M310核電機組主蒸汽隔離閥結構及動作原理淺析

鐘 偉

中核核電運行管理有限公司 浙江 嘉興 314050

主蒸汽隔離閥在壓水堆核電廠中具有非常重要的作用，它安裝在核電廠二回路主蒸汽管道上，是核電廠的重要關鍵敏感設備之一。它的主要功能是實現主蒸汽管線的隔離，即在出現二回路主蒸氣管道破裂事故的情況下限制蒸汽的排放，防止反應堆過冷引入正反應性，導致反應堆重返臨界，將該事故對核安全的影響保持在設計限值之內。以M310核電機組為例，共有三條主蒸汽管線，在每條主蒸汽管線引出至安全殼外的位置安裝一臺主蒸汽隔離閥。每臺主蒸汽隔離閥還設有一臺并聯的旁路閥，用于機組啟動階段對主蒸汽隔離閥下游管線進行暖管，并能平衡主蒸汽隔離閥前后壓差，保證閥門的正常開啟。

1 主蒸汽隔離閥性能

1.1 主蒸汽隔離閥功能

1) 主蒸汽管道破裂后，該閥門必須能夠快速截斷任一方向的蒸汽流。

2) 防止安全殼內的主蒸汽管道破裂時安全殼超壓，并限制由于蒸汽管道破裂而導致一回路的過度冷卻。

3) 機組處于停機檢修階段，主蒸汽隔離閥還用來隔離主蒸汽管道下游設備，為下游設備創造合適的檢修條件。

按RCC的要求，被看作能動部件的主蒸汽隔離閥必須在其整個使用壽命期內能執行其功能。這要求在所有的運行工況下，它們必須在反應堆保護系統快速關閥信號產生后5s內關閉。

1.2 主蒸汽隔離閥特性

主蒸汽隔離閥一般特性

安全等級 2級規范等級 2級抗震等級 1A

功能特性

設計壓力 8.6MPa絕壓設計溫度 316℃

運行溫度 熱停堆 291.4℃滿負荷 283℃運行壓力 熱停堆 7.6MPa絕壓滿負荷 6.71MPa絕壓額定流量 1936t/h額定流量下的壓降 0.025MPa閥門關閉狀態下最大壓差 8.6MPa快關時間 ≤5s事故安全位置 關閉

1.3 設計要求

主蒸汽隔離閥按能在正常和事故工況(主蒸汽管線破裂)下運行，并假設處于最苛刻的載荷狀態下進行設計[1]。

在正常運行工況下，應考慮下列載荷：設計工況(壓力、溫度) ，管道反作用力，自重，瞬態值。

在擾動工況下，必須考慮下列載荷：設計工況(壓力、溫度) ，地震載荷，管道反作用力，自重，瞬態值。

在緊急工況下，須考慮下列載荷：事故后工況(壓力、溫度)；地震載荷，管道反作用力，自重，瞬態值。

2 主蒸汽隔離閥的結構形式和驅動方式

2.1 結構形式

主蒸汽隔離閥為雙閘板楔形閘閥，其特點是流體的流動方向與閥板的動作方向垂直，閥門動作力矩比較小；具有可靠的雙向密封功能，且溫度變化不易發生閥門卡住的現象；閥門開關過程中閥板和閥座的磨損較小；它屬于改進型的閘閥，制造成本相對較低，用戶和制造廠容易接受。其缺點是閥門結構尺寸(主要是高度) 較大，控制系統復雜，而且結構零件較多，在粘性介質中易粘結，影響密封，一般要求流體介質要純凈[2]。楔形閘閥的垂直中心線與密封面成一定的角度，即兩個密封面成楔形。密封面的傾斜角度一般有10°，8°，5°，3°30′，2°52′等，密封面傾斜角度的大小取決于介質溫度的高低。一般來說，介質溫度越高，設計的角度就會越大，以此來減小溫度變化時發生卡住的可能性。主蒸汽隔離閥密封面的傾斜角度為5°[1]。

楔式閘閥一般用在對閥門的外形尺寸沒有嚴格要求,而且使用條件又比較苛刻的場合。如高溫高壓的工作介質，要求關閉件要保證長期密封的情況下等。

圖1 主蒸汽隔離閥

2.2 驅動方式

主蒸汽隔離閥的主要設備部件包括(以2號隔離閥為例) ：(1) 儲油箱：內部存有液壓油，位于隔離閥的中部。接收液壓油缸的排油，同時為系統提供液壓油。(2) 氮氣罐：球狀，內部充有高壓氮氣，位于隔離閥頂部，在主蒸汽隔離閥關閉時壓力約為10-11MPa，全開時，氮氣壓力約為15MPa。(3) 液壓缸：位于隔離閥中下部，當閥門接收到關閉信號時時，排油回路打開，將液壓缸內油排出；當閥門接到開啟信號時，氣動油泵將液壓油泵入液壓缸，同時排油回路關閉，油缸內向上的動力克服氮氣向下的壓力，將閥門打開。(4) 氣動供油泵：當壓縮空氣接通后，氣動供油泵將油箱中的油壓入液壓缸。(5) 供氣電磁閥212EL：當電磁閥得電時打開供油泵的供氣，失電時關閉。(6) 快關分配閥電磁閥252/272EL： 快關分配閥252/272DR 上的電磁閥。(7) 快關分配閥252/272DR：快關分配電磁閥得電時對應的分配閥打開，失電時關閉。(8) 試驗電磁閥262/282EL：試驗分配閥262/282DR上的電磁閥。(9) 試驗分配閥262/282DR：當262/282EL 失電且有油壓的情況下，對應的電磁閥全開(快速排油) ，當262/282EL 得電且有油壓時對應的分配閥處于試驗位置(慢速排油) 。

圖2 主蒸汽隔離閥控制圖

3 主蒸汽隔離閥的動作原理

3.1 主蒸汽隔離閥的控制原理

下面以VVP002VV為例說明主蒸汽隔離閥的控制原理。

整個控制回路由三部分組成：

— 泵回路；

— 兩個類似的液壓回路，分別裝在泵的兩側。這兩個回路是互為冗余的，分別由A列和B列電源供電[2]。

在失去氣動壓力時，主蒸汽隔離閥有以下響應：

— 如果主蒸汽隔離閥是開啟的，則該閥在短期內保持在開啟狀態。在一段時間(大于8小時) 延遲之后，保持閥門開啟的液壓回路內的壓力將降低，使主蒸汽隔離閥緩慢關閉。一旦主蒸汽隔離信號觸發，閥門就繼續關閉而不能開啟，直到手動重新打開。

— 如果閥門是關閉的，它將保持關閉狀態。

在失去48V直流電源時，主蒸汽隔離閥的位置如下：

— 失去LCA(系列A) 或LCC：閥門保持開啟，關閉可由系列B驅動；如果閥門關閉，則不能被打開。

— 失去LCB(系列B) ：閥門保持開啟，關閉可由系列A驅動。

每個閥門包含A、B列兩個獨立的液壓系統。

每個液壓系統包括：

一個電磁閥VVP252EL (VVP272EL)和一個快關分配閥VVP252DR (VVP272DR)用于閥門快速關閉:

一個電磁閥VVP262 EL (VVP282 EL)和一個試驗用分配閥VVP262DR(VVP282DR)。

主蒸汽隔離閥開啟和關閉時電磁閥和分配閥的位置見下表。

名稱主蒸汽隔離閥閥門關閉 閥門開啟快關電磁閥VVP252EL (VVP272EL) 帶電 失電快關分配閥VVP252DR (VVP272DR) 開啟 關閉試驗電磁閥VVP262 EL (VVP282 EL) 失電 失電試驗分配閥VVP262DR (VVP282DR) 開啟 開啟供氣電磁閥VVP212EL 失電 帶電供氣 關閉 開啟

3.2 主蒸汽隔離閥的動作方式

主蒸汽隔離閥有4種動作方式，分別是閥門快關、閥門慢關、閥門開啟、部分關閉試驗。

3.2.1 閥門快關

主蒸汽隔離閥快速關閉由下列信號觸發：

1) 手動快關:手動按下緊急停堆盤上的主蒸汽隔離按鈕，設有A、B兩列，每列各一個。該按鈕按下后，保持在彈入位置，閥門快速關閉。如果需要重新打開閥門，則需要再次按下該按鈕，使其恢復到正常位置。

2) 自動快關：當反應堆保護系統發出主蒸汽隔離信號時，閥門自動快關，主蒸汽隔離動作由下列保護信號觸發：

— 兩臺蒸汽發生器蒸汽流量高且蒸汽管道蒸汽壓力低；

— 兩臺蒸汽發生器流量高且一回路平均溫度低低(P12) ；

— 兩臺蒸汽發生器蒸汽管道壓力低低；

— 安全殼壓力高3(HI3，即0.19MPa(絕對) ) ；

通過下列動作實現主蒸汽隔離閥的快關：

1) 電磁閥252EL (272EL) 帶電，使閥門252DR (272DR) 開啟；

2) 電磁閥262EL (282EL) 失電，以確保262DR (282DR) 處于開位；

3) 電磁閥212EL失電，切斷氣動油泵的供氣，不再向油缸供油；

4) 隨后液壓缸中的油通過排油回路上的252DR 及262DR 快速泄至儲油箱，高壓氮氣克服下部油缸向上的壓力，閥門將在5s 內快速關閉。

3.2.2 閥門慢關

通過主控室電腦上操作界面或后備盤上的手動按鈕實現閥門的正常關閉。這些按鈕也用于開啟閥門。

通過下列動作實現主蒸汽隔離閥的慢關:

1) 電磁閥262EL (282EL)帶電，使262DR (282DR)處于試驗位；

2) 電磁閥212EL失電，關閉氣動油泵的供氣；

3) 一段延時后，電磁閥252EL (272EL)帶電，使閥門252DR (272DR)開啟。液壓缸內的油慢慢排出，液壓缸中的油通過全開的252/272DR 及262/282DR緩慢排至儲油箱。在高壓氮氣與油缸中緩慢減小的油壓的作用下，閥門逐漸關閉；然后電磁閥262EL (282EL) 失電，使262DR(282DR) 處于開位。

3.2.3 閥門開啟

閥門通過主控室電腦操作界面或后備盤上的按鈕手動開啟。當主蒸汽隔離閥上游與下游的壓差大于300KPa時，閥門被閉鎖開啟，而且當主蒸汽隔離保護信號存在時，閥門也被閉鎖開啟。

通過觸發下列動作實現閥門開啟:

1) 電磁閥252EL (272EL) 失電，使閥門252DR (272DR) 關閉，并一直保持關閉狀態，，此時泄油通道被關閉。

2) 電磁閥262EL (282EL) 失電，使閥門262DR (282DR) 保持在開位；如果此時反應堆保護系統出現主蒸汽隔離信號或在緊急停堆盤上按下主蒸汽隔離按鈕，可以通過212EL 、252/272EL和相應DR的動作以及全開的262/282DR使排油回路回路快速泄油，以此實現主蒸汽隔離閥的快關功能。

3) 電磁閥212EL帶電，此時壓縮空氣接通給氣動油泵供氣。儲油箱中的液壓油被泵入液壓缸，使得液壓缸中得液壓油逐漸增多，油壓升高。當液壓缸中向上的油壓大于閘板的自身重力和上部高壓氮氣儲罐中向下的壓力之和時，主蒸汽隔離閥將會緩慢開啟。當閥門完全開啟后，油壓上升到一定值，油泵會停止向油缸供油。

3.2.4 部分關閉試驗

主蒸汽隔離閥的部分關閉試驗由主控室電腦操作界面上的對應操作按鈕來實現，每個主蒸汽隔離閥設有A、B兩列，試驗分別進行。每月執行一列部分關閉試驗。

部分關閉試驗用來：

1) 檢查關閥用的操作單元:電磁閥、分配閥的運行。

2) 檢查閥門的運行。

3) 在試驗期間，當接到主蒸汽隔離保護信號時，閥門能在5秒內快速關閉。

對每個閥門A列的試驗，過程如下：

1) 首先，電磁閥262EL帶電，使262DR處于試驗位；

2) 接下來，當VVP002VV處于全開位(通過VVP002 SM3判斷)，并且閥門不處于中間位置(通過VVP002SM7判斷)時，試驗命令被記錄；

3) 電磁閥252EL帶電，使閥門252DR開啟。閥門液壓缸內的油慢慢泄出，使閥門慢慢關閉，這時212EL失電；

4) 當限位開關VVP002SM7(90%限位開關) 被觸發時，部分關閉試驗信號被復位，然后快關電磁閥252EL失電，使快關閥門252DR關閉，主蒸汽隔離閥液壓缸的油停止泄出，閥門停止關閉；電磁閥212EL帶電，氣動油泵供氣回路打開，油泵將儲油箱中的液壓油泵入液壓缸，閥門開啟；電磁閥262EL失電，使262DR處于開位。

最后在主控電腦操作界面選擇試驗復位按鈕來對部分關閉試驗進行復位，部分關閉試驗結束。

設計中要采取以下預防措施，防止主蒸汽隔離閥在試驗時關閉：

— 部分關閉試驗時，在252DR開啟前要先確保262DR己處于試驗位置，以防主蒸汽隔離閥快速關閉；

— VVP002 SM3或VVP002 SM7的失效將禁止試驗的開始；

— 若部分關閉試驗在20s內未完成，閥門自動重新開啟。同時現場人員在現場就位，若自動控制信號失效，閥門一直在進行慢關，可以關閉對應列的手動泄油閥，阻止閥門慢關，此時閥門的快關功能由另一列來保證。

4 結論

(1) 主蒸汽隔離閥是核電廠的重大關鍵設備，在核電廠發生主蒸汽管道破裂事故后能夠在5s內快速安全地關閉以切斷上游或下游蒸汽流；

(2) 主蒸汽隔離閥有四種動作方式：閥門快關、閥門慢關、閥門開啟、部分關閉試驗，四種動作方式下，相關電磁閥及分配閥的動作各有不同。