型球芯比例喷雾阀更为安全可靠。

2.2 动作性能

对比电磁驱动型和气动驱动型比例喷雾阀的产品实际测试参数，两种比例喷雾阀的实际动作时间均满足设计要求，均可实现系统快速响应要求。

2.3 接口性能

对比两种比例喷雾阀设计方案和产品实际结构尺寸、重量等如表2。通过对比分析可知，电磁驱动型比例喷雾阀结构更加紧凑，整机高度仅和重量仅为气动V 型球芯式比例喷雾的一半重量。因此，采用电磁驱动型比例喷雾阀更方便于系统管线布置。

表2 两种比例喷雾阀主要接口尺寸对比Tab.2 Comparison of main interface dimensions of the two proportional spray valves

2.4 运行维护便利性

气动V 型球芯比例喷雾阀，阀杆密封采用填料结构，需要定期更换填料，且气源控制回路所用电气附件较多，包括定位器、电磁阀、过滤减压阀、放大器、锁气器等气源管路电气附件，均需要在机组在役期间进行定期的检测和维修。

电磁驱动比例喷雾阀的阀门本体和执行机构采用无填料密封结构，无需定期更换非金属填料且可实现无外漏。阀门控制系统主要由控制柜配合电磁驱动执行器实现，减少了外接电仪部件的定期检修工作和维护成本，但需定期进行控制柜的响应特性的检测和维护。

2.5 研发技术难度和成本

从整机的研发成本分析，两种型式的比例喷雾阀均需进行阀门本体、执行机构和控制系统（主要是配套电仪控制部件）的研发。

近年来，依托国家科技重大专项，国内主要核电控制阀制造企业已成功研发出气动V 型球芯比例喷雾阀阀门本体和气动执行机构，通过配套进口的电仪部件，已完成整机的鉴定试验。从长远来看，若需彻底解决卡脖子问题，还需进行气控回路的电仪配套件的研发，因此，当前的研发难度和成本主要在于电仪配套件。目前，国内部分企业已启动相关研发工作，预计在未来几年会有望实现定位器、电磁阀、锁气器等全部电仪配套件的研发，进而实现气动V型球芯比例喷雾阀整机的完全国产化。

电磁驱动比例喷雾阀的应用是三代核电引入的新技术，国内缺乏此种比例喷雾阀的经验数据，即使放眼全球市场目前仍属于垄断供货状态，因此整机研发的技术难度相对较大。其研发过程的主要技术难点在于为阀门本体配套的电磁驱动执行机构和控制柜，包括比例电磁铁的设计和制造、比例电磁伺服控制系统的设计和制造以及耐高温型位移传单器的设计和制造等，同样需要具备丰富经验的电磁阀专业厂家及控制柜、位移传单器等专业厂家一起联合研发。