壓水堆核電機組穩壓器比例噴霧閥選型分析

張浩然，曹曉寧，?，蔣曉紅，曹月秋

（1. 中廣核工程有限公司，深圳518124；2. 鞍山電磁閥有限責任公司，鞍山114300）

壓水堆核電系統中，穩壓器是對一回路進行壓力控制和超壓保護的重要設備［1-7］。在機組正常運行及瞬態工況下，穩壓器噴淋系統與電加熱器配合，共同執行一回路壓力控制功能。根據噴淋水來源不同，穩壓器噴淋系統可分為主噴淋和輔助噴淋。其中，主噴淋管線有兩條，由分別連接至兩條冷管段的管線組成，每1 列穩壓器比例噴霧閥上游與主管道冷段連接，下游兩條支管到穩壓器前連成一條共用噴淋母管后與噴淋管嘴相連。穩壓器比例噴霧閥為主噴淋管線上的最重要設備，也是核電站系統中唯一的核安全1級控制閥［8-12］。

圖1 壓水堆核電系統主要閥門安裝位置Fig.1 Installation position of main valves in PWR nuclear power system

1 總體結構特點介紹

1.1 主要設計參數

在二代及早期核電機組中，穩壓器比例噴霧閥均采用氣動V型球芯式控制閥。

在三代核電華龍一號技術路線引入新的設計理念，安全殼內減少氣源，穩壓器比例噴霧閥采用電磁驅動型控制閥［13］。

兩種技術路線下的穩壓器比例噴霧閥的主要技術指標要求如表1所示。

1.2 氣動V型球芯控制閥

目前核電市場普遍使用的氣動V 型球心式穩壓器比例噴霧閥主要為F 公司產品。閥門整機由閥門本體、氣動執行機構和控制系統三部分組成。其中，閥門本體采用鍛造閥體，閥芯流量調節部分采用V 型球心，閥桿采用石墨填料密封結構。氣動執行機構采用薄膜式，氣源控制系統回路由電磁閥、定位器、過濾器、放大器、電氣轉換器、氣體儲罐等部件組成。通過系統為執行機構配備動力氣源，在接收系統4~20 mA 的控制命令后，經電氣轉換器、定位器等實現閥門開啟和關閉操作及比例調節控制功能。閥門調節特性為等百分比形式，滿足閥門小開度工況下的流量調節需求。在閥門閥桿的開、關位置分別配備限位開關，以滿足系統信號反饋和閥門控制要求。

表1 兩種比例噴霧閥主要技術參數對比表Tab.1 Comparison of main technical parameters of the two proportional spray valves

近年來，國內部分調節閥廠家也陸續開展了該類閥門的國產化研發，但目前只實現了閥門本體和氣動執行器的國產化研發，閥門氣控回路所需的配套電儀部件（如電磁閥、定位器等）仍舊依賴進口。

1.3 電磁驅動角式控制閥

三代核電華龍一號的穩壓器比例噴霧閥為電磁驅動截止型控制閥，現有核電市場供貨產品為F 公司的Y 型結構電磁驅動控制閥。閥門由上部電磁驅動執行器、下部閥門本體和外接電儀控制柜三大部分組成。閥體本體采用整體鍛造結構，閥體上部為配套的電磁驅動執行機構，閥芯調節部分采用截止型閥芯結構。閥門動作過程中，通過電儀控制系統向電磁驅動執行器輸入4~20 mA 的電流信號，轉化為電磁驅動力并帶動閥芯的上下運動，實現閥門的開關動作和調節功能。閥門位置反饋和調節通過電磁驅動執行器內置的位置反饋裝置實現，無需外接閥桿限位開關或閥位指示器。

2 主要性能對比

2.1 密封性

氣動V 型球芯比例噴霧閥采用傳統的填料密封結構。電磁驅動比例噴霧閥采用整體屏蔽型結構，無填料密封，實現了無外漏技術。因此，電磁驅動比例噴霧閥的密封結構相比氣動V 型球芯比例噴霧閥更為安全可靠。

2.2 動作性能

對比電磁驅動型和氣動驅動型比例噴霧閥的產品實際測試參數，兩種比例噴霧閥的實際動作時間均滿足設計要求，均可實現系統快速響應要求。

2.3 接口性能

對比兩種比例噴霧閥設計方案和產品實際結構尺寸、重量等如表2。通過對比分析可知，電磁驅動型比例噴霧閥結構更加緊湊，整機高度僅和重量僅為氣動V 型球芯式比例噴霧的一半重量。因此，采用電磁驅動型比例噴霧閥更方便于系統管線布置。

表2 兩種比例噴霧閥主要接口尺寸對比Tab.2 Comparison of main interface dimensions of the two proportional spray valves

2.4 運行維護便利性

氣動V 型球芯比例噴霧閥，閥桿密封采用填料結構，需要定期更換填料，且氣源控制回路所用電氣附件較多，包括定位器、電磁閥、過濾減壓閥、放大器、鎖氣器等氣源管路電氣附件，均需要在機組在役期間進行定期的檢測和維修。

電磁驅動比例噴霧閥的閥門本體和執行機構采用無填料密封結構，無需定期更換非金屬填料且可實現無外漏。閥門控制系統主要由控制柜配合電磁驅動執行器實現，減少了外接電儀部件的定期檢修工作和維護成本，但需定期進行控制柜的響應特性的檢測和維護。

2.5 研發技術難度和成本

從整機的研發成本分析，兩種型式的比例噴霧閥均需進行閥門本體、執行機構和控制系統（主要是配套電儀控制部件）的研發。

近年來，依托國家科技重大專項，國內主要核電控制閥制造企業已成功研發出氣動V 型球芯比例噴霧閥閥門本體和氣動執行機構，通過配套進口的電儀部件，已完成整機的鑒定試驗。從長遠來看，若需徹底解決卡脖子問題，還需進行氣控回路的電儀配套件的研發，因此，當前的研發難度和成本主要在于電儀配套件。目前，國內部分企業已啟動相關研發工作，預計在未來幾年會有望實現定位器、電磁閥、鎖氣器等全部電儀配套件的研發，進而實現氣動V型球芯比例噴霧閥整機的完全國產化。

電磁驅動比例噴霧閥的應用是三代核電引入的新技術，國內缺乏此種比例噴霧閥的經驗數據，即使放眼全球市場目前仍屬于壟斷供貨狀態，因此整機研發的技術難度相對較大。其研發過程的主要技術難點在于為閥門本體配套的電磁驅動執行機構和控制柜，包括比例電磁鐵的設計和制造、比例電磁伺服控制系統的設計和制造以及耐高溫型位移傳單器的設計和制造等，同樣需要具備豐富經驗的電磁閥專業廠家及控制柜、位移傳單器等專業廠家一起聯合研發。

3 結 論

氣動V 型球芯比例噴霧閥屬于早期及二代核電等傳統的噴霧閥，市場供貨和應用相對成熟；電磁驅動型比例噴霧閥屬于三代核電創新技術；兩種結構型式的比例噴霧閥適用的技術路線不同，但均可實現核電站穩壓器系統所需的噴淋控制功能。因此，用戶可根據核電廠的技術路線和具體需求選擇相對適宜的產品。

在未來新建核電市場中，由于電磁驅動型比例噴霧閥采用電磁驅動原理，實現了在核島內無氣源的狀態下的快速響應和控制功能，避免內置氣源儲罐帶來的超壓危險，因此擁有電動及氣動控制閥不具備的優勢，預計將有較廣闊的應用前景。