核电站用气动调节阀的选型与应用问题探究

    0 引言

    作为过程控制工业中最常用的终端控制元件，调节阀在过程控制中起着极为重要的作用。它用来接收信号，并根据调节器输出来改变阀门开度，从而调整工艺参数，使之趋向于期望值，其应用质量直接反映在系统的调节品质上。

    核级气动调节阀设计的正确选型是确保调节阀正确合理应用的根本和关键；错误的设计选型不仅影响系统的稳定性，而且还可能威胁到整个工业生产过程的安全性。

    目前，我国的核电机组所使用的调节阀大部分为气动调节阀。由于气动调节阀品种、规格繁多，故设计选型要求设计人员具备多专业的背景知识。而核电站工艺管道中介质的理化性能千差万别、工况参数复杂多变，与常规工业相比，核电站对气动调节阀功能、环境、使用寿命、设备可用性及可靠性等方面的要求更为苛刻。这就使得核电气动调节阀的选型难度与重要性更加凸显出来。

    1 气动调节阀的选型

    1.1 输入条件及选型原则

    气动调节阀的选型需综合考虑工况条件、调节要求、环境状况、使用寿命、安装维修以及性价比等因素。此外，以往工程的使用经验也在选配气动调节阀的过程中发挥重要作用。

    一般而言，气动调节阀的选型所需的输入条件包括以下几个方面。

    ①工艺参数：它主要包括介质类型、各工况下的上下游压力及其对应的流量要求、管路的设计温度和压力、阀门上下游的最大压差等。如有较为恶劣的瞬态工况，还应明确瞬态情况下的工况条件。

    ②工艺系统控制要求：它主要包括工艺系统对故障位置的设置要求以及基本调节要求之外的其他控制要求（如是否有快开或快关要求、是否需要设置电磁阀、是否有远程阀位指示要求、是否需要设置手轮等辅助装置等）。

    ③过程连接方式（如法兰连接、焊接等）及材质要求。

    ④密封及泄漏量的要求：从工艺系统设计的角度，明确对阀门泄漏率（内漏）的要求；对于有毒、高温高压或放射性的介质，或是当工艺过程对密封性有较高要求时，还应明确对填料函的要求，以防介质外漏给运行的安全稳定性和经济性造成的影响。

    ⑤尺寸与布置要求：考虑到现场安装与维护，对外形尺寸提出限制要求。

    ⑥环境条件：对安装在易燃易爆区的阀门，应当考虑防爆要求。

    ⑦鉴定与分级：它主要包括阀门的RCCM制造规范等级、电气附件的RCCE鉴定等级、抗震分级、防爆分级以及在设计基准事故下的可用要求等。

    ⑧质保与清洁度要求：根据介质情况，明确质保与清洁度的要求。

    ⑨其他特殊要求。

    1.2 气动调节阀的选型过程

    1.2.1 鉴定要求

    对核级阀门而言，能够满足鉴定要求是阀门选型与应用的最基本前提。在核级阀门选型时，应首先依照《压水堆核电站核岛机械设备设计建造规则》（RCCM）、《压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则》（RCCE）对阀门的鉴定等级、抗震分级以及设计基准事故要求等进行审查，以确保阀门满足鉴定要求。对于不能满足鉴定要求的阀门，阀门需通过鉴定或变更选型。

    1.2.2 结构形式的确定

    调节阀结构形式的确定，应根据实际生产中的工艺条件（温度、压力、流量等）、工艺介质的特性（如黏度、腐蚀性、有无颗粒、有无毒害等）、调节系统的要求（调节范围、泄漏量、噪声）、管系布置以及空间情况等因素综合考虑。

    一般而言，在流量、压差和泄漏量小的场合，选择单座调节阀即可满足生产需要；套筒调节阀最适合应用在介质压差和振动大的场合；蝶阀虽然结构紧凑，但调节性能和关阀密闭性能较差，一般适用于低压差、大流量、泄漏量要求不高的场合，尤其适用于浓稠浆状及含有颗粒介质的情况。此外，角阀适用于高黏度、含悬浮物和颗粒状流体的场合或要求用直角配管的地方；与普通的直通单座阀相比，角阀具有防堵性能好、流阻小以及流量系数比单座阀大等优点。这几种结构的调节阀在核电站中的应用都较为普遍。

    1.2.3 流量特性的选择

    调节阀的流量特性可表现为固有流量特性和工作流量特性。固有流量特性分为线性、等百分比（对数）、抛物线和快开这几种形式。在实际工况中，阀门的工作流量特性相对固有流量特性会存在一定的畸变。因此，在确定调节阀的流量特性时，还应充分考虑畸变所带来的影响。对串联管道而言，压降比（调节阀可控制的最大流量所对应阀门进出口差压和系统差压之比）越小，工作流量特性与固有流量特性偏差越大。目前，国内核电站中应用最多的是线性和等百分比这两种形式。

    调节阀的流量特性可以根据控制原理中的补偿原理进行选取，如根据压降比、被控对象特性及负荷变化情况来选择等；还可以根据以往类似工况经验，结合设备供货商阀门的实际固有流量特性进行选取。

    1.2.4 阀门口径的确定

    阀门的流量系数与可调比是表征阀门流通、调节能力的重要参数，也是选择调节阀的主要参数之一。由于工艺系统条件不同，在某些情况下要求阀门需要有较宽的调节范围。目前，国产阀门的可调比一般为30。根据计算所得的流量系数、可调范围，再结合生产厂家的产品特性，就可以选择合适的阀门口径，以满足工艺系统的设计需求。

    1.2.5 电气附件的选择

    气动调节阀的电气附件主要有电气转换器、定位器、限位开关、电磁阀等。在满足过程控制要求的基础上，还应重点查验这些附件的鉴定等级是否满足要求。

    近年来，智能电气转换定位器在普通工业用阀中占据的份额正在逐步增大。截止目前，智能电气转换定位器的核级鉴定尚未全部完成。国内外目前只有FISHER的FIELDVUE硬件部分通过了鉴定试验，软件部分的鉴定试验尚未完成。因此，在目前国内的核电机组中，有核级鉴定要求的阀门使用的仍然是“电气转换器+定位器”。

    此外，对于有K1级鉴定要求的限位开关，还应关注其自带电缆是否随开关本体一同通过了K1级质量鉴定，以确保其能满足高温高湿情况下的密封要求。

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    1.2.6 其他细化设计

    在完成了上述初步选型与计算步骤之后，还应当针对管路设计及工艺系统调节的具体要求，进行以下细化设计。

    ①材质的选择：调节阀承压部件的材质应充分考虑到介质的温度、压力和腐蚀性，起节流作用的阀内组件则应具有良好的耐腐蚀和耐冲刷性。核级阀门的材质应能满足RCCM的相关要求。

    ②设计应保证调节阀能够满足工艺系统的控制要求，如阀门的气开、气闭性，阀门的气路以及执行机构动作等方面的要求。

    ③阀门的内漏与外漏均需满足工艺系统设计要求。为解决阀门的外漏问题，在核电站中有一种特殊型式的填料函结构，即双填料的密封方式。双填料密封组件有上下两组串联的阀杆填料，主要用于高压介质，或介质放射性较高、需防止介质外泄的场合，也可用于高真空。在国内核电机组中，波纹管密封及双填料带引漏的密封方式都有较多的应用。

    ④核实阀门的连接方式与外形尺寸是否满足现场要求。

    ⑤关闭压差与允许压差：在选择执行机构作用力时，应重点考虑阀芯全关时的压差。所选阀门的最大允许压差应大于关闭压差，以防止出现“关不死”或“打不开”的现象。

    ⑥汽蚀与闪蒸：阀门的设计应避免汽蚀和闪蒸的发生，必要时可采用抗汽蚀或抗闪蒸的结构。

    ⑦噪声：在自控系统中，调节阀是最大的噪声源。当噪声超过有关规定时（一般为85dB），应考虑采用低噪声结构。

    ⑧可维修性与性价比。

    2 核电用气动调节阀现状

    由于核电行业的特殊性，气动调节阀在该行业应用中还需满足一系列的特殊要求。在《压水堆核电站核岛机械设备设计建造规则》（RCCM）和《压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则》（RCCE）中，对核级阀门的制造与鉴定提出了非常详尽的要求。这些要求是确保核电设备安全性与可靠性的重要保证，也是区别核电用设备与普通工业用阀的重要因素。

    除此之外，核电设备在设计与功能需求方面还存在一定的特殊性，这使得核电用阀的选型更为复杂，举例如下。

    ①耐辐照性能：由于部分阀门被安装在高放射区，因此，对阀门及其电气附件的材质选择与设计提出了一定的要求。为保证一定的使用寿命，必须对这些环节进行特殊设计。

    ②密封性能：由于部分介质为高放射性或高温高压介质，一旦泄漏到空气中将带来很大的安全隐患。为防止阀门外漏，对填料函的设计提出了更高的要求，如采用波纹管密封或双填料密封。

    ③结构的稳定性：部分阀门要求在地震情况下仍可用。

    ④水淹：部分阀门要求在水淹情况下可用。

    ⑤事故瞬态：部分阀门要求在非常恶劣的瞬态工况下可用。

    ⑥阀门的分体安装与气路：由于部分阀门所处的管线振动较大，另有部分阀门所处的安装区域为高放射区或是其他不易接近的区域，为保证阀门性能和便于运行人员维修，需将阀门本体与电气附件分开安装。

    ⑦限流挡块及其可调节性：某些特殊阀门正常运行期间不需要全行程可调，为防止误动，设有位置可变的限流挡块。

    ⑧高稳定性：为保证核电安全可靠运行，要求所设计的阀门具有较高的稳定性。

    ⑨可拆卸性：位于放射区内的阀门应具有良好的可拆卸性，以尽量减少维护人员停留在现场的时间。

    核电站用气动阀门的特殊技术要求还有很多种，以上仅例举了其中一些较为常见的情况。正是由于这些特殊要求，对核级阀门而言，只有取得相关资质的供货商才能供货。目前，国内具有核级阀门供货能力的生产厂家只有上海自动化仪表七厂、中核苏阀、浙江三方几个厂家。

    与国外成熟的调节阀产品相比，国产调节阀还存在许多不足，如国产调节阀寿命短、稳定性较差；应用于高温高压、压差较高的严酷工况的调节阀，其产品性能和稳定性尚无法提供保证；国产调节阀配套使用的核级电气附件仍被国外供货商垄断，自主品牌较少。此外，目前国内各阀门厂的核级资质取证尚不完善，核级产品的种类不完备，尤其对于技术要求较高的调节阀，国内阀门厂在设计、取证和试验验证等方面都还存在很大问题。

    尽管目前国内品牌在中低端市场已占有较大份额，但国外品牌占领核级调节阀高端市场的格局远未打破，国产化核电用调节阀产品仍有待于进一步开发。

    国内阀门厂家现在也已经意识到这一点，并积极努力地推进核级调节阀的开发。以上自仪七厂为例，该公司已于2010年12月与英国IMI公司设立合资公司，专门引进、消化和吸收核电调节阀技术。各电气附件的国产化也正在进行中，中国核电工程有限公司与鞍山电磁阀厂合作研发的核级电磁阀就是其中的一个例子。

    3 设计经验总结与反馈

    结合各项目设计、采购、调试及运行反馈情况，对选型过程中存在的特殊性与难点进行分析总结。

    3.1 执行机构的特殊设计

    位于余热排出系统换热器的旁通管线上的RRA013VP属于安全二级、抗震1A类的阀门。该阀门要求在水淹情况下和设计基准事故下可用，阀门应能够承受热瞬态的冲击，且要求在失气状态下至少在一定时间内保持原位。在M310机组设计中，该阀门属于技术要求相对较高、功能作用较为重要的调节阀。在目前的市场情况下，只有FISHER公司能够提供此类产品，具有一定的垄断性。因此，研究该阀门的产品结构原理，对于推进设备的国产化意义重大。    

    RRA013VP作为重要的核二级阀门，除核级设备的材料、制造等方面的一些特殊要求外，其特殊性还集中体现在水淹与保位设计方面。由于该阀门要求在水淹条件下仍然可用，因此在阀门气路设计上必须特殊考虑。FISHER公司在早期推出的产品为活塞式执行机构。这些产品在我国的大亚湾和岭澳一期核电站运行良好。但近年来根据EDF与法马通的要求，FISHER已将原来的活塞式执行机构更新换代为气动薄膜式执行机构，并通过了水淹试验的验证。

    对于在水淹条件下可能会进水的气动膜头或气缸结构，可采用分体式的方法，将执行机构安装于较高的位置上，以避开水淹深度。但对于必须安装于阀体之上的阀门定位器，要想保证其可用性，需进行特殊设计。在早期的阀门设计中，FISHER公司将定位器设置在气缸结构的顶部，并在定位器上加了一根排气管，用来防止定位器排气口被水淹没，从而保证了定位器的排气出口压力是大气压力，而不是大气压力加上水压。为彻底解决这一问题，FISHER公司按照淹没于水下20m的设计考虑，对不增加排气管的定位器进行了试验验证。试验假设执行机构的各个环节（如膜片内部、过滤减压阀等）都已进水，且进水压力应该等于空气大气压+20m的水柱。试验结果表明，当最小气源压力大于480kPa时，FISHER的定位器就能满足该水淹试验的要求。因此，目前FISHER公司设计的调节阀已不需要在定位器上增加排气管。

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    3.2 大可调比阀门的选型设计

    RRI155VN是M310机组中另一个选型较为困难的阀门。该阀门是用来控制RCV系统下泄流量的温度调节阀，阀门所处的工艺系统在不同工况下的参数变动很大。以岭澳二期核电站为例，RRI155VN选型结果如表1所示。

表1 RRI155VN选型结果

    由计算结果可知，该阀门要求的流通能力较大，且可调范围广、可调比高。

    在大亚湾和岭澳一期，RRI155VN选用的是AMRI公司的蝶阀。根据运行经验反馈，在正常运行工况下，该型号的阀门橡胶内衬存在一个循环周期内破损的现象，且内衬破损后导致阀门的调节性能变差。经分析，由于该阀门经常处在小流量开度范围内，水流通过时在蝶板背面容易产生漩涡，出现低压区，从而造成汽蚀现象；阀门内衬的橡胶材质作为一种有机材料，容易发生老化，并被进一步冲蚀。内衬冲蚀后的阀门调节性能变差，被冲蚀掉的橡胶碎片进入管道还可能造成其他设备的异常。

    此外，运行人员还反馈称该阀门在小开度下的调节性能不佳。但是一般情况下，调节阀在小开度下都无法取得最佳的调节性能。若要从根本上解决这一问题，只能通过修改管路设计，增加旁路，并设置两个调节阀来实现。该方案可从根本上解决目前一个阀门无法兼顾多个工况的调节精度的难题，但该设计从根本上改变了系统布置和设计，对控制系统的改变也很大，需要做大量的工程分析和风险评估。设备的增加也会带来采购费用以及后期维护费用的增加。经咨询，法国同类电站也没有类似的改造经验反馈。而在大亚湾和岭澳一期最初的设计中选择蝶阀是因为该阀门所处的闭环回路并不要求进行精确调节。市场调研发现，其他结构形式的调节阀均很难满足如此大的可调比要求。以FISHER公司的阀门为例，查询FISHER公司的产品样本不难发现，需采购更大口径的阀门才能满足我们的设计要求。而该阀门布置于N核辅助厂房内，距离地面5m处，布置空间狭小，阀门扩径之后的外形尺寸远大于该处的布置空间。再者，如此大规模的扩径对管路介质造成的扰动势必会影响管路的流动状态，从而进一步影响调节效果。

    在这样的情况下，再结合大亚湾和岭澳一期的运行情况，尽管小开度情况下调节性能仍无法达到最优的效果，但被调量的波动范围均能满足工艺系统的设计要求。经过上述分析和调研之后，在设计时将选型与改造的重点放在了寻找既可满足大可调比又具有较长使用寿命的阀门方面。

    在岭澳二期自主设计选型期间，分别调研了多家供货商的产品情况，并最终在VERDELET提供的两套选型方案中采纳了与FRAMATOME技术改造时相同的一套方案，即采用“ZMATIC”型蝶阀。该阀门为全金属结构，且其蝶板的结构优化了流体通过阀门时的压差分布，避免了汽蚀现象，解决了大亚湾和岭澳一期出现的阀门内衬被冲蚀的问题。该阀门可调比较宽，RRI155VN所用工况点对应的蝶板转动角度可控制在14°～74°之间，基本可满足最小流量工况下的调节要求。目前，该阀门在岭澳二期运行良好，无不良反馈。

    3.3 三通调节阀的设计

    三通调节阀作为一种特殊结构的调节阀，可代替两个直通单座调节阀用于分流和合流。其选型与普通的两通阀存在一定区别。

    3.3.1 流通能力的选择

    以M310机组辅助给水系统中的ASG160VD为例，该阀门的工艺专业的设计要求如表2所示。

表2 ASG160VD设计技术要求

    该阀门为分流阀。从表2可知，随着行程的逐渐增大，该阀门两个出口方向的流量分别逐渐增大和减小，但总流量维持不变。对于合流阀与分流阀而言，应重点关注流过阀门的总流量是否符合设计要求。

    在与设备供货商沟通的过程中发现，部分厂家出于节能的考虑，提供了流通能力高于设计需求值的阀门。但在随后的项目调试过程中发现，流通能力过高会带来管系压阻值的降低，导致上游泵的超流量。因此，对于该类阀门，应与设备厂家进行充分的沟通，尽量使所供阀门逼近设计需求值。

    3.3.2 故障安全位置的特殊性

    三通阀除了在流通能力的考量上与两通阀不同之外，它在故障安全位置的设计上也存在特殊性。三通调节阀利用阀芯自身导向，更换气开、气关时必须更换执行机构。因此，在对三通阀的故障安全位置作出要求时，必须明确故障开（关）时的位置类型，否则将可能导致阀门的不可用。

    4 结束语

    核电用气动调节阀与普通工业用阀相比，设计工况复杂多变、工作环境更为严酷，在功能及可靠性、安全性等方面都有着更为特殊和严格的要求。因此，核电用气动调节阀在选型和设计过程中，在保证阀门正常调节性能的基础上，还应当充分考虑到核电阀门的特殊性，即综合考虑诸如辐照、密封、承压、特殊工况点的调节范围、系统设置所能接纳的压力损失、特殊工作环境等方面的要求。针对性的特殊设计、完整的试验或应用业绩证明，核电用调节阀确保了核电用阀的安全性和可靠性，这是核电阀门选型中重点考量的一个方面，也是阀门国产化过程中不可缺少的重要环节。