百萬千瓦核電站安全閥校驗改造研究

吳 起，胡文盛，洪 均，許洪川，石屹峰

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

安全閥是壓力容器、鍋爐及壓力管道等承壓設備的超壓保護裝置，是保護設備和系統安全運行的最后一道防線，是保證核安全的重要組成部分。根據法規[1-2]要求，安全閥需定期校驗，校驗項目應至少包括整定壓力和密封性能。

目前，在核電站安全閥校驗中，因某些系統在日常和大修期間均難以停運或隔離，或隔離后產生較大安全風險，導致安全閥定期校驗較為困難并可能引發安全閥有效期超期等問題；同時，某些安全閥因定期校驗需排放昂貴或者廢氣介質，造成了一定的資源浪費和環境污染，除此之外，繁瑣的工序也延長了校驗工期、增加了工作量及電廠運行成本。

為解決上述問題，該文提出了三種優化改造方案，并在福清核電站進行了改造，通過運行驗證，提高了機組運行安全性、可靠性和經濟效益，并成功應用到“華龍一號”機組。

1 改造前安全閥校驗情況

福清核電站電氣廠房冷凍水系統(DEL)波動箱安全閥DEL004VD定期校驗時，需要隔離整個DEL系統并排空波動箱，導致主控、儀控系統(DCS)和配電等房間溫度快速攀升，存在超過技術規范要求35 ℃的風險，并觸發第二組I0(運行技術規范中要求的安全功能不可用或超出正常運行限值)。廢氣處理系統(TEG)緩沖罐安全閥TEG100VY定期校驗時，需要隔離TEG含氫廢氣處理子系統，而TEG系統是兩臺機組的公用系統，強行停運后會影響兩臺機組的正常排氣，并觸發第二組I0且排放含氫廢氣；衰變箱TEG004-011BA安全閥校驗時，需先排空含氫廢氣并壓空吹掃，待安全閥校驗完畢回裝前，還需氮氣吹掃以滿足氧含量要求，此過程持續時間長并排放大量廢氣引起環境污染。設備冷卻水系統(RRI)安全閥定期校驗時，需要隔離對應的泵或熱交換器等設備，導致相關設備不可用而觸發第一組I0。核島冷凍水系統(DEG)冷水機組安全閥定期校驗時，需先停運冷水機組、再排空設備內制冷劑，安全閥回裝系統后還需對設備進行打壓、抽真空、重新充注制冷劑等，不僅觸發第二組I0，還造成制冷劑浪費、工序繁瑣、工作量大、工期長。壓縮空氣生產系統(SAP核島部分)壓縮空氣罐002BA安全閥定期校驗時，需要隔離并排空壓縮空氣罐002BA，即需要停運兩臺應急空氣壓縮機，導致核島壓空不可用，觸發第一組I0，等等。

2 可行性提升改造

為解決上述問題，該文根據相關標準、規范并結合業內同行經驗[10]，提出對安全閥進口加裝隔離閥或增加旁路安全閥的措施。

2.1 標準和規范對安全閥增設隔離閥的要求

關于安全閥進口是否可以加裝隔離閥問題，參考國內外相關標準、規范，在采取一定的措施后安全閥進口是可以增設隔離的，具體如表1所示。因此，采取合理、可控的隔離方案，能有效解決安全閥定期校驗難的問題，保證了在役安全閥科學管理和生產實際需要的利益最大化。

表1 相關國內外標準對安全閥進口安裝隔離閥的要求

2.2 可行性提升改造方案

根據在安全閥進口增設隔離閥的思路，本文提出三種改造方案，分別為：

(1)方案一：安全閥及備用安全閥進口增設三通隔離閥

方案一如圖1所示，通過并聯增加備用安全閥，并在安全閥及備用安全閥上游支路安裝三通隔離閥，利用三通隔離閥的兩種工作狀態，可根據實際需要實時地對備、用安全閥進行切換操作，從而可以對備、用安全閥中的任何一臺進行拆檢，而另一臺處于工作狀態，使得壓力容器總可以在安全閥的保護下運行。

圖1 改造方案1示意圖Fig.1 Schematic of the transformation plan 1 1—安全閥;2—三通隔離閥;3—90°彎頭;4—法蘭

(2)方案二：安全閥及備用安全閥進口均增設隔離閥

方案二如圖2所示，通過并聯增加備用安全閥，并在安全閥及備用安全閥進口均增加隔離閥，利用兩臺隔離閥“一開一關”即可實現兩臺安全閥處于“一用一備”狀態。在安全閥定期校驗或解體檢修時，通過對兩臺安全閥的“備、用”切換，即可對任何一臺安全閥進行拆檢，而承壓設備總可以在安全閥的保護下運行。

圖2 改造方案2示意圖Fig.2 Schematic of the transformation plan 2 1—安全閥;2—隔離閥;3—等徑三通;4—90°彎頭;5—法蘭

(3)方案三：安全閥進口增設隔離閥及線下備份安全閥

圖3 改造方案3示意圖Fig.3 Schematic of the transformation plan 3 1—安全閥;2—隔離閥;3—法蘭;4—90°彎頭

方案三如圖3所示，在安全閥定期校驗時，可臨時關閉安全閥進口的隔離閥，通過已校驗合格的備用安全閥替換在線安全閥，即可快速解決安全閥的定期校驗問題。

2.3 方案比較

以上三種改造方案在特定的應用場合都有各自的優缺點，在具體方案選擇時，應將安全、運行工況、經濟成本等結合起來綜合考慮。三種方案具體優缺點見表2所示。

2.4 方案適用性

1)方案一適用于日常/大修期間均難以隔離的非核安全相關系統和設備，或需要排空、吹掃有毒或昂貴介質的非核安全相關設備的安全閥校驗?，F場實施過程中需要進行安全風險論證，否則，在檢修或校驗過程中一旦出現隔離閥泄漏，后果很嚴重。

2)方案二適用于日常/大修期間均難以隔離的核安全相關系統和設備，或需要排空、吹掃有毒或昂貴介質的核安全相關設備的安全閥校驗。該方案的安全性優于方案一。

3)方案三適用于具有隔離窗口但需排空、吹掃設備而導致安全閥校驗工期長、工作量大、資源浪費以及環境污染的設備。現場實施過程中，需要根據技術規格書進行驗證更換期間的安全閥功能是否滿足要求。

根據以上三種優化改進方案的適用性及優缺點分析，福清核電站安全閥校驗優化提升改造梳理如表3所示。

表2 三種安全閥隔離優化方案的優缺點比較

表3 福清核電站安全閥校驗優化提升改造梳理統計

3 改造實例分析

3.1 方案說明

原設計中1DEL系統001BA的安全閥1DEL004VD為單安全閥設計，根據上文分析，采取方案二進行提升改造，即在原有安全閥1DEL004VD基礎上旁路一列同參數、同規格安全閥，并在安全閥前各增加一臺手動隔離閥，兩臺手動隔離閥始終保持一開一關，使兩臺安全閥處于一用一備狀態。改造前后流程圖如圖4、圖5所示。

圖4 改造前流程圖Fig.4 Flow chart before transformation

圖5 改造后流程圖Fig.5 Flow chart after transformation

3.2 安全閥改造配管設計

因需增加隔離閥、三通、彎頭及管道等部件，改造后安全閥入口壓降將會增大。當安全閥開啟排放后，安全閥入口靜壓力低于容器內的靜壓力，此時，若安全閥進口管道壓降過大，安全閥進口靜壓力低于安全閥回座壓力時，安全閥即刻關閉；一旦安全閥關閉，安全閥進口管道內無介質流動，則安全閥進口管道內的動壓頭損失為零，此時安全閥進口靜壓力又回升到容器內靜壓力，當超過安全閥整定壓力時，安全閥再次開啟；如此，安全閥反復啟閉，產生“顫振”。這種“顫振”易使安全閥密封失效或導致某些零部件以及進出口管道出現過早疲勞損壞。

國內標準GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》[6]、HG/T 20570.2—95《安全閥的設置和選用》[7]《化工工藝設計手冊》[8]以及《石油化工設計手冊》[9]對入口管道的阻力降均規定：入口管道的阻力降不大于安全閥整定值3%。

因此，在對安全閥進出口配管設計時，需嚴格計算安全閥進口壓降，使改造后管道設計滿足水力學及系統要求。

(1)管道設計基礎

DEL系統冷凍水波動箱1DEL001BA介質為除鹽水，密度1 000 kg/m3(20 ℃)，安全閥整定壓力0.2 MPa，喉徑13.3 mm，開啟高度1.3 mm，安全閥進口管道規格為DN20(φ26.7×2.87)，安全閥出口對空。

(2)安全閥進口配管設計

根據原有管道布置并結合現場空間，改造后安全閥管道設計圖如圖6所示。根據《化工工藝設計手冊》[8]下冊管道流體力學相關計算方法，計算驗證過程如下(針對管件最多、管道最長部分進行計算驗證)：

圖6 安全閥1DEL004VD改造管道布置圖Fig.6 The transformation pipeline layout of the safety valve 1DEL004VD

安全閥有效通過面積：

A=πDL=3.14×1.33×0.13=0.543 cm2

式中：D——安全閥喉徑，mm；

L——安全閥開啟高度，mm。

安全閥泄放能力：

式中：G——相對密度，無量綱；

Kp——積聚壓力修正系數，冷凍水波動箱DEL001BA按非火災工況下最大積聚壓力(為設計壓力的10% )進行計算，經查手冊，對應積聚壓力修正系數Kp=0.6。

流體流速：

=0.956 m/s

雷諾數：

=19 976>4 000 (湍流)

管道相對粗糙度：

式中：d——管道內徑；

ε——管道相對粗糙度，無量綱。

根據《化工工藝設計手冊》表25.8，求摩擦因子：

根據試差法求得摩擦因子λ=0.025 5。

根據《化工工藝設計手冊》[8]表25-11，求得局部阻力系數如表4所示。

表4 各管件阻力系數統計表

安全閥進口阻力壓降：

ΔPf=4 719 Pa<3%P1=0.03×0.2×106=6 000 Pa

即1DEL004VD安全閥進口配管設計滿足水力學設計要求，可以按照圖6的管道設計圖進行實施。

4 結論

關于核電站安全閥校驗存在的共性問題，該文對福清核電站安全閥校驗問題進行了梳理，提出了三種提升改造可行性方案，并根據分析與討論對安全閥進行了分類別改造。改造后經運行驗證，系統和和設備運行狀態良好，該改造經驗可供業內同行參考。

1)有效解決了某些安全閥定期校驗難的問題，避免了安全閥有效期超期的風險，提高了機組安全性。

2)有效降低了機組運營維修成本，避免廢氣排放和資源浪費，提高了經濟效益和社會效益。

3)部分系統或設備改造經驗成功應用到“華龍一號”機組，提高了“華龍一號”機組系統和設備可靠性。