“華龍一號(hào)”主蒸汽隔離閥控制特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)問題處理

黃 甦，高黃彬，韓大地,李雪瑤

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

主蒸汽系統(tǒng)為核電廠“主動(dòng)脈”，用于控制核島向常規(guī)島輸送蒸汽，一旦出現(xiàn)故障，核電廠就面臨停機(jī)停堆的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。主蒸汽隔離閥(簡稱MSIV)作為控制“主動(dòng)脈”通斷的重要關(guān)鍵設(shè)備，長期依賴進(jìn)口。作為擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)三代核電“華龍一號(hào)”(簡稱HPR1000)首堆福清核電5號(hào)機(jī)組MSIV首次采用國產(chǎn)設(shè)備，除了閥體本身，其控制系統(tǒng)也有多項(xiàng)改進(jìn)，不僅完全滿足正常開關(guān)、五秒內(nèi)快速關(guān)閉(簡稱快關(guān))，以及90%局關(guān)試驗(yàn)的要求，還設(shè)計(jì)“帶載”試驗(yàn)——定期檢查快關(guān)回路上先導(dǎo)電磁閥(簡稱先導(dǎo)閥)和快關(guān)分配閥(簡稱分配閥)的功能。由于首次投用，從熱試到?jīng)_轉(zhuǎn)到升功率到滿負(fù)荷過程中出現(xiàn)問題較多，經(jīng)過技術(shù)人員不懈努力，最終得以解決，并經(jīng)受機(jī)組瞬態(tài)及長期運(yùn)行的考驗(yàn)。

本文介紹國產(chǎn)MSIV設(shè)備的控制原理，對(duì)比HPR1000和M310機(jī)組的異同，總結(jié)安裝調(diào)試過程中出現(xiàn)的主要問題及處理方法，對(duì)國產(chǎn)MSIV推廣使用，以及后續(xù)三代核電MSIV設(shè)備采購、安裝調(diào)試和維修運(yùn)行具有十分重要的借鑒意義。

1 HPR1000機(jī)組MSIV控制原理

MSIV安裝在壓水堆核電廠二回路主蒸汽管道上，當(dāng)主蒸汽管道或主給水管道破裂后，用于防止蒸汽失控噴放，維持反應(yīng)堆冷卻和安全殼壓力在可接受的范圍內(nèi)，屬于核電廠的重大關(guān)鍵設(shè)備。其主要功能包括：1)提供主蒸汽管道安全殼隔離，防止蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂后一回路放射性介質(zhì)擴(kuò)散到二回路中；2)在接到隔離信號(hào)后，能夠快關(guān)截?cái)嗾羝鳎?)反應(yīng)堆熱停堆狀態(tài)時(shí)，將汽輪機(jī)側(cè)的部分主蒸汽管道與核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)隔離開，以便進(jìn)行下游設(shè)備檢修。

首臺(tái)國產(chǎn)MSIV為雙閘板楔形閘閥[3]，電控部分采用美國CURTISS-WRIGHT公司的電液控制系統(tǒng)(控制原理簡圖詳見圖1)，為典型的A/B列雙冗余結(jié)構(gòu)[4]，主要設(shè)備包括氣泵(101PO/111PO)、進(jìn)氣電磁閥(201EL/211EL)(簡稱進(jìn)氣閥)、A列先導(dǎo)閥(251EL/261EL)、B列先導(dǎo)閥(271EL/281EL)、A列分配閥(251DR/261DR)、B列分配閥(271DR /281DR)、回油電磁閥(221EL)(簡稱回油閥)、A列壓力調(diào)節(jié)閥(FCA)(簡稱調(diào)節(jié)閥)、B列調(diào)節(jié)閥(FCB)、以及對(duì)應(yīng)的油壓開關(guān)等[5]。

圖1 HPR1000機(jī)組MSIV控制原理簡圖[6]Fig.1 Schematic of MSIV control principle of HPR1000

通過控制先導(dǎo)閥和回油閥的通斷，MSIV實(shí)現(xiàn)正常開、正常關(guān)、快關(guān)以及相應(yīng)的定期試驗(yàn)功能[7]，其主要邏輯功能如下[8]：

1.1 正常打開功能

正常打開狀態(tài)下，201EL/211EL同時(shí)帶電，101PO/111PO啟動(dòng)，推動(dòng)油腔進(jìn)油，MSIV緩慢打開。

1.2 正常關(guān)閉功能

正常關(guān)閉狀態(tài)下，221EL帶電，201EL/211EL同時(shí)失電，中斷101PO/111PO供氣，油腔泄油，MSIV緩慢關(guān)閉。

1.3 快速關(guān)閉功能

當(dāng)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)，或者手動(dòng)設(shè)定主蒸汽隔離時(shí)，201EL/211EL失電，中斷氣泵供氣；251EL/261EL同時(shí)帶電，251DR/261DR打開；同理271EL/281EL同時(shí)帶電，271DR/281DR打開；MSIV泄油快關(guān)。兩列快關(guān)功能互為冗余的，若一列失效，另外一列仍能實(shí)現(xiàn)快關(guān)功能。快關(guān)時(shí)間通過調(diào)節(jié)閥FCA/FCB控制[9]。

1.4 局關(guān)試驗(yàn)功能

局關(guān)試驗(yàn)用來檢查MSIV機(jī)械部分是否存在卡澀，在MSIV開啟狀態(tài)下221EL帶電，201EL/211EL失電，MSIV緩慢關(guān)閉；當(dāng)觸發(fā)90%限位后，221EL失電，201EL/211EL帶電，101PO/111PO啟動(dòng)，MSIV重新開啟。

1.5 帶載試驗(yàn)功能

帶載試驗(yàn)為HPR1000機(jī)組特有，其目的是在MSIV開啟狀態(tài)下，定期檢查快關(guān)回路上先導(dǎo)閥、分配閥及相關(guān)油路狀態(tài)是否正常。以A列為例：251EL帶電，251DR打開，通過對(duì)應(yīng)壓力開關(guān)檢查油壓變化，若正確則251EL失電，251DR關(guān)閉。間隔30 s后，261EL帶電，261DR打開，同樣檢查對(duì)應(yīng)油壓變化，若正確則261EL失電，261DR關(guān)閉，帶載試驗(yàn)結(jié)束。

綜上，HPR1000機(jī)組MSIV不同功能由7個(gè)電磁閥控制，不同功能電磁閥狀態(tài)詳見表1。

表1 HPR1000機(jī)組MSIV典型工況電磁閥狀態(tài)對(duì)比圖[10]Table 1 State comparison of the solenoid valve under typical MSIV operation conditions of HPR1000

2 M310主蒸汽隔離閥控制原理

MSIV國產(chǎn)化之前，國內(nèi)M310壓水機(jī)組普遍采用FLOWSERVE公司產(chǎn)品，其控制原理簡圖詳見圖2，主要設(shè)備包括進(jìn)氣閥(211EL)、氣泵(101PO)、A列先導(dǎo)閥(251EL/261EL)、A列快關(guān)錯(cuò)油閥(251DR)、A列試驗(yàn)錯(cuò)油閥(261DR)、A列調(diào)節(jié)閥(FCA)、B列先導(dǎo)閥(271EL/281EL)、B列快關(guān)錯(cuò)油閥(271DR)、B列試驗(yàn)錯(cuò)油閥(281DR)、B列調(diào)節(jié)閥(FCB)。

圖2 M310機(jī)組MSIV控制原理簡圖[11]Fig.2 Schematic of MSIV control principle of M310

快關(guān)錯(cuò)油閥和HPR1000機(jī)組分配閥功能類似，同為兩位三通閥，帶電時(shí)接通，失電時(shí)截止。試驗(yàn)錯(cuò)油閥功能有所不同，帶電時(shí)半開，實(shí)現(xiàn)正常關(guān)閉功能；失電時(shí)全開，實(shí)現(xiàn)快關(guān)功能。其主要邏輯功能如下。

2.1 正常打開功能

正常打開狀態(tài)下，251EL失電，251DR關(guān)閉；261EL失電，261DR全開；211EL帶電，101PO啟動(dòng)，推動(dòng)油腔進(jìn)油，MSIV緩慢打開。

2.2 正常關(guān)閉功能

正常關(guān)閉狀態(tài)下，261EL帶電，試驗(yàn)錯(cuò)油閥261DR半開；211EL失電，中斷101PO供氣；一段延時(shí)后251EL帶電，快關(guān)錯(cuò)油閥251DR打開，MSIV緩慢關(guān)閉。

2.3 快速關(guān)閉功能

當(dāng)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)，或者手動(dòng)設(shè)定主蒸汽隔離時(shí)，211EL失電，中斷氣泵供氣； 251EL/271EL帶電，快關(guān)錯(cuò)油閥251DR/271DR打開；261EL/281EL失電，試驗(yàn)錯(cuò)油閥261DR/281DR全開；MSIV快速關(guān)閉。兩列快關(guān)功能互為冗余，若一列失效，另外一列同樣實(shí)現(xiàn)快關(guān)功能。快關(guān)時(shí)間同樣通過壓力調(diào)節(jié)閥FCA/FCB控制。

2.4 局關(guān)試驗(yàn)功能

局關(guān)試驗(yàn)中，261EL帶電，試驗(yàn)錯(cuò)油閥261DR半開；251EL帶電，快關(guān)錯(cuò)油閥251DR打開，主蒸汽隔離緩慢關(guān)閉；當(dāng)MSIV大于90%開度時(shí)，211EL失電；當(dāng)MSIV觸發(fā)90%限位后，211EL帶電，101PO啟動(dòng)；同時(shí)251EL失電，快關(guān)錯(cuò)油閥251DR關(guān)閉，MSIV重新開啟。B列局關(guān)試驗(yàn)和A列類似。局關(guān)試驗(yàn)中如收到快關(guān)指令，MSIV同樣能夠?qū)崿F(xiàn)快關(guān)功能[12]。

綜上，M310機(jī)組MSIV不同功能由5個(gè)電磁閥控制，不同功能電磁閥狀態(tài)詳見表2。

表2 M310機(jī)組MSIV典型工況電磁閥狀態(tài)對(duì)比圖Table 2 State comparison of the solenoid valve under typical MSIV operation conditions of M310

3 HPR1000與M310機(jī)組MSIV的異同

HPR1000與M310機(jī)組均能實(shí)現(xiàn)正常開關(guān)、快關(guān)和局關(guān)，以及快關(guān)功能。HPR1000機(jī)組設(shè)計(jì)專門的回油回路，避免單一故障導(dǎo)致閥門異常快關(guān)，冗余性高；M310機(jī)組在快關(guān)油路上同時(shí)實(shí)現(xiàn)快關(guān)和正常關(guān)功能，油路相對(duì)簡單，因設(shè)計(jì)手動(dòng)隔離閥可維護(hù)性較好[13]。兩者在系統(tǒng)設(shè)備和控制邏輯的異同如表3和表4所示。

表3 HPR1000與M310機(jī)組MSIV設(shè)備異同Table 3 Similarities and differences between the MSIV equipment of HPR1000 and M310

表4 HPR1000與M310機(jī)組MSIV邏輯功能異同Table 4 Similarities and differences of MSIV logic functions between HPR1000 and M310

4 HPR1000主蒸汽隔離閥常見問題及應(yīng)對(duì)措施

HPR1000機(jī)組MSIV首次投用期間暴露缺陷較多，主要問題及應(yīng)對(duì)措施如下：

4.1 氣泵頻繁啟停

氣泵主要功能包括：MSIV開閥時(shí)啟動(dòng)，對(duì)液壓回路進(jìn)行補(bǔ)油補(bǔ)壓至MSIV全開；當(dāng)MSIV已處全開位，若液壓無法達(dá)到正常開閥壓力時(shí)啟動(dòng)，補(bǔ)充回路壓力。HPR1000機(jī)組正常運(yùn)行氣泵頻率為10～15 min/次，但在50%功率期間氣泵啟停頻繁，一度達(dá)到30 s/次，且有惡化趨勢(shì)。經(jīng)過深入排查，確認(rèn)液壓回路內(nèi)漏、液壓回路外漏、泵功能異常，以及安全閥起跳值不合理為可能的原因[14]。后通過在回路加裝壓力表，逐一關(guān)閉執(zhí)行機(jī)構(gòu)手動(dòng)閥后觀察壓力及氣泵頻率變化的方法，確認(rèn)內(nèi)漏位置為氣泵出口溢流閥。后對(duì)溢流閥定值重新進(jìn)行整定調(diào)整后，氣泵啟動(dòng)頻率恢復(fù)到正常范圍。

4.2 MSIV限位開關(guān)反饋異常

開展局關(guān)試驗(yàn)時(shí)，多次出現(xiàn)100%限位還未完全脫開，90%限位率先觸發(fā)的情況，現(xiàn)場(chǎng)多次對(duì)90%限位進(jìn)行調(diào)整，但是一段時(shí)間后上述故障再次出現(xiàn)，導(dǎo)致局關(guān)試驗(yàn)失敗。經(jīng)過反復(fù)檢查MSIV反饋桿，確認(rèn)受熱或者受力導(dǎo)致反饋桿松動(dòng)是90%限位無法保持原位的根本原因。重新加固反饋桿，上述問題得以解決。

4.3 帶載試驗(yàn)中MSIV誤關(guān)

HPR1000機(jī)組帶載試驗(yàn)執(zhí)行到261EL帶電步驟時(shí)，多次出現(xiàn)MSIV誤關(guān)情況。分析原因?yàn)?61EL帶電261DR打開瞬間，251DR并未完全關(guān)閉。考慮到機(jī)組長期運(yùn)行后油溫升高、雜質(zhì)變多，產(chǎn)生的雜質(zhì)容易導(dǎo)致油路上節(jié)流孔變小堵塞[15]，將原先設(shè)計(jì)251EL失電到261EL帶電的時(shí)間間隔從30秒延長到60秒，后經(jīng)過多次帶載試驗(yàn)驗(yàn)證，均未出現(xiàn)MSIV誤關(guān)情況。

4.4 壓力開關(guān)漏油

HPR1000機(jī)組熱試期間，壓力開關(guān)“O型圈”突然斷裂，造成液壓油泄漏，后經(jīng)過解體確定壓力開關(guān)結(jié)構(gòu)不合理，原設(shè)計(jì)的密封圈未固定，開關(guān)承壓后密封圈反復(fù)剪切受力至密封失效是根本原因。后通過改進(jìn)壓力開關(guān)材質(zhì)，增加密封圈固定凹槽，改善密封材料等方式，最終解決壓力開關(guān)漏油問題。

5 結(jié)論

本文介紹了HRP1000機(jī)組MSIV的控制原理和主要功能，對(duì)比HPR1000與M310機(jī)組MSIV在主要設(shè)備和控制邏輯的異同，詳解首次投用過程中常見問題及應(yīng)對(duì)方案。隨著越來越多國產(chǎn)MSIV設(shè)備的投用，相關(guān)工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維修經(jīng)驗(yàn)將能為越來越多的核電廠所借鑒。