曹月秋，曹晓宁，蒋晓红，吴松

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

0 引言

电磁驱动型稳压器喷淋阀是三代压水堆核电机组的重要设备之一，是核电站唯一的一台核安全一级的控制阀。该阀门位于稳压器系统主喷淋管线上，主要功能是参与一回路的压力控制。在DBC-1类工况（包括电厂启动和停运工况）时，稳压器通过喷淋阀和电加热器实现将一回路压力控制在允许的变化范围内，避免反应堆紧急停堆和稳压器安全阀动作；在DBC-2类工况（例如二次侧排热减少事故）中，操纵员手动开关稳压器喷淋阀对一回路进行降压，以便达到安全注入系统余热排出模式（RIS/RHR）接入的安全停堆状态［1］。

1 主要技术参数

三代核电华龙一号技术路线引入了全新设计理念，安全壳内减少气源，稳压器比例喷雾阀由二代机组的气动控制阀改为电磁驱动型控制阀。

电磁驱动型稳压器喷淋阀的主要设计参数指标如表1 所示。阀门在满足RCC-M［2］机械设备规范1级要求的同时，还需满足RCC-E［3］电气设备鉴定等级K2 的要求，并确保阀门整机满足一定地震工况下的可运行性和60 年内12 万次的循环寿命要求。阀门控制部分由外接在安全壳外的控制柜完成，控制柜和阀门本体之间应能保证至少150 m 的信号传输与控制能力。阀门电磁驱动执行器需满足RCC-E等级K2 的鉴定要求，控制柜需满足RCC-E 电气设备鉴定等级K3的要求。

表1 电磁驱动稳压器喷淋阀主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of solenoid pressurizer spray valve

2 结构设计

2.1 整机结构设计

电磁驱动型控制阀的核心原理是以电磁线圈带电并产生电磁力来带动阀门阀芯的运动，这是电磁驱动型控制阀与传统气动控制阀［5-7］或电动控制阀的最大区别所在。

综合考虑喷淋阀的工作条件和环境条件等要求，确定整机结构采用单向位置调节型高温高压比例电磁铁驱动机构，阀门流量调节系统采用先导式具有压力平衡功能的阀芯结构，整机采用无外漏的屏蔽套结构，控制系统采用分立式控制。阀门整体结构如图1 所示。其中，阀门本体采用整体锻造的角式结构，承压能力可达CL2500 磅级。电磁驱动执行器采用大功率比例电磁铁，直动型调节方式，电磁铁的外部防护采用整体锻造的高强度屏蔽套，同时确保导磁性能的同时满足高温、辐照等环境条件要求。阀位信号的检测与输出采用模拟量的输出方式，其位移传感器内置于电磁驱动执行器的上部。电磁驱动执行器与阀门本体通过中法兰螺栓连接，阀门中部设置热防护装置以减小介质热传导对阀门上部电磁驱动执行器的影响。

图1 电磁驱动型稳压器喷淋阀结构示意图Fig.1 Structural representation of solenoid pressurizer spray valve

阀门工作过程中通过电磁线圈接收比例电流信号后产生磁场，比例电磁铁的静铁芯和动铁芯组件之间产生电磁吸力，动铁芯组件带动阀芯组件运动并压缩平衡弹簧，实现阀门的开启、关闭及调节功能。同时，连接在动铁芯组件和阀芯组件上的信号发生器伴随阀芯组件运动并向阀位信号检测输出装置输出阀位信号，阀位信号检测输出装置再将检测到的位移信号以模拟量的形式输出至控制柜，控制柜再根据接收到的阀位信号判断阀门开度并根据需求进行调节，由此实现阀门的闭环控制。

2.2 比例电磁铁结构设计

电磁驱动型稳压器喷淋阀的动力源是电磁驱动执行器，其核心构成部分是比例电磁铁。

目前市场可见的传统比例电磁铁的极靴为不可调节的固定式极靴，即在比例电磁铁制造完成后极靴位置就完全固定。固定式极靴使得输出特性固化，无法针对配套设备和现场使用工况进行调整，因此其与配套设备和使用工况的匹配被限制，使用范围被限定。

在电磁驱动型稳压器喷淋阀的自主研发过程中，采用了极靴可调型比例电磁铁结构，通过在比例电磁铁的结构中设置调节件，改变极靴的形状，从而改变其输出特性。比例电磁铁的输出特性可以适度调节，因此其能够与配套阀门及其工况条件更好地匹配，使电磁驱动执行器的输出特性和使用更加灵活便捷。

2.3 热防护装置结构设计

电磁驱动型稳压器喷淋阀的最高运行温度要求为360 ℃。当高温介质流经阀门时，其热量会通过对流、辐射和传导三种方式传向比例电磁铁。由于电磁驱动执行器的比例电磁铁内部配置有电磁线圈、电器元件和电子元件，其耐热性能远远低于阀门的其他金属材料机械部分，加之比例电磁铁在电流通过时本身会产生一定的热量，再叠加介质热传导的影响，电磁驱动执行器整体处于较高的工作温度。这种工况将会加速电磁驱动执行器的热老化从而影响整机寿命，甚至导致绝缘破坏而致功能丧失。

为减轻下部阀体中流通介质的热传导对电磁驱动执行器的影响，在进行电磁驱动型稳压器喷淋阀结构设计时，在下部阀门本体与上部电磁驱动执行器之间设计了散热盘片，同时将电磁驱动执行器的屏蔽套外壳也加工成能够增大散热面积的盘片式结构，以最大程度地将电磁线圈通电产生的热量散发至周围环境中，并减轻介质的热量通过对流、传导和辐射对比例电磁铁的影响。

通过上述散热结构设计，在不影响高温电磁比例调节阀内部件运动功能的前提下，可实现对比例电磁铁的热防护功能。

2.4 阀位信号检测与输出装置设计

传统的气动或电动控制阀一般通过定位器或模拟量的阀位指示器进行阀位信号反馈。目前在役及在建机组使用的定位器或模拟量阀位指示器均为进口产品。国内市场正在进行自主化研发，但尚未实现落地应用。

在本项目电磁驱动型稳压器喷淋阀研发过程中，结合电磁驱动执行器的特殊结构，将阀位信号检测与输出功能设计与电磁驱动执行器结构设计结合，设计了内置于电磁驱动执行器屏蔽套中的信号检测与信号输出装置，可根据电磁驱动执行器内动铁芯和静铁芯的运动情况实时向控制柜反馈阀位状态。

2.5 先导式阀芯结构设计

考虑稳压器喷淋阀最大压差0.5 MPa 的调节阀范围要求，为提升调节精度并使得阀门整机结构设计更加紧凑，电磁驱动型稳压器喷淋阀的阀芯调节阀系统设计为先导式的阀芯结构［8-12］。通过先导阀芯平衡主阀座上下腔压力，在电磁驱动力、弹簧力等的作用下，实现了阀门在2～5 s 内的快速开启动作，实现了阀门的精密调节功能，实现了耐高温、高精度、具有补偿功能的平衡弹簧阀芯系统设计。

3 试验验证

稳压器喷淋阀是核电站一回路系统的重要设备，为确保研制产品满足电厂的设计要求并成功落地应用，根据阀门在电厂中的安装位置及所在环境条件、运行老化等要求，确定了样机的鉴定试验项目［13-15］如表2 所示。其中阀门本体承压机械组件的鉴定参照ASME QME-1［16］确定，阀门电磁驱动执行器按照RCC-E K2 级的要求确定，阀门配套控制器按照RCC-E K3级的要求确定。

样机成功通过了表2 所列的全套鉴定试验，证明本次研发的稳压器喷淋阀样机可满足机组一回路稳压器喷淋阀的正常运行老化及事故环境条件要求。

表2 电磁驱动型稳压器喷淋阀鉴定试验项目Tab.2 qualification test item for solenoid pressurizer spray valve

4 结论

通过本次自主化研发，掌握了电磁驱动型稳压器喷淋阀设计技术，解决了电磁驱动结构的技术难点和阀门在高温高压介质的工况适应性问题，实现了电磁驱动型稳压器喷淋阀的系统功能，满足三代核电稳压器喷淋阀的发展需求。同时，采用电磁驱动型控制阀，可减少核岛内气源的布置并实现阀门的快速响应与调节控制，拥有传统气动及电动型控制阀不可替代的技术优势，具有可观的市场前景，可在后续核电项目及类似民用市场中推广应用。