停堆系統快開閥性能分析與改進

王曉峰 徐清華 李知博 金宏卓

(中核核電運行管理有限公司,浙江 嘉興 314300)

停堆系統是重水堆所特有的一個安全系統，也是反應堆安全系統中的一個重要系統。停堆系統中有6個快開閥，其作用就是當主控室發出停堆信號后，使貯存箱內的高壓高純氦氣將6個毒物罐內的硝酸釓注入重水溶液，以迅速終止鏈式反應、降低反應堆功率，從而達到停堆的目的。整個停堆所用時間主要包括停堆信號給出/傳輸時間、快開閥開啟時間和毒物分配時間，其中快開閥開啟時間尤其重要。但在現場實際操作中發現，由于閥門設計上存在問題，導致閥門開啟時間不能滿足設計要求。因此筆者針對上述問題，對停堆系統快開閥的性能和故障原因進行分析，提出提高快開閥開啟時間的改進措施。

1 停堆系統現場閥門布置①

某停堆系統快開閥組部分采用的是“三取二”邏輯，閥門布置如圖1所示。正常工況下，停堆系統閥門處于常閉狀態。當某個通道(如G)脫扣時，隸屬該通道的兩個快開閥(如PV-1G/PV-2G)迅速開啟，而該通道的排放閥(PV-3G)則關閉，使貯存箱壓力僅擴散至PV-2J和PV-3G入口，而不對毒物罐內的毒物產生影響。若該通道復位，兩個快開閥(PV-1G/ PV-2G)關閉，相應的排放閥(PV-3G)開啟，PV-1G、PV-2J和PV-3G三個閥門之間存留的少量與貯存箱內壓力相等的氦氣被排至廠房大氣中，當這部分氦氣卸壓至70kPa(即逆止閥的回座壓力)時，逆止閥正向關閉。若通道G脫扣后另外一個通道J又脫扣，即PV-1J/ PV-2J開啟、PV-3J關閉，這樣就會在TK10與PV-1G、PV-2J所在管線間形成通路，氦氣貯存箱內的高壓氦氣就迅速將可用的毒物罐內的毒物壓入堆芯，停堆系統立即動作。

圖1 某停堆系統中的閥門布置示意圖

2 閥門結構原理

每個閥門的氣缸頂蓋上都裝配了5個快速進/排放口，既用于快速進氣又用于快速排氣，改造前的閥門結構如圖2所示。快速排放閥的工作原理如圖3所示，當電磁閥得電時，進氣管線中的壓力大于氣缸內部壓力，儀表壓空通過電磁閥進入快速排放口的入口經出口到達閥門氣缸，壓縮彈簧使閥門關上；當電磁閥失電時，進氣管線中的壓力小于氣缸內部壓力，電磁閥先將快速排放閥入口到電磁閥儀表壓空管中的氣排空，然后閥門氣缸的儀表壓空通過快速排放閥出口往排放口排氣(不再通過電磁閥排出氣缸的氣)，彈簧復位使閥門打開，從而實現快開。

圖2 改造前的閥門結構

圖3 快速排放閥的工作原理

為了防止因閥門誤動導致反應堆停堆，在閥門的進氣管路上裝有備用氣罐并采用雙氣路供氣，以確保閥門在正常狀態下一直處于關閉狀態。

3 閥門時間測試

使用氣動閥門診斷裝置和HOKIO 8835記錄儀對閥門行程、位置開關、氣源壓力和電磁閥的氣動先導閥供氣壓力進行調整。行程設定在1.90cm，氣源壓力482kPa，氣動先導閥供氣壓力310kPa，行程開關設定在行程的95%和5%，對閥門進行測試，時間均未達到要求。對圖4(1in= 25.4mm)中閥門的流量特性曲線進行分析，使用氣動閥門診斷裝置對閥門的行程和位置開關進行精確設定(圖5)，當閥門開到88%(1.67cm)時，閥門的流量已接近最大，和行程開關設定在95%時的流量基本一致，不影響測試結果。因此將閥門的位置開關設定在行程的88%和5%，對其進行數次時間測試后仍未達到要求，測試結果見表1。

圖4 閥門流量特性曲線

圖5 閥門行程和位置開關設定表1 閥門診斷裝置時間測試結果 ms

另外，通過電站數字控制計算機系統對閥門進行開關時間測試，結果也均不合格，超出了系統要求。

4 故障原因分析與改進

4.1 快開閥氣動頭排氣速度過慢

考慮到機組的安全，快開閥被設計成失效安全的失氣開型，即快開閥要開啟，氣動頭要快速排氣。因此，快開閥的開啟時間直接影響排氣速度。排氣時雖然設計有5個快速排放閥，但這5個快速排放閥是串聯的，導致各個快速排放閥的排氣量分配存在很大差異，使各快速排放閥不能各盡所能。快開閥氣動頭最初的設計如圖6所示，電磁閥安裝在閥門的側面，與最近的快速排放閥連接管線也有1m左右，當電磁閥失電，快速排放閥入口至電磁閥這段管子放完氣需要126ms。由于電磁閥與5個快速排放閥的距離不同，使快速排放閥入口的壓空排空時間不一致，導致5個快速排放閥動作時間不一致(時間相差3ms)，進一步增加了閥門的開閥時間。由于閥門的開啟時間遠達不到系統設計要求，經分析，初步原因是供氣管線過長，管線中的氣體容量較大，導致電磁閥失電后排氣緩慢，造成了閥門開啟時間過長。由于閥門的快速進/排氣口是當進氣管線中的壓力低于氣缸內部壓力時才能進行快速排氣，而與5個快速排放口相連的進氣管中的剩余氣體都是通過電磁閥排出的，管線越長，容積越大，管線中的氣體排空和壓力下降的時間就越長，所以閥門開啟時間越長。基于此，將與5個快速排放口相連的進氣管線改為環狀連接，如圖7所示，經過多次測試，閥門開啟時間為202ms左右，開啟時間雖有較大改善，但仍不符合系統設計要求。

圖6 改造前快開閥氣動頭設計

圖7 閥門氣缸俯視圖

在圖7中的B點和A點處各接入一個壓力傳感器，分別測量兩點的壓力下降速度，經過測試發現，A點的壓降速度略滯后于B點，因此認為閥門開啟緩慢是由于排氣口單一，導致與5個排放口相連的進氣管線中的余氣不能很快從電磁閥排出。因此在圖7中的A點處增加一個電磁閥，即增加一個排氣口。經過再次試驗，時間測試結果為129ms，雖然仍達不到系統要求，但與先前的測試結果相比已經有了很大的提高。考慮到停堆系統是一個專設安全系統，增加一個電磁閥不僅會增加相應的成本，更重要的是更改了系統原來的設計方案，因此考慮到系統的邏輯控制及抗震性能等多方面因素，此方案不宜考慮。

經過此次試驗發現，排氣問題是影響閥門開啟時間的主要原因，而改善進/排氣管線的布局是解決問題的關鍵。為了減少電磁閥的放氣時間并使5個排放閥同步動作，對閥門的進/排氣管布局進行了優化更改，如圖8所示。在不改變排氣管直徑的情況下，在氣動頭上方安裝了一個爪形氣路分配器，從該分配器均勻引出5個排氣支管，由此5個快速排放閥連接方式變成了純粹的并聯安裝。把電磁閥放到閥門的正上方，使電磁閥離5個排放口的距離均在40mm左右，這樣改進后，與電磁閥和各排氣口相連的管線長度相同，從而保證了閥門開啟時，進/排氣管線中的氣體從電磁閥排氣口排出速度基本一致，進一步減少氣體在排氣管線內滯留的時間，即減少了閥門的開啟時間。改造后，當電磁閥失電，快速排放閥入口至電磁閥這段管子放完氣只需63ms，節省了近一半的時間，5個快速排放口同步動作，將閥門氣缸里的氣體迅速排空，極大地提高了閥門的開啟時間(開閥時間約120ms)，但是仍達不到設計要求，效果與增加一個電磁閥相同。但此改進方法的效果明顯，且不需要增加控制邏輯，成本增加少，容易實現。

圖8 改造后閥門氣管布局

另外發現，原來的排氣管用割管器切割后，沒有很好的去除毛刺。一般情況下，毛刺對氣體的阻力很小，可以忽略，但快開閥開啟時間很快，相應的排氣速度也很快(毫秒級)，此時阻力的影響已經不能再忽略不計。而且，根據流體動力學可知，流體經過一個障礙物后會形成旋渦，速度很快時，氣旋對流速的影響也相應增大。因此，在安裝新的排氣管線時，應特別注意去除毛刺，力求每一根管子的毛刺都處理干凈，盡可能地減小開閥時間。

4.2 快開閥氣動頭內彈簧的彈性系數偏小

閥門氣缸彈簧的彈力對閥門快速動作也起到很大的作用。為了使閥門的開啟速度更快一些,在閥門氣缸彈簧上加了3.5cm厚的墊片，以增加彈簧的彈力，使彈簧復位時彈性勢能增大，在摩擦力不變的情況下，閥門動作更加迅速，減少閥門開啟時間。改造完成后，對閥門進行了多次測試，平均動作時間為100ms。

根據彈簧彈力公式、牛頓第二運動定律和速度公式，推導出開閥時間t與彈簧伸長或縮短的長度x的公式：彈簧彈力f=k×Δx，其中，k是彈性系數。

根據牛頓第二運動定律，彈簧所受的作用力f=m×a=m×x″，m是彈簧質量，a是彈簧加速度，x″是彈簧伸長或縮短的長度。令：

k×Δx=m×x″

不同彈簧的閥門行程變化如圖9所示，可以看出，首先相同的閥門行程變化，所需的開閥時間是不同的，所以先把彈簧壓得越緊，閥門開閥的時間越短；其次是增加彈簧彈性系數k可使閥門開閥的時間減小。因此，閥門改造不僅需要更改進/

圖9 不同彈簧的行程變化

排氣管線的布局，而且也需要更換彈性系數更大的彈簧。廠家采用彈性系數大的彈簧替換了原彈簧，后經驗證，其確實加快了快開閥的開啟時間。

考慮到正常工況下閥門管道里有8.3MPa壓力作用在閥芯，使閥芯有很大的向上提力，因此在增加氣缸彈簧力的同時將閥門的氣源減壓閥由原來的482kPa增加到516kPa，以確保閥門在正常運行期間能夠全關，不發生泄漏。

4.3 快開閥的填料函力矩過大

在閥門調試中還發現，快開閥出廠時的填料函力矩比維修手冊的規定值高出好幾倍，這就意味著閥門動作時要克服更大的摩擦力，使閥門動作相應變慢。經過多次確認后，將填料函力矩調整為正常值。

綜合以上試驗結果，對閥門做了如下更改(最終設計)：

a. 改變閥門的氣源管線布局；

b. 更換閥門彈簧，加大彈簧彈力；

c. 將閥門氣源壓力設定在516kPa；

d. 減小閥門的填料函力矩；

e. 處理掉氣源管線上的毛刺。

在6個閥門進行改造后，用數據中心應用性能分析決策系統(DCC)的計算機聯鎖(CI)報警對閥門進行了測試，所有閥門開啟時間測試結果不大于112ms，滿足系統設計要求。

5 結束語

在反應堆裝料前將兩個機組的12個快開閥全部改造試驗完成，通過氣動閥診斷裝置和記錄儀在閥門安裝現場測量和在控制室通過DCC測量，閥門的開啟時間都在112ms以下，閥門參數均達到設計要求。并且通過反應堆帶功率觸發驗證，系統工作良好，閥門動作正常，完全達到設計要求，保證了反應堆的可靠運行。兩個機組運行至今，歷次大修現場性能檢查工況一直良好。