穩(wěn)壓器安全閥在極限事故工況下的功能研究

　　摘要：分析核電站極限事故應(yīng)急處理與穩(wěn)壓器安全閥在事故中的作用，根據(jù)穩(wěn)壓器安全閥再供電機(jī)理提供其他解決方案，為核電設(shè)計(jì)提供參考。針對(duì)核極限情況下穩(wěn)壓器安全閥容易被忽略的狀態(tài)進(jìn)行闡述和分析，希望能為核電設(shè)計(jì)和運(yùn)行人員提供借鑒。

　　本文源自設(shè)備管理與維修,2020(15):96-99.《設(shè)備管理與維修》雜志創(chuàng)刊于1980年，是跨行業(yè)并直接為企業(yè)設(shè)備管理、維修、改造和節(jié)能、環(huán)保服務(wù)的綜合性信息型技術(shù)刊物。多年來(lái)雜志取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，受到上級(jí)主管部門和廣大讀者的好評(píng)。獲獎(jiǎng)情況獲工商系統(tǒng)全國(guó)"重信譽(yù)、創(chuàng)優(yōu)質(zhì)服務(wù)"稱號(hào)單位。

　　2011年3月11日，日本大地震使得福島第一核電廠1—4號(hào)機(jī)組發(fā)生全廠斷電事故，正常電源及應(yīng)急柴油機(jī)電源都無(wú)法正常工作，反應(yīng)堆堆芯喪失冷卻水源，導(dǎo)致堆芯部分裸露，出現(xiàn)不同程度的堆芯熔化，造成核電史上又一次重大事故。福島事故后，中國(guó)核電站進(jìn)行了一系列的整改工作，其中穩(wěn)壓器安全閥再供電工作作為堆芯余熱排出的重要手段，是其中重要的整改工作之一。

　　1、極限事故分析與穩(wěn)壓器安全閥在事故中的作用

　　根據(jù)福島事故背景，如果核電站發(fā)生全廠斷電事故工況(SBO)，如何順利排出堆芯余熱將成為事故處理首要工作。為應(yīng)付極限事故工況堆芯冷卻，核電站在保留原有安全措施的基礎(chǔ)上，增設(shè)一、二回路等應(yīng)急補(bǔ)水改造。當(dāng)一回路自然循環(huán)可以建立、且二回路緊急排熱路徑暢通，則首先考慮利用二回路排出堆芯余熱，此時(shí)二回路應(yīng)急補(bǔ)水產(chǎn)生作用;當(dāng)二回路排熱手段不可用時(shí)，為防止高壓熔堆的發(fā)生，在嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則中要求在綜合評(píng)估泄壓的好處和潛在風(fēng)險(xiǎn)的前提下，對(duì)一回路進(jìn)行降壓操作。通過(guò)開(kāi)啟穩(wěn)壓器安全閥，使一回路的壓力降低到一定水平(嚴(yán)重事故導(dǎo)則中提到要將壓力降到2MPa以下，壓力值需確保低于補(bǔ)水壓力)。當(dāng)成功實(shí)施一回路泄壓后，則可根據(jù)相關(guān)規(guī)程和嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則的要求，通過(guò)實(shí)施一回路應(yīng)急補(bǔ)水，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)堆芯的冷卻。

　　當(dāng)二回路排熱手段不可用需一回路補(bǔ)水操作時(shí)，如何保證穩(wěn)壓器安全閥的長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟成為一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，只有保證穩(wěn)壓器安全閥的開(kāi)啟才能確保一回路的泄壓和應(yīng)急補(bǔ)水的注入，而同時(shí)保證穩(wěn)壓器安全閥的長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟才能確保應(yīng)急補(bǔ)水帶走熱量流出，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)堆芯的冷卻。

　　目前中國(guó)核電站使用的穩(wěn)壓器安全閥基本是法國(guó)生產(chǎn)的SEBIM安全閥，SEBIM安全閥為世界上技術(shù)先進(jìn)的一類先導(dǎo)式安全閥，為壓水堆核電廠最重要和復(fù)雜的一類閥門，是核島一回路的最后一道壓力屏障。安全閥的低壓保護(hù)功能使其在三哩島事故后得到全世界核電站廣泛的應(yīng)用，可以說(shuō)SEBIM安全閥是針對(duì)解決三哩島事故工況發(fā)展起來(lái)的。穩(wěn)壓器安全閥的作用：確保在RCP系統(tǒng)超壓狀況下將穩(wěn)壓器內(nèi)壓力的及時(shí)釋放，保證系統(tǒng)及設(shè)備的安全;確保RCP系統(tǒng)在低壓狀態(tài)下及時(shí)關(guān)閉閥門，保護(hù)一回路壓力，避免壓力太低造成堆芯融化風(fēng)險(xiǎn)。福島事故后，穩(wěn)壓器安全閥開(kāi)發(fā)的新作用：極限事故工況下，穩(wěn)壓器安全閥恰當(dāng)?shù)拈_(kāi)啟，促使堆芯冷卻水的流出，從而帶走堆芯余熱。

　　2、穩(wěn)壓器安全閥再供電剖析與整改

　　穩(wěn)壓器安全閥位于穩(wěn)壓器頂部，分為3組6臺(tái)，每組由保護(hù)閥和隔離閥組成，正常運(yùn)行情況下保護(hù)閥關(guān)閉，隔離閥通過(guò)電磁閥通電開(kāi)啟。每臺(tái)穩(wěn)壓器安全閥由控制柜和閥體組成。SBO一回路補(bǔ)水工況下，為了排出堆芯余熱，穩(wěn)壓器安全閥保護(hù)閥必須能手動(dòng)開(kāi)啟，而手動(dòng)開(kāi)啟必須借助主控室操作閥門電磁閥通電。但此時(shí)全廠已失電，如何對(duì)穩(wěn)壓器安全閥再供電成為事故處理非常重要的一環(huán)，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，主要有以下兩種解決辦法。

　　2.1 蓄電池為穩(wěn)壓器安全閥電磁閥長(zhǎng)期供電

　　在機(jī)架附近墻上對(duì)A/B列各設(shè)置一個(gè)整流器箱，在應(yīng)急需要的情況下由人手動(dòng)將新增整流器箱電源轉(zhuǎn)接到需要供電的機(jī)架UP設(shè)備上。使用的備用開(kāi)關(guān)為L(zhǎng)NE逆變器下游負(fù)載，LNE逆變器上游由LAA充電器和蓄電池供電，SBO時(shí)由LAA蓄電池為穩(wěn)壓器安全閥長(zhǎng)期供電。LAA蓄電池可以為穩(wěn)壓器安全閥單獨(dú)長(zhǎng)時(shí)間供電，但在事故工況下，LNE逆變器因需要為其他負(fù)載大負(fù)荷供電，此時(shí)可能造成穩(wěn)壓器安全閥電磁閥無(wú)電源供電。

　　2.2 穩(wěn)壓器安全閥電磁閥改型

　　現(xiàn)在使用的電磁閥原理：對(duì)電磁閥通電時(shí)，電磁閥內(nèi)部電磁鐵產(chǎn)生的磁力將穩(wěn)壓器安全閥控制柜控制桿拉下，控制柜控制閥門本體開(kāi)啟;當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，電磁鐵的磁力消失，控制桿在彈簧作用下彈回，控制柜控制閥門本體關(guān)閉。新式電磁閥原理：觸發(fā)閥門開(kāi)啟信號(hào)，電磁閥通電，電磁閥內(nèi)部電磁鐵產(chǎn)生的磁力將穩(wěn)壓器安全閥控制柜控制桿拉下，同時(shí)電磁閥內(nèi)部機(jī)構(gòu)將控制桿鎖住;當(dāng)線路斷電時(shí)，磁力消失，但是控制桿仍舊被鎖住，閥門保持原狀態(tài)開(kāi)啟;觸發(fā)閥門關(guān)閉信號(hào)，控制桿鎖住裝置解除，控制桿在彈簧作用下彈回，控制柜控制閥門本體關(guān)閉。

　　目前的穩(wěn)壓器安全閥電磁閥由UP供電，UP由上游48V母線供電，母線可由有一定電量的蓄電池供電。在事故初期，當(dāng)需要打開(kāi)穩(wěn)壓器安全閥泄壓時(shí)，蓄電池可為電磁閥提供原始電源，電磁閥通電，穩(wěn)壓器安全閥開(kāi)啟，系統(tǒng)泄壓。系統(tǒng)泄壓到一定程度，一回路應(yīng)急補(bǔ)水注入，整個(gè)過(guò)程持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，這時(shí)即使母線失去電源無(wú)法為穩(wěn)壓器安全閥電磁閥供電，穩(wěn)壓器安全閥仍可以保持開(kāi)啟，繼續(xù)保證堆芯的冷卻。新式電磁閥設(shè)計(jì)對(duì)穩(wěn)壓器安全閥長(zhǎng)期供電問(wèn)題是很好的解決路徑。新式電磁閥如圖1所示，比原電磁閥體積大一倍，位置不再安裝在穩(wěn)壓器安全閥控制柜底部，而是安裝在控制柜側(cè)面，電纜接口與原電磁閥接口一致，更換簡(jiǎn)單。新式電磁閥在法國(guó)核電站正在普及推廣，很多核電站已經(jīng)開(kāi)始使用。

　　綜上所述，穩(wěn)壓器安全閥電磁閥改型方案優(yōu)于為穩(wěn)壓器安全閥增加供電路徑方案。

　　3、現(xiàn)有穩(wěn)壓器安全閥在極限事故工況下開(kāi)啟問(wèn)題

　　3.1 穩(wěn)壓器安全閥事故工況下開(kāi)啟現(xiàn)狀

　　極限事故工況下，穩(wěn)壓器安全閥不僅承擔(dān)著一回路超壓保護(hù)的功能，還承擔(dān)著一回路低壓保護(hù)的功能，同時(shí)穩(wěn)壓器安全閥承擔(dān)著在一回路應(yīng)急補(bǔ)水工作中開(kāi)啟的重任，其功能非其他安全閥可以替代。

　　圖1新式穩(wěn)壓器安全閥電磁閥

　　但目前業(yè)界對(duì)現(xiàn)有穩(wěn)壓器安全閥存在普遍的認(rèn)識(shí)誤區(qū)：只要穩(wěn)壓器安全閥電磁閥能通電，穩(wěn)壓器安全閥就能打開(kāi)。但現(xiàn)狀是穩(wěn)壓器安全閥保護(hù)閥在系統(tǒng)處于0.5MPa(5bar)壓力以下無(wú)法開(kāi)啟，即使是在電磁閥通電情況下。

　　穩(wěn)壓器安全閥結(jié)構(gòu)有別于一般安全閥，在系統(tǒng)處于高壓時(shí)，它借助于系統(tǒng)壓力使其密封，系統(tǒng)壓力越大密封越好，但是保護(hù)閥在系統(tǒng)處于低壓狀態(tài)時(shí)，是依靠閥門彈簧壓縮閥瓣使其密封，閥門彈簧力是無(wú)法手動(dòng)解除的，因此閥門無(wú)法開(kāi)啟。

　　圖2為SEBIM保護(hù)閥和隔離閥結(jié)構(gòu)對(duì)比，由于隔離閥在任何壓力工況下都能通過(guò)電磁閥開(kāi)啟，因此通過(guò)對(duì)比兩者的結(jié)構(gòu)差異，分析保護(hù)閥在低壓情況下無(wú)法開(kāi)啟的原因。

　　低壓情況下，保護(hù)閥關(guān)閉隔離閥卻有5mm的自然開(kāi)度，是因?yàn)閮烧叩拈y瓣長(zhǎng)度不一樣，區(qū)別主要在活塞上部彈簧和閥瓣波紋管。(1)保護(hù)閥活塞頂部有2個(gè)粗彈簧，而隔離閥活塞頂部只有一個(gè)細(xì)彈簧，這就保證了保護(hù)閥閥瓣有著較大的向下推力;(2)保護(hù)閥和隔離閥波紋管照片見(jiàn)圖3，從圖3可以看出，保護(hù)閥的波紋管彈簧比隔離閥的波紋管彈簧細(xì)，保護(hù)閥的波紋管彈簧力小，比隔離閥更容易被往下推動(dòng)。在系統(tǒng)無(wú)壓情況下，閥瓣受到的總向下推力F=彈簧向下推力-波紋管向上收縮力。保護(hù)閥彈簧向下推力大，波紋管向上收縮力小，因此閥瓣的總向下推力F較大。而隔離閥相反，其彈簧向下推力小于波紋管向上收縮力，總向下推力F為負(fù)值，閥門保持約5mm的自然開(kāi)度。

　　圖2SEBIM保護(hù)閥和隔離閥閥體結(jié)構(gòu)對(duì)比

　　圖3保護(hù)閥和隔離閥閥瓣對(duì)比

　　而當(dāng)系統(tǒng)處于低壓狀態(tài)并且電磁閥通電時(shí)，由于閥頭活塞頂部為大氣壓狀態(tài)(即表壓為0)，閥瓣底部受到系統(tǒng)壓力，保護(hù)閥閥瓣受到的總向下推力F=彈簧向下推力-波紋管向上收縮力-系統(tǒng)壓力向上推力，系統(tǒng)壓力向上推力F'=P系統(tǒng)×S閥瓣。另外如果要使閥瓣產(chǎn)生向上移動(dòng)，閥瓣還需要克服活塞密封件的摩擦阻力，因此當(dāng)閥瓣向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，閥瓣受到的總向上推力F'=系統(tǒng)壓力向上推力(P系統(tǒng)×S閥瓣)+波紋管向上收縮力-彈簧向下推力-活塞密封件的摩擦阻力。根據(jù)計(jì)算，如果使保護(hù)閥閥瓣受到的總向上推力F'>0，需P系統(tǒng)>0.5MPa(5bar)，即P系統(tǒng)<0.5MPa(5bar)時(shí)，穩(wěn)壓器保護(hù)閥基本不會(huì)開(kāi)啟。

　　3.2 斷電情況下堆芯注水冷卻現(xiàn)狀

　　根據(jù)事故工況導(dǎo)則，一回路需通過(guò)穩(wěn)壓器安全閥泄壓至補(bǔ)水壓力以下后注入應(yīng)急補(bǔ)水，現(xiàn)在一回路應(yīng)急補(bǔ)水的接入口位于EAS和RIS中間的H4管線，通過(guò)RIS管線注入RCP系統(tǒng)。消防車正常出水壓力1MPa，處于0m位置，穩(wěn)壓器安全閥處于核島25m位置，高度差為25m?？紤]消防水在傳輸過(guò)程中存在一定的壓力損耗和管道節(jié)流，消防水壓力到達(dá)穩(wěn)壓器安全閥時(shí)壓力值P=消防水壓力-高壓差對(duì)應(yīng)的壓力值-壓力損耗和管道節(jié)流=0.75MPa(7.5bar)-壓力損耗和管道節(jié)流，該壓力值可能已經(jīng)接近保護(hù)閥的電磁閥通電閥門開(kāi)啟壓力值0.5MPa(5bar)，因此即使穩(wěn)壓器安全閥能推開(kāi)，但穩(wěn)壓器安全閥閥瓣受到的向上推力值(波紋管向上收縮力+系統(tǒng)壓力向上推力-彈簧向下推力-活塞密封件的摩擦阻力)也較小，開(kāi)度有限。而根據(jù)事故導(dǎo)則，在此事故工況下，注入反應(yīng)堆堆芯的有效補(bǔ)水流量要求為不小于40m3/h，此時(shí)穩(wěn)壓器安全閥保護(hù)閥的開(kāi)啟高度無(wú)法使冷卻補(bǔ)水流量超過(guò)40m3/h。

　　3.3 解決辦法

　　針對(duì)存在的問(wèn)題，較好的解決辦法為：(1)提高補(bǔ)水壓力。需提高消防車的供壓能力以及消防軟管的壓力等級(jí)。(2)在能滿足閥門密封力要求的前提下減小保護(hù)閥在低壓狀態(tài)的開(kāi)啟壓力值。針對(duì)方法(2)進(jìn)行以下分析。

　　按照前面的分析，保護(hù)閥閥瓣受到的總向上推力F'=系統(tǒng)壓力向上推力(P系統(tǒng)×S閥瓣)+波紋管向上收縮力-彈簧向下推力-活塞密封件的摩擦阻力。如果需要增大閥瓣受到的總向上推力，在閥門結(jié)構(gòu)上可以采取以下方法：

　　3.3.1 控制彈簧向下推力和波紋管向上收縮力

　　由于保護(hù)閥在正常運(yùn)行工況下需要保證密封，現(xiàn)有的保護(hù)閥彈簧向下推力遠(yuǎn)大于波紋管向上收縮力，目的是保證在系統(tǒng)低壓狀況下閥門有足夠的密封力。但針對(duì)福島事故整改的冷卻水排放要求，同時(shí)在滿足閥門密封力的情況下，彈簧向下推力和波紋管向上收縮力之間的差距可以適當(dāng)縮小。

　　3.3.2 減小活塞密封件的摩擦阻力

　　目前使用的活塞如圖4所示，組件包含有2個(gè)帶內(nèi)彈簧密封件，密封件開(kāi)口朝有壓側(cè)(向上)，密封件在壓力作用下?lián)未螅瑥亩N緊閥頭內(nèi)壁保證密封。從現(xiàn)場(chǎng)檢修情況看，將活塞安裝進(jìn)活塞套需要較大推力，單用成人雙手無(wú)法推進(jìn)，在檢修過(guò)程中使用檢修工具安裝。

　　活塞及密封件的功能：通過(guò)活塞的運(yùn)動(dòng)控制閥瓣運(yùn)動(dòng)，同時(shí)需保證密封。目前針對(duì)減小活塞密封件阻力的解決方案是改變?cè)然钊慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將閥頭與活塞設(shè)計(jì)成波紋管式結(jié)構(gòu)，密封形式變成波紋管靜密封，同時(shí)波紋管的上下伸縮又能滿足類似活塞上下運(yùn)動(dòng)的要求，活塞密封件的摩擦阻力將變成波紋管的上下伸縮力，波紋管的上下伸縮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的活塞上下運(yùn)動(dòng)阻力。

　　結(jié)合上述兩點(diǎn)對(duì)閥門結(jié)構(gòu)改造后，要使穩(wěn)壓器保護(hù)閥閥瓣受到的總向上推力F'>0，系統(tǒng)壓力向上推力(P系統(tǒng)×S閥瓣)將大大減小，S閥瓣為定值，則P系統(tǒng)將大大減小。

　　針對(duì)福島事故冷卻水排放要求而進(jìn)行的閥門本體結(jié)構(gòu)技改，即在滿足閥門密封力的情況下，適當(dāng)縮小彈簧向下推力和波紋管向上收縮力之間的差距，同時(shí)改變活塞結(jié)構(gòu)以減小活塞密封件的摩擦阻力，SEBIM工廠已經(jīng)完成設(shè)計(jì)，目前法國(guó)EDF旗下電廠已安裝使用并成功解決了閥門啟閉的問(wèn)題，圖5為現(xiàn)有的閥門和改造后的閥門。

　　圖4現(xiàn)在使用的活塞

　　圖5新舊閥體外觀

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　穩(wěn)壓器安全閥先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)因三哩島事故而生，同時(shí)在福島事故后的核電站事故處理方案中起到舉足輕重作用。分析核電站在極限工況下事故的成因及處理，根據(jù)穩(wěn)壓器安全閥再供電整改工作要求提出較好的解決方案，同時(shí)指出現(xiàn)有穩(wěn)壓器安全閥在極限事故工況下容易被忽略的問(wèn)題，闡述問(wèn)題的成因，破除認(rèn)識(shí)誤區(qū)，并提出相應(yīng)的解決方案。

　　參考文獻(xiàn)：

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