三代压水堆核电厂稳压器安全阀设备选型研究

王保平　赖建永　沈云海　余小权　王帅

【摘 要】我国正在自主研发和设计的三代压水堆核电站，稳压器安全阀作为反应堆冷却剂系统超压保护装置在各工况下保证系统压力不超过设计压力。该稳压器安全阀具有设计参数、鉴定要求和可靠性要求高的特点。本文针对先导式稳压器安全阀进行调研，对国外具有大量供货业绩的先导式安全阀的工作原理和性能参数进行了描述，为该项目稳压器安全阀最终选型提供了依据。

【关键词】压水堆核电厂；反应堆冷却剂系统；超压保护；稳压器安全阀

【Abstract】The third generation PWR is self-developed and self-designed in our country. The pressurizer safety valve as overpressure protection device of reactor coolant system ensure the pressure in the system would not exceed design pressure. The design parameters and reliability of the valves are strict. This article gives a brief description on the working principle and performance of the pilot-operated safety valve overseas， and provide a foundation for the determination of the pressurizer safety valve.

【Key words】PWR nuclear Power Plant； Reactor Coolant System； Overpressure Protection； Pressurizer safety valve

0 引言

华龙一号机组反应堆冷却剂系统设置了稳压器安全阀执行一回路卸压、超压保护、低温超压保护和Feed&Bleed功能。由于国内三代核电机组是全新设计，事故分析要求该阀门需具有较快启闭时间、较高的整定值精度以及较高的可靠性。另外，三代核电机组要求地面基准加速度为0.3g，稳压器安全阀需要满足6g的抗震要求，而目前国内外稳压器安全阀供货商均不能提供满足该要求的设备。因此需要对该项目稳压器安全阀进行重新设计选型和鉴定。

本文针对稳压器安全阀进行了调研和研究。

1 设计要求

1.1 功能要求

稳压器安全阀采用的是先导式控制阀。稳压器安全阀有两种工作模式——“正常保护模式”和“低温超压保护模式”，分别用于电厂正常工况以及电厂升降温工况，由操作员在控制室或者远程停堆站根据反应堆冷却剂系统温度报警信号手动切换。处于正常保护模式时，安全阀受先导箱液压系统控制，在压力超过开启压力设定值时自动起跳开启，进行蒸汽排放；当压力下降到关闭压力时，自动回座关闭。处于低温超压保护模式时，当发生压力瞬态事件，反应堆冷却剂系统压力高于设定值时则仪控系统对电磁线圈通电以强制开启安全阀，卸压后电磁阀断电以关闭阀门。在正常保护模式下，该控制逻辑被闭锁。

1.2 可靠性要求

作为我国自主设计并定位于三代的华龙一号，操作员不干预时间是核电厂对抗事故能力的体现指标之一，目前世界上核电厂操作员事故后不干预时间一般为10到30分钟，随着世界各国对核电厂安全性要求的提高，尤其是第三代核电技术的发展，将事故后操作员不干预时间延长到30分钟是非常必要的，为实现该目标，需将稳压器安全阀误开启事故划分为三类事故，其发生误开启事故的概率应小于IV类事故发生的概率，因此，要求该项目稳压器安全阀具有较高的可靠性。

2 阀门选型

目前，国外具有大量供货业绩的先导式稳压器安全阀供货商主要有Sebim和Sempell，且在国内已建和在建核电站均有类似产品的供货业绩。该文主要针对这两个供货商的产品进行了调研和研究。

2.1 Sebim “Cold Solution”先导式稳压器安全阀

国内M310机组全部采用SEBIM“Cold Solution”稳压器安全阀。每一个安全阀组由串联安装的两台先导式安全阀组成：一台提供卸压功能的上游阀门，称为“保护阀”；一台提供隔离功能的下游阀门，称为“隔离阀”。保护阀和隔离阀几乎一样并且尺寸相同，每一阀门均带有各自的先导箱。

在机组正常运行期间，保护阀关闭，隔离阀开启。如果保护阀在开启之后回座时失效，导致系统压力下降过度，则隔离阀关闭，防止反应堆冷却剂系统进一步卸压。

阀门的先导部分起压力传感和控制的作用。每一个先导箱均包括一个压力探测器，压力探测器由受稳压器压力作用的活塞构成。活塞自身又启动一根由一个调节弹簧定位的传动杆，传动杆上装有一个凸轮，用来开启两个先导阀盘R1和R2。先导阀（R1和R2）的组合动作可以通过控制管线使阀头上部实现增压和卸压，这样可以驱动主阀的关闭和开启。调节弹簧用来设定阀门的整定值。

当稳压器压力低于先导箱的整定压力时，先导阀的传动杆在上面位置，先导阀盘R1开启及主阀活塞上部跟稳压器连通，由于主活塞的表面积比阀瓣大，因此安全阀关闭。

当稳压器压力升高时，它作用在先导箱活塞上，并且使先导传动杆向下，先导阀盘R1关闭，但由于R2也关闭，此时，安全阀仍保持关闭。

当稳压器压力达到先导阀整定压力时，先导传动杆仍进一步向下，先导阀盘R2开启，主阀活塞上部容纳的流体排出，作用在主阀阀瓣上的稳压器压力使安全阀开启。

当稳压器压力降低时，先导传动杆上升，首先关闭R2，开启R1，然后使主阀活塞上部与稳压器接通，于是安全阀关闭。

安全阀在低于其整定压力下，通过使电磁线圈通电，可以“强制开启”。

如果R1处于开启位置（即压力低于R1的整定压力），通过使电磁线圈断电，在主阀活塞上可以重新建立压力并关闭安全阀，相反，如果R1维持关闭（压力高于R1的整定压力），则不能重新建立压力，而且安全阀维持开启状态。

2.2 Sebim hot solution串阀（Tandem）

热态串阀包括保护阀和隔离阀，阀体为一体式锻造。保护阀和隔离阀分别带有一个先导阀控制主阀的启闭，先导阀与冷态串阀中的先导阀（Cabinet）不同，热态串阀的先导阀（DCM）采用“no-flow”的设计，且先导阀直接连接在主阀上，相对于冷态串阀取消了主阀与先导阀之间的连接管线和冷凝罐。

采用串阀的结构设计主要是考虑若保护阀关闭失效，则可通过隔离阀自动关闭以防止一回路系统的过度降压。与冷态串阀一样，Sebim热态串阀（保护阀和隔离阀）分别配有一个强制开启电磁阀，在事故工况下，可通过给电磁阀供电强制开启安全阀，以达到排放的目的。一回路在低温运行时，也可以通过为电磁阀供电强制安全阀，实现低温超压保护功能。

该热态串阀可适用于蒸汽、水和汽水混合物介质，热态串阀的工作原理图如图2所示。

阀门的先导部分起压力传感和控制的作用。每台先导阀由上部先导球形阀瓣和下部先导阀瓣的动作来控制安全阀阀头的充压和排放，从而实现对稳压器安全阀的开启和排放进行控制。

正常运行期间，系统的压力低于先导阀的整定压力，先导球形阀瓣与针形阀接触，下部阀瓣处于开启的位置，阀头与稳压器通过脉冲管连通，阀门处于关闭状态。

当稳压器压力达到先导阀整定压力时，上部球形阀瓣与针形阀脱开并回座，下部先导阀瓣回座且与下部活塞脱开，阀头卸压阀门开始开启。

当稳压器压力降低时，上部针形阀与球形阀瓣接触，排放通道关闭，下部先导阀组件开启，阀头充压，安全阀关闭。

安全阀在低于其整定压力下，通过使电磁线圈通电，可以“强制开启”。

2.3 Sempell先导式安全阀（VS99+Sierion）

Sempell先导式稳压器安全阀（VS99+Sierion）主要由主阀VS99、两套先导阀（Sierion）、电磁阀（PDE）组成。该阀门的主阀可由一套或两套先导阀驱动，提供自动超压保护功能，两套先导阀是冗余设计，在正常运行过程中一套先导阀工作，另一套先导阀作为备用。主阀可以由独立的电磁阀（PDE）强制开启执行释放功能，主阀和先导阀以及电磁阀之间的控制管线设置了截止阀，便于阀门的调试和检修。

该主阀的介质压力作用在阀瓣周围，其密封力取决于阀瓣面积的大小，而非活塞与阀瓣的面积差。当工作压力增大，阀座密封力也会随之增加，即无限载荷式密封形式。阀门在关闭状态下，由于活塞上存在小孔泄漏，活塞上下端面均受到相同的系统压力，主阀不需要使用波纹管。

该先导阀通过螺纹直接连接到主阀上，先导阀主要部件有一个止回阀、一个转换部件、一个释放阀瓣和一个再填充阀瓣等，另外先导阀中还包含有四个波纹管。该先导阀为“non-floating”式设计，阀门的压力整定值由先导阀中的蝶形弹簧设定。该先导阀的原理图图如图3所示。

2.4 Sempell先导式安全阀（VS99+VS66）

Sempell先导式稳压器安全阀（VS99+VS66）主要由主阀VS99、两套先导阀（VS66）、电磁阀（PDE）组成。该阀门与EPR项目稳压器安全阀的主要区别是先导阀不同。在非超压工况下，该先导阀将主阀上腔和低压侧隔离，而脉冲管高压侧介质和低压侧隔离；在超压工况下，先将脉冲管高压介质和低压侧连通，然后活塞上腔也和低压侧直接连通。所以当先导阀开启时，主阀才开启；当先导阀关闭时，主阀也关闭，其特点可以概括为要关全关，要开全开，为典型的有流动式先导阀设计。在形式上，该先导阀由一个弹簧直接加载式脉冲阀和一个止回阀两部分组成。如果工作压力超过由弹簧设定的整定压力时，脉冲阀开启，蒸汽则流过先导阀体的排气通道，推动止回阀侧挡板并使之提升，与挡板连接在一起的止回阀阀瓣升起，于是控制管线开启，与低压侧连通。压力介质从主阀活塞上腔流出，活塞上腔压力下降，则在活塞的上下端面产生压力差，产生向上开启的驱动力而使主阀开启。主阀开启的同时，脉冲阀保持在开启的状态。

该先导阀还可以设置成带辅助驱动装置的先导阀，即设置电磁附加载荷装置，目的是在正常的工况下增加对系统的密封性能。为此先导阀在设计中必须要保证当系统压力到达整定压力后能自动去除该附加电磁载荷。该附加载荷的施加或卸除由压力开关控制。

该先导阀的结构原理图如图4所示。

3 阀门性能

经调研各安全阀的优缺点、启闭时间、整定值精度以及可靠性数据见表1。

4 总结

根据上述调研结果并结合华龙一号稳压器安全阀的设计要求，Sebim先导式稳压器安全阀的整定值精度和可靠性均满足该项目的要求，其热态串阀的启闭时间较冷态串阀快，满足事故分析要求。Sempell先导式安全阀启闭时间较Sebim热态串阀慢，整定值精度较低，且无可靠性数据。但上述阀门均需补充6g的抗震鉴定试验。通过该调研，了解了各供货商先导式稳压器安全阀的工作原理和性能参数等，为华龙一号机组稳压器安全阀设备选型提供了一定的参考。

[责任编辑：杨玉洁]