核電站用氣動(dòng)調節閥的選型與應用問(wèn)題探究
為實(shí)現核電氣動(dòng)調節閥的設計優(yōu)化及其國產(chǎn)化，對氣動(dòng)調節閥在核電站中的選型原則和選型的特殊性進(jìn)行了分析，并結合以往工程設計經(jīng)驗及現場(chǎng)反饋情況，討論了目前國內核電機組選型中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。最后，對核級氣動(dòng)調節閥國產(chǎn)化的現狀進(jìn)行了分析與展望。這為自控設計人員進(jìn)行核電氣動(dòng)調節閥選型和設備國產(chǎn)化工作提供了參考。
作為過(guò)程控制工業(yè)中最常用的終端控制元件，調節閥在過(guò)程控制中起著(zhù)極為重要的作用。它用來(lái)接收信號，并根據調節器輸出來(lái)改變閥門(mén)開(kāi)度，從而調整工藝參數，使之趨向于期望值，其應用質(zhì)量直接反映在系統的調節品質(zhì)上。
核級氣動(dòng)調節閥設計的正確選型是確保調節閥正確合理應用的根本和關(guān)鍵;錯誤的設計選型不僅影響系統的穩定性，而且還可能威脅到整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的安全性。
目前，我國的核電機組所使用的調節閥大部分為氣動(dòng)調節閥。由于氣動(dòng)調節閥品種、規格繁多，故設計選型要求設計人員具備多專(zhuān)業(yè)的背景知識。而核電站工藝管道中介質(zhì)的理化性能千差萬(wàn)別、工況參數復雜多變，與常規工業(yè)相比，核電站對氣動(dòng)調節閥功能、環(huán)境、使用壽命、設備可用性及可靠性等方面的要求更為苛刻。這就使得核電氣動(dòng)調節閥的選型難度與重要性更加凸顯出來(lái)。
1、氣動(dòng)調節閥的選型
1.1、輸入條件及選型原則
氣動(dòng)調節閥的選型需綜合考慮工況條件、調節要求、環(huán)境狀況、使用壽命、安裝維修以及性?xún)r(jià)比等因素。此外，以往工程的使用經(jīng)驗也在選配氣動(dòng)調節閥的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。
一般而言，氣動(dòng)調節閥的選型所需的輸入條件包括以下幾個(gè)方面。
�、俟に噮担核饕ń橘|(zhì)類(lèi)型、各工況下的上下游壓力及其對應的流量要求、管路的設計溫度和壓力、閥門(mén)上下游的最大壓差等。如有較為惡劣的瞬態(tài)工況，還應明確瞬態(tài)情況下的工況條件。
�、诠に囅到y控制要求：它主要包括工藝系統對故障位置的設置要求以及基本調節要求之外的其他控制要求(如是否有快開(kāi)或快關(guān)要求、是否需要設置電磁閥、是否有遠程閥位指示要求、是否需要設置手輪等輔助裝置等)。
�、圻^(guò)程連接方式(如法蘭連接、焊接等)及材質(zhì)要求。
�、�密封及泄漏量的要求：從工藝系統設計的角度，明確對閥門(mén)泄漏率(內漏)的要求;對于有毒、高溫高壓或放射性的介質(zhì)，或是當工藝過(guò)程對密封性有較高要求時(shí)，還應明確對填料函的要求，以防介質(zhì)外漏給運行的安全穩定性和經(jīng)濟性造成的影響。
�、莩叽缗c布置要求：考慮到現場(chǎng)安裝與維護，對外形尺寸提出限制要求。
�、蕲h(huán)境條件：對安裝在易燃易爆區的閥門(mén)，應當考慮防爆要求。
�、哞b定與分級：它主要包括閥門(mén)的RCCM制造規范等級、電氣附件的RCCE鑒定等級、抗震分級、防爆分級以及在設計基準事故下的可用要求等。
�、噘|(zhì)保與清潔度要求：根據介質(zhì)情況，明確質(zhì)保與清潔度的要求。
�、崞渌厥庖�。
1.2、氣動(dòng)調節閥的選型過(guò)程
1.2.1、鑒定要求
對核級閥門(mén)而言，能夠滿(mǎn)足鑒定要求是閥門(mén)選型與應用的最基本前提。在核級閥門(mén)選型時(shí)，應首先依照《壓水堆核電站核島機械設備設計建造規則》(RCCM)、《壓水堆核電站核島電氣設備設計和建造規則》(RCCE)對閥門(mén)的鑒定等級、抗震分級以及設計基準事故要求等進(jìn)行審查，以確保閥門(mén)滿(mǎn)足鑒定要求。對于不能滿(mǎn)足鑒定要求的閥門(mén)，閥門(mén)需通過(guò)鑒定或變更選型。
1.2.2、結構形式的確定
調節閥結構形式的確定，應根據實(shí)際生產(chǎn)中的工藝條件(溫度、壓力、流量等)、工藝介質(zhì)的特性(如黏度、腐蝕性、有無(wú)顆粒、有無(wú)毒害等)、調節系統的要求(調節范圍、泄漏量、噪聲)、管系布置以及空間情況等因素綜合考慮。
一般而言，在流量、壓差和泄漏量小的場(chǎng)合，選擇單座調節閥即可滿(mǎn)足生產(chǎn)需要;套筒調節閥最適合應用在介質(zhì)壓差和振動(dòng)大的場(chǎng)合;蝶閥雖然結構緊湊，但調節性能和關(guān)閥密閉性能較差，一般適用于低壓差、大流量、泄漏量要求不高的場(chǎng)合，尤其適用于濃稠漿狀及含有顆粒介質(zhì)的情況。此外，角閥適用于高黏度、含懸浮物和顆粒狀流體的場(chǎng)合或要求用直角配管的地方;與普通的直通單座閥相比，角閥具有防堵性能好、流阻小以及流量系數比單座閥大等優(yōu)點(diǎn)。這幾種結構的調節閥在核電站中的應用都較為普遍。
1.2.3、流量特性的選擇
調節閥的流量特性可表現為固有流量特性和工作流量特性。固有流量特性分為線(xiàn)性、等百分比(對數)、拋物線(xiàn)和快開(kāi)這幾種形式。在實(shí)際工況中，閥門(mén)的工作流量特性相對固有流量特性會(huì )存在一定的畸變。因此，在確定調節閥的流量特性時(shí)，還應充分考慮畸變所帶來(lái)的影響。對串聯(lián)管道而言，壓降比(調節閥可控制的最大流量所對應閥門(mén)進(jìn)出口差壓和系統差壓之比)越小，工作流量特性與固有流量特性偏差越大。目前，國內核電站中應用最多的是線(xiàn)性和等百分比這兩種形式。
調節閥的流量特性可以根據控制原理中的補償原理進(jìn)行選取，如根據壓降比、被控對象特性及負荷變化情況來(lái)選擇等;還可以根據以往類(lèi)似工況經(jīng)驗，結合設備供貨商閥門(mén)的實(shí)際固有流量特性進(jìn)行選取。
1.2.4、閥門(mén)口徑的確定
閥門(mén)的流量系數與可調比是表征閥門(mén)流通、調節能力的重要參數，也是選擇調節閥的主要參數之一。由于工藝系統條件不同，在某些情況下要求閥門(mén)需要有較寬的調節范圍。目前，國產(chǎn)閥門(mén)的可調比一般為30。根據計算所得的流量系數、可調范圍，再結合生產(chǎn)廠(chǎng)家的產(chǎn)品特性，就可以選擇合適的閥門(mén)口徑，以滿(mǎn)足工藝系統的設計需求。
1.2.5、電氣附件的選擇
氣動(dòng)調節閥的電氣附件主要有電氣轉換器、定位器、限位開(kāi)關(guān)、電磁閥等。在滿(mǎn)足過(guò)程控制要求的基礎上，還應重點(diǎn)查驗這些附件的鑒定等級是否滿(mǎn)足要求。
近年來(lái)，智能電氣轉換定位器在普通工業(yè)用閥中占據的份額正在逐步增大。截止目前，智能電氣轉換定位器的核級鑒定尚未全部完成。國內外目前只有FISHER的FIELDVUE硬件部分通過(guò)了鑒定試驗，軟件部分的鑒定試驗尚未完成。因此，在目前國內的核電機組中，有核級鑒定要求的閥門(mén)使用的仍然是“電氣轉換器+定位器”。
此外，對于有K1級鑒定要求的限位開(kāi)關(guān)，還應關(guān)注其自帶電纜是否隨開(kāi)關(guān)本體一同通過(guò)了K1級質(zhì)量鑒定，以確保其能滿(mǎn)足高溫高濕情況下的密封要求。
1.2.6、其他細化設計
在完成了上述初步選型與計算步驟之后，還應當針對管路設計及工藝系統調節的具體要求，進(jìn)行以下細化設計。
�、俨馁|(zhì)的選擇：調節閥承壓部件的材質(zhì)應充分考慮到介質(zhì)的溫度、壓力和腐蝕性，起節流作用的閥內組件則應具有良好的耐腐蝕和耐沖刷性。核級閥門(mén)的材質(zhì)應能滿(mǎn)足RCCM的相關(guān)要求。
�、谠O計應保證調節閥能夠滿(mǎn)足工藝系統的控制要求，如閥門(mén)的氣開(kāi)、氣閉性，閥門(mén)的氣路以及執行機構動(dòng)作等方面的要求。
�、坶y門(mén)的內漏與外漏均需滿(mǎn)足工藝系統設計要求。為解決閥門(mén)的外漏問(wèn)題，在核電站中有一種特殊型式的填料函結構，即雙填料的密封方式。雙填料密封組件有上下兩組串聯(lián)的閥桿填料，主要用于高壓介質(zhì)，或介質(zhì)放射性較高、需防止介質(zhì)外泄的場(chǎng)合，也可用于高真空。在國內核電機組中，波紋管密封及雙填料帶引漏的密封方式都有較多的應用。
�、芎藢�(shí)閥門(mén)的連接方式與外形尺寸是否滿(mǎn)足現場(chǎng)要求。
�、蓐P(guān)閉壓差與允許壓差：在選擇執行機構作用力時(shí)，應重點(diǎn)考慮閥芯全關(guān)時(shí)的壓差。所選閥門(mén)的最大允許壓差應大于關(guān)閉壓差，以防止出現“關(guān)不死”或“打不開(kāi)”的現象。
�、奁g與閃蒸：閥門(mén)的設計應避免汽蝕和閃蒸的發(fā)生，必要時(shí)可采用抗汽蝕或抗閃蒸的結構。
�、咴肼暎涸谧钥叵到y中，調節閥是最大的噪聲源。當噪聲超過(guò)有關(guān)規定時(shí)(一般為85dB)，應考慮采用低噪聲結構。
�、嗫删S修性與性?xún)r(jià)比。
