核電站用氣動調節閥的選型與應用問題探究

尚雪蓮

(中國核電工程有限公司電氣儀控所，北京 100840)

0 引言

作為過程控制工業中最常用的終端控制元件，調節閥在過程控制中起著極為重要的作用。它用來接收信號，并根據調節器輸出來改變閥門開度，從而調整工藝參數，使之趨向于期望值，其應用質量直接反映在系統的調節品質上。

核級氣動調節閥設計的正確選型是確保調節閥正確合理應用的根本和關鍵;錯誤的設計選型不僅影響系統的穩定性，而且還可能威脅到整個工業生產過程的安全性。

目前，我國的核電機組所使用的調節閥大部分為氣動調節閥。由于氣動調節閥品種、規格繁多，故設計選型要求設計人員具備多專業的背景知識。而核電站工藝管道中介質的理化性能千差萬別、工況參數復雜多變，與常規工業相比，核電站對氣動調節閥功能、環境、使用壽命、設備可用性及可靠性等方面的要求更為苛刻。這就使得核電氣動調節閥的選型難度與重要性更加凸顯出來。

1 氣動調節閥的選型

1.1 輸入條件及選型原則

氣動調節閥的選型需綜合考慮工況條件、調節要求、環境狀況、使用壽命、安裝維修以及性價比等因素。此外，以往工程的使用經驗也在選配氣動調節閥的過程中發揮重要作用。

一般而言，氣動調節閥的選型所需的輸入條件包括以下幾個方面。

①工藝參數:它主要包括介質類型、各工況下的上下游壓力及其對應的流量要求、管路的設計溫度和壓力、閥門上下游的最大壓差等。如有較為惡劣的瞬態工況，還應明確瞬態情況下的工況條件。

②工藝系統控制要求:它主要包括工藝系統對故障位置的設置要求以及基本調節要求之外的其他控制要求(如是否有快開或快關要求、是否需要設置電磁閥、是否有遠程閥位指示要求、是否需要設置手輪等輔助裝置等)。

③ 過程連接方式(如法蘭連接、焊接等)及材質要求。

④密封及泄漏量的要求:從工藝系統設計的角度，明確對閥門泄漏率(內漏)的要求;對于有毒、高溫高壓或放射性的介質，或是當工藝過程對密封性有較高要求時，還應明確對填料函的要求，以防介質外漏給運行的安全穩定性和經濟性造成的影響。

⑤尺寸與布置要求:考慮到現場安裝與維護，對外形尺寸提出限制要求。

⑥環境條件:對安裝在易燃易爆區的閥門，應當考慮防爆要求。

⑦鑒定與分級:它主要包括閥門的RCCM制造規范等級、電氣附件的RCCE鑒定等級、抗震分級、防爆分級以及在設計基準事故下的可用要求等。

⑧質保與清潔度要求:根據介質情況，明確質保與清潔度的要求。

⑨其他特殊要求。

1.2 氣動調節閥的選型過程

1.2.1 鑒定要求

對核級閥門而言，能夠滿足鑒定要求是閥門選型與應用的最基本前提。在核級閥門選型時，應首先依照《壓水堆核電站核島機械設備設計建造規則》(RCCM)、《壓水堆核電站核島電氣設備設計和建造規則》(RCCE)對閥門的鑒定等級、抗震分級以及設計基準事故要求等進行審查，以確保閥門滿足鑒定要求。對于不能滿足鑒定要求的閥門，閥門需通過鑒定或變更選型。

1.2.2 結構形式的確定

調節閥結構形式的確定，應根據實際生產中的工藝條件(溫度、壓力、流量等)、工藝介質的特性(如黏度、腐蝕性、有無顆粒、有無毒害等)、調節系統的要求(調節范圍、泄漏量、噪聲)、管系布置以及空間情況等因素綜合考慮。

一般而言，在流量、壓差和泄漏量小的場合，選擇單座調節閥即可滿足生產需要;套筒調節閥最適合應用在介質壓差和振動大的場合;蝶閥雖然結構緊湊，但調節性能和關閥密閉性能較差，一般適用于低壓差、大流量、泄漏量要求不高的場合，尤其適用于濃稠漿狀及含有顆粒介質的情況。此外，角閥適用于高黏度、含懸浮物和顆粒狀流體的場合或要求用直角配管的地方;與普通的直通單座閥相比，角閥具有防堵性能好、流阻小以及流量系數比單座閥大等優點［1］。這幾種結構的調節閥在核電站中的應用都較為普遍。

1.2.3 流量特性的選擇

調節閥的流量特性可表現為固有流量特性和工作流量特性［2］。固有流量特性分為線性、等百分比(對數)、拋物線和快開這幾種形式。在實際工況中，閥門的工作流量特性相對固有流量特性會存在一定的畸變［3］。因此，在確定調節閥的流量特性時，還應充分考慮畸變所帶來的影響。對串聯管道而言，壓降比(調節閥可控制的最大流量所對應閥門進出口差壓和系統差壓之比)越小，工作流量特性與固有流量特性偏差越大［4－5］。目前，國內核電站中應用最多的是線性和等百分比這兩種形式。

調節閥的流量特性可以根據控制原理中的補償原理進行選取，如根據壓降比、被控對象特性及負荷變化情況來選擇等;還可以根據以往類似工況經驗，結合設備供貨商閥門的實際固有流量特性進行選取。

1.2.4 閥門口徑的確定

閥門的流量系數與可調比是表征閥門流通、調節能力的重要參數，也是選擇調節閥的主要參數之一。由于工藝系統條件不同，在某些情況下要求閥門需要有較寬的調節范圍。目前，國產閥門的可調比一般為30。根據計算所得的流量系數、可調范圍，再結合生產廠家的產品特性，就可以選擇合適的閥門口徑，以滿足工藝系統的設計需求。

1.2.5 電氣附件的選擇

氣動調節閥的電氣附件主要有電氣轉換器、定位器、限位開關、電磁閥等。在滿足過程控制要求的基礎上，還應重點查驗這些附件的鑒定等級是否滿足要求。

近年來，智能電氣轉換定位器在普通工業用閥中占據的份額正在逐步增大。截止目前，智能電氣轉換定位器的核級鑒定尚未全部完成。國內外目前只有FISHER的FIELDVUE硬件部分通過了鑒定試驗，軟件部分的鑒定試驗尚未完成。因此，在目前國內的核電機組中，有核級鑒定要求的閥門使用的仍然是“電氣轉換器+定位器”。

此外，對于有K1級鑒定要求的限位開關，還應關注其自帶電纜是否隨開關本體一同通過了K1級質量鑒定，以確保其能滿足高溫高濕情況下的密封要求。

1.2.6 其他細化設計

在完成了上述初步選型與計算步驟之后，還應當針對管路設計及工藝系統調節的具體要求，進行以下細化設計。

①材質的選擇:調節閥承壓部件的材質應充分考慮到介質的溫度、壓力和腐蝕性，起節流作用的閥內組件則應具有良好的耐腐蝕和耐沖刷性［6］。核級閥門的材質應能滿足RCCM的相關要求。

②設計應保證調節閥能夠滿足工藝系統的控制要求，如閥門的氣開、氣閉性，閥門的氣路以及執行機構動作等方面的要求。

③閥門的內漏與外漏均需滿足工藝系統設計要求。為解決閥門的外漏問題，在核電站中有一種特殊型式的填料函結構，即雙填料的密封方式。雙填料密封組件有上下兩組串聯的閥桿填料，主要用于高壓介質，或介質放射性較高、需防止介質外泄的場合，也可用于高真空［7］。在國內核電機組中，波紋管密封及雙填料帶引漏的密封方式都有較多的應用［8］。

④核實閥門的連接方式與外形尺寸是否滿足現場要求。

⑤關閉壓差與允許壓差:在選擇執行機構作用力時，應重點考慮閥芯全關時的壓差。所選閥門的最大允許壓差應大于關閉壓差，以防止出現“關不死”或“打不開”的現象［9］。

⑥汽蝕與閃蒸:閥門的設計應避免汽蝕和閃蒸的發生，必要時可采用抗汽蝕或抗閃蒸的結構。

⑦噪聲:在自控系統中，調節閥是最大的噪聲源。當噪聲超過有關規定時(一般為85 dB)，應考慮采用低噪聲結構。

⑧可維修性與性價比。

2 核電用氣動調節閥現狀

由于核電行業的特殊性，氣動調節閥在該行業應用中還需滿足一系列的特殊要求。在《壓水堆核電站核島機械設備設計建造規則》(RCCM)和《壓水堆核電站核島電氣設備設計和建造規則》(RCCE)中，對核級閥門的制造與鑒定提出了非常詳盡的要求。這些要求是確保核電設備安全性與可靠性的重要保證，也是區別核電用設備與普通工業用閥的重要因素。

除此之外，核電設備在設計與功能需求方面還存在一定的特殊性，這使得核電用閥的選型更為復雜，舉例如下。

①耐輻照性能:由于部分閥門被安裝在高放射區，因此，對閥門及其電氣附件的材質選擇與設計提出了一定的要求。為保證一定的使用壽命，必須對這些環節進行特殊設計。

②密封性能:由于部分介質為高放射性或高溫高壓介質，一旦泄漏到空氣中將帶來很大的安全隱患。為防止閥門外漏，對填料函的設計提出了更高的要求，如采用波紋管密封或雙填料密封。

③結構的穩定性:部分閥門要求在地震情況下仍可用。

④水淹:部分閥門要求在水淹情況下可用。

⑤事故瞬態:部分閥門要求在非常惡劣的瞬態工況下可用。

⑥閥門的分體安裝與氣路:由于部分閥門所處的管線振動較大，另有部分閥門所處的安裝區域為高放射區或是其他不易接近的區域，為保證閥門性能和便于運行人員維修，需將閥門本體與電氣附件分開安裝。

⑦限流擋塊及其可調節性:某些特殊閥門正常運行期間不需要全行程可調，為防止誤動，設有位置可變的限流擋塊。

⑧高穩定性:為保證核電安全可靠運行，要求所設計的閥門具有較高的穩定性。

⑨可拆卸性:位于放射區內的閥門應具有良好的可拆卸性，以盡量減少維護人員停留在現場的時間。

核電站用氣動閥門的特殊技術要求還有很多種，以上僅例舉了其中一些較為常見的情況。正是由于這些特殊要求，對核級閥門而言，只有取得相關資質的供貨商才能供貨。目前，國內具有核級閥門供貨能力的生產廠家只有上海自動化儀表七廠、中核蘇閥、浙江三方幾個廠家。

與國外成熟的調節閥產品相比，國產調節閥還存在許多不足，如國產調節閥壽命短、穩定性較差;應用于高溫高壓、壓差較高的嚴酷工況的調節閥，其產品性能和穩定性尚無法提供保證;國產調節閥配套使用的核級電氣附件仍被國外供貨商壟斷，自主品牌較少。此外，目前國內各閥門廠的核級資質取證尚不完善，核級產品的種類不完備，尤其對于技術要求較高的調節閥，國內閥門廠在設計、取證和試驗驗證等方面都還存在很大問題［10］。

盡管目前國內品牌在中低端市場已占有較大份額，但國外品牌占領核級調節閥高端市場的格局遠未打破，國產化核電用調節閥產品仍有待于進一步開發。

國內閥門廠家現在也已經意識到這一點，并積極努力地推進核級調節閥的開發。以上自儀七廠為例，該公司已于2010年12月與英國IMI公司設立合資公司，專門引進、消化和吸收核電調節閥技術。各電氣附件的國產化也正在進行中，中國核電工程有限公司與鞍山電磁閥廠合作研發的核級電磁閥就是其中的一個例子。

3 設計經驗總結與反饋

結合各項目設計、采購、調試及運行反饋情況，對選型過程中存在的特殊性與難點進行分析總結。

3.1 執行機構的特殊設計

位于余熱排出系統換熱器的旁通管線上的RRA013VP［7］屬于安全二級、抗震1A類的閥門。該閥門要求在水淹情況下和設計基準事故下可用，閥門應能夠承受熱瞬態的沖擊，且要求在失氣狀態下至少在一定時間內保持原位。在M310機組設計中，該閥門屬于技術要求相對較高、功能作用較為重要的調節閥。在目前的市場情況下，只有FISHER公司能夠提供此類產品，具有一定的壟斷性。因此，研究該閥門的產品結構原理，對于推進設備的國產化意義重大。

RRA013VP作為重要的核二級閥門，除核級設備的材料、制造等方面的一些特殊要求外，其特殊性還集中體現在水淹與保位設計方面。由于該閥門要求在水淹條件下仍然可用，因此在閥門氣路設計上必須特殊考慮。FISHER公司在早期推出的產品為活塞式執行機構。這些產品在我國的大亞灣和嶺澳一期核電站運行良好。但近年來根據EDF與法馬通的要求，FISHER已將原來的活塞式執行機構更新換代為氣動薄膜式執行機構，并通過了水淹試驗的驗證。

對于在水淹條件下可能會進水的氣動膜頭或氣缸結構，可采用分體式的方法，將執行機構安裝于較高的位置上，以避開水淹深度。但對于必須安裝于閥體之上的閥門定位器，要想保證其可用性，需進行特殊設計。在早期的閥門設計中，FISHER公司將定位器設置在氣缸結構的頂部，并在定位器上加了一根排氣管，用來防止定位器排氣口被水淹沒，從而保證了定位器的排氣出口壓力是大氣壓力，而不是大氣壓力加上水壓。為徹底解決這一問題，FISHER公司按照淹沒于水下20 m的設計考慮，對不增加排氣管的定位器進行了試驗驗證。試驗假設執行機構的各個環節(如膜片內部、過濾減壓閥等)都已進水，且進水壓力應該等于空氣大氣壓+20 m的水柱。試驗結果表明，當最小氣源壓力大于480 kPa時，FISHER的定位器就能滿足該水淹試驗的要求。因此，目前FISHER公司設計的調節閥已不需要在定位器上增加排氣管。

3.2 大可調比閥門的選型設計

RRI155VN是M310機組中另一個選型較為困難的閥門。該閥門是用來控制RCV系統下泄流量的溫度調節閥［7］，閥門所處的工藝系統在不同工況下的參數變動很大。以嶺澳二期核電站為例，RRI155VN選型結果如表1所示。

表1 RRI155VN選型結果Tab.1 Model selection for RRI155VN

由計算結果可知，該閥門要求的流通能力較大，且可調范圍廣、可調比高。

在大亞灣和嶺澳一期，RRI155VN選用的是AMRI公司的蝶閥。根據運行經驗反饋，在正常運行工況下，該型號的閥門橡膠內襯存在一個循環周期內破損的現象，且內襯破損后導致閥門的調節性能變差。經分析，由于該閥門經常處在小流量開度范圍內，水流通過時在蝶板背面容易產生漩渦，出現低壓區，從而造成汽蝕現象;閥門內襯的橡膠材質作為一種有機材料，容易發生老化，并被進一步沖蝕。內襯沖蝕后的閥門調節性能變差，被沖蝕掉的橡膠碎片進入管道還可能造成其他設備的異常。

此外，運行人員還反饋稱該閥門在小開度下的調節性能不佳。但是一般情況下，調節閥在小開度下都無法取得最佳的調節性能。若要從根本上解決這一問題，只能通過修改管路設計，增加旁路，并設置兩個調節閥來實現。該方案可從根本上解決目前一個閥門無法兼顧多個工況的調節精度的難題，但該設計從根本上改變了系統布置和設計，對控制系統的改變也很大，需要做大量的工程分析和風險評估。設備的增加也會帶來采購費用以及后期維護費用的增加。經咨詢，法國同類電站也沒有類似的改造經驗反饋。而在大亞灣和嶺澳一期最初的設計中選擇蝶閥是因為該閥門所處的閉環回路并不要求進行精確調節。市場調研發現，其他結構形式的調節閥均很難滿足如此大的可調比要求。以FISHER公司的閥門為例，查詢FISHER公司的產品樣本不難發現，需采購更大口徑的閥門才能滿足我們的設計要求。而該閥門布置于N核輔助廠房內，距離地面5 m處，布置空間狹小，閥門擴徑之后的外形尺寸遠大于該處的布置空間。再者，如此大規模的擴徑對管路介質造成的擾動勢必會影響管路的流動狀態，從而進一步影響調節效果。

在這樣的情況下，再結合大亞灣和嶺澳一期的運行情況，盡管小開度情況下調節性能仍無法達到最優的效果，但被調量的波動范圍均能滿足工藝系統的設計要求。經過上述分析和調研之后，在設計時將選型與改造的重點放在了尋找既可滿足大可調比又具有較長使用壽命的閥門方面。

在嶺澳二期自主設計選型期間，分別調研了多家供貨商的產品情況，并最終在VERDELET提供的兩套選型方案中采納了與FRAMATOME技術改造時相同的一套方案，即采用“Z MATIC”型蝶閥。該閥門為全金屬結構，且其蝶板的結構優化了流體通過閥門時的壓差分布，避免了汽蝕現象，解決了大亞灣和嶺澳一期出現的閥門內襯被沖蝕的問題。該閥門可調比較寬，RRI155VN所用工況點對應的蝶板轉動角度可控制在14°～74°之間，基本可滿足最小流量工況下的調節要求。目前，該閥門在嶺澳二期運行良好，無不良反饋。

3.3 三通調節閥的設計

三通調節閥作為一種特殊結構的調節閥，可代替兩個直通單座調節閥用于分流和合流。其選型與普通的兩通閥存在一定區別。

3.3.1 流通能力的選擇

以M310機組輔助給水系統中的ASG160VD為例，該閥門的工藝專業的設計要求如表2所示。

表2 ASG160VD設計技術要求Tab.2 Design requirement of ASG160VD

該閥門為分流閥。從表2可知，隨著行程的逐漸增大，該閥門兩個出口方向的流量分別逐漸增大和減小，但總流量維持不變。對于合流閥與分流閥而言，應重點關注流過閥門的總流量是否符合設計要求。

在與設備供貨商溝通的過程中發現，部分廠家出于節能的考慮，提供了流通能力高于設計需求值的閥門。但在隨后的項目調試過程中發現，流通能力過高會帶來管系壓阻值的降低，導致上游泵的超流量。因此，對于該類閥門，應與設備廠家進行充分的溝通，盡量使所供閥門逼近設計需求值。

3.3.2 故障安全位置的特殊性

三通閥除了在流通能力的考量上與兩通閥不同之外，它在故障安全位置的設計上也存在特殊性。三通調節閥利用閥芯自身導向，更換氣開、氣關時必須更換執行機構。因此，在對三通閥的故障安全位置作出要求時，必須明確故障開(關)時的位置類型，否則將可能導致閥門的不可用。

4 結束語

核電用氣動調節閥與普通工業用閥相比，設計工況復雜多變、工作環境更為嚴酷，在功能及可靠性、安全性等方面都有著更為特殊和嚴格的要求。因此，核電用氣動調節閥在選型和設計過程中，在保證閥門正常調節性能的基礎上，還應當充分考慮到核電閥門的特殊性，即綜合考慮諸如輻照、密封、承壓、特殊工況點的調節范圍、系統設置所能接納的壓力損失、特殊工作環境等方面的要求。針對性的特殊設計、完整的試驗或應用業績證明，核電用調節閥確保了核電用閥的安全性和可靠性，這是核電閥門選型中重點考量的一個方面，也是閥門國產化過程中不可缺少的重要環節。

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