停堆系統(tǒng)快開(kāi)閥性能分析與改進(jìn)

王曉峰 徐清華 李知博 金宏卓

(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 嘉興 314300)

停堆系統(tǒng)是重水堆所特有的一個(gè)安全系統(tǒng)，也是反應(yīng)堆安全系統(tǒng)中的一個(gè)重要系統(tǒng)。停堆系統(tǒng)中有6個(gè)快開(kāi)閥，其作用就是當(dāng)主控室發(fā)出停堆信號(hào)后，使貯存箱內(nèi)的高壓高純氦氣將6個(gè)毒物罐內(nèi)的硝酸釓注入重水溶液，以迅速終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、降低反應(yīng)堆功率，從而達(dá)到停堆的目的。整個(gè)停堆所用時(shí)間主要包括停堆信號(hào)給出/傳輸時(shí)間、快開(kāi)閥開(kāi)啟時(shí)間和毒物分配時(shí)間，其中快開(kāi)閥開(kāi)啟時(shí)間尤其重要。但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，由于閥門設(shè)計(jì)上存在問(wèn)題，導(dǎo)致閥門開(kāi)啟時(shí)間不能滿足設(shè)計(jì)要求。因此筆者針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)停堆系統(tǒng)快開(kāi)閥的性能和故障原因進(jìn)行分析，提出提高快開(kāi)閥開(kāi)啟時(shí)間的改進(jìn)措施。

1 停堆系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)閥門布置①

某停堆系統(tǒng)快開(kāi)閥組部分采用的是“三取二”邏輯，閥門布置如圖1所示。正常工況下，停堆系統(tǒng)閥門處于常閉狀態(tài)。當(dāng)某個(gè)通道(如G)脫扣時(shí)，隸屬該通道的兩個(gè)快開(kāi)閥(如PV-1G/PV-2G)迅速開(kāi)啟，而該通道的排放閥(PV-3G)則關(guān)閉，使貯存箱壓力僅擴(kuò)散至PV-2J和PV-3G入口，而不對(duì)毒物罐內(nèi)的毒物產(chǎn)生影響。若該通道復(fù)位，兩個(gè)快開(kāi)閥(PV-1G/ PV-2G)關(guān)閉，相應(yīng)的排放閥(PV-3G)開(kāi)啟，PV-1G、PV-2J和PV-3G三個(gè)閥門之間存留的少量與貯存箱內(nèi)壓力相等的氦氣被排至廠房大氣中，當(dāng)這部分氦氣卸壓至70kPa(即逆止閥的回座壓力)時(shí)，逆止閥正向關(guān)閉。若通道G脫扣后另外一個(gè)通道J又脫扣，即PV-1J/ PV-2J開(kāi)啟、PV-3J關(guān)閉，這樣就會(huì)在TK10與PV-1G、PV-2J所在管線間形成通路，氦氣貯存箱內(nèi)的高壓氦氣就迅速將可用的毒物罐內(nèi)的毒物壓入堆芯，停堆系統(tǒng)立即動(dòng)作。

圖1 某停堆系統(tǒng)中的閥門布置示意圖

2 閥門結(jié)構(gòu)原理

每個(gè)閥門的氣缸頂蓋上都裝配了5個(gè)快速進(jìn)/排放口，既用于快速進(jìn)氣又用于快速排氣，改造前的閥門結(jié)構(gòu)如圖2所示。快速排放閥的工作原理如圖3所示，當(dāng)電磁閥得電時(shí)，進(jìn)氣管線中的壓力大于氣缸內(nèi)部壓力，儀表壓空通過(guò)電磁閥進(jìn)入快速排放口的入口經(jīng)出口到達(dá)閥門氣缸，壓縮彈簧使閥門關(guān)上；當(dāng)電磁閥失電時(shí)，進(jìn)氣管線中的壓力小于氣缸內(nèi)部壓力，電磁閥先將快速排放閥入口到電磁閥儀表壓空管中的氣排空，然后閥門氣缸的儀表壓空通過(guò)快速排放閥出口往排放口排氣(不再通過(guò)電磁閥排出氣缸的氣)，彈簧復(fù)位使閥門打開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)快開(kāi)。

圖2 改造前的閥門結(jié)構(gòu)

圖3 快速排放閥的工作原理

為了防止因閥門誤動(dòng)導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆，在閥門的進(jìn)氣管路上裝有備用氣罐并采用雙氣路供氣，以確保閥門在正常狀態(tài)下一直處于關(guān)閉狀態(tài)。

3 閥門時(shí)間測(cè)試

使用氣動(dòng)閥門診斷裝置和HOKIO 8835記錄儀對(duì)閥門行程、位置開(kāi)關(guān)、氣源壓力和電磁閥的氣動(dòng)先導(dǎo)閥供氣壓力進(jìn)行調(diào)整。行程設(shè)定在1.90cm，氣源壓力482kPa，氣動(dòng)先導(dǎo)閥供氣壓力310kPa，行程開(kāi)關(guān)設(shè)定在行程的95%和5%，對(duì)閥門進(jìn)行測(cè)試，時(shí)間均未達(dá)到要求。對(duì)圖4(1in= 25.4mm)中閥門的流量特性曲線進(jìn)行分析，使用氣動(dòng)閥門診斷裝置對(duì)閥門的行程和位置開(kāi)關(guān)進(jìn)行精確設(shè)定(圖5)，當(dāng)閥門開(kāi)到88%(1.67cm)時(shí)，閥門的流量已接近最大，和行程開(kāi)關(guān)設(shè)定在95%時(shí)的流量基本一致，不影響測(cè)試結(jié)果。因此將閥門的位置開(kāi)關(guān)設(shè)定在行程的88%和5%，對(duì)其進(jìn)行數(shù)次時(shí)間測(cè)試后仍未達(dá)到要求，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 閥門流量特性曲線

圖5 閥門行程和位置開(kāi)關(guān)設(shè)定表1 閥門診斷裝置時(shí)間測(cè)試結(jié)果 ms

另外，通過(guò)電站數(shù)字控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)閥門進(jìn)行開(kāi)關(guān)時(shí)間測(cè)試，結(jié)果也均不合格，超出了系統(tǒng)要求。

4 故障原因分析與改進(jìn)

4.1 快開(kāi)閥氣動(dòng)頭排氣速度過(guò)慢

考慮到機(jī)組的安全，快開(kāi)閥被設(shè)計(jì)成失效安全的失氣開(kāi)型，即快開(kāi)閥要開(kāi)啟，氣動(dòng)頭要快速排氣。因此，快開(kāi)閥的開(kāi)啟時(shí)間直接影響排氣速度。排氣時(shí)雖然設(shè)計(jì)有5個(gè)快速排放閥，但這5個(gè)快速排放閥是串聯(lián)的，導(dǎo)致各個(gè)快速排放閥的排氣量分配存在很大差異，使各快速排放閥不能各盡所能?？扉_(kāi)閥氣動(dòng)頭最初的設(shè)計(jì)如圖6所示，電磁閥安裝在閥門的側(cè)面，與最近的快速排放閥連接管線也有1m左右，當(dāng)電磁閥失電，快速排放閥入口至電磁閥這段管子放完氣需要126ms。由于電磁閥與5個(gè)快速排放閥的距離不同，使快速排放閥入口的壓空排空時(shí)間不一致，導(dǎo)致5個(gè)快速排放閥動(dòng)作時(shí)間不一致(時(shí)間相差3ms)，進(jìn)一步增加了閥門的開(kāi)閥時(shí)間。由于閥門的開(kāi)啟時(shí)間遠(yuǎn)達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，經(jīng)分析，初步原因是供氣管線過(guò)長(zhǎng)，管線中的氣體容量較大，導(dǎo)致電磁閥失電后排氣緩慢，造成了閥門開(kāi)啟時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。由于閥門的快速進(jìn)/排氣口是當(dāng)進(jìn)氣管線中的壓力低于氣缸內(nèi)部壓力時(shí)才能進(jìn)行快速排氣，而與5個(gè)快速排放口相連的進(jìn)氣管中的剩余氣體都是通過(guò)電磁閥排出的，管線越長(zhǎng)，容積越大，管線中的氣體排空和壓力下降的時(shí)間就越長(zhǎng)，所以閥門開(kāi)啟時(shí)間越長(zhǎng)?；诖?，將與5個(gè)快速排放口相連的進(jìn)氣管線改為環(huán)狀連接，如圖7所示，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，閥門開(kāi)啟時(shí)間為202ms左右，開(kāi)啟時(shí)間雖有較大改善，但仍不符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖6 改造前快開(kāi)閥氣動(dòng)頭設(shè)計(jì)

圖7 閥門氣缸俯視圖

在圖7中的B點(diǎn)和A點(diǎn)處各接入一個(gè)壓力傳感器，分別測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的壓力下降速度，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，A點(diǎn)的壓降速度略滯后于B點(diǎn)，因此認(rèn)為閥門開(kāi)啟緩慢是由于排氣口單一，導(dǎo)致與5個(gè)排放口相連的進(jìn)氣管線中的余氣不能很快從電磁閥排出。因此在圖7中的A點(diǎn)處增加一個(gè)電磁閥，即增加一個(gè)排氣口。經(jīng)過(guò)再次試驗(yàn)，時(shí)間測(cè)試結(jié)果為129ms，雖然仍達(dá)不到系統(tǒng)要求，但與先前的測(cè)試結(jié)果相比已經(jīng)有了很大的提高?？紤]到停堆系統(tǒng)是一個(gè)專設(shè)安全系統(tǒng)，增加一個(gè)電磁閥不僅會(huì)增加相應(yīng)的成本，更重要的是更改了系統(tǒng)原來(lái)的設(shè)計(jì)方案，因此考慮到系統(tǒng)的邏輯控制及抗震性能等多方面因素，此方案不宜考慮。

經(jīng)過(guò)此次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，排氣問(wèn)題是影響閥門開(kāi)啟時(shí)間的主要原因，而改善進(jìn)/排氣管線的布局是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。為了減少電磁閥的放氣時(shí)間并使5個(gè)排放閥同步動(dòng)作，對(duì)閥門的進(jìn)/排氣管布局進(jìn)行了優(yōu)化更改，如圖8所示。在不改變排氣管直徑的情況下，在氣動(dòng)頭上方安裝了一個(gè)爪形氣路分配器，從該分配器均勻引出5個(gè)排氣支管，由此5個(gè)快速排放閥連接方式變成了純粹的并聯(lián)安裝。把電磁閥放到閥門的正上方，使電磁閥離5個(gè)排放口的距離均在40mm左右，這樣改進(jìn)后，與電磁閥和各排氣口相連的管線長(zhǎng)度相同，從而保證了閥門開(kāi)啟時(shí)，進(jìn)/排氣管線中的氣體從電磁閥排氣口排出速度基本一致，進(jìn)一步減少氣體在排氣管線內(nèi)滯留的時(shí)間，即減少了閥門的開(kāi)啟時(shí)間。改造后，當(dāng)電磁閥失電，快速排放閥入口至電磁閥這段管子放完氣只需63ms，節(jié)省了近一半的時(shí)間，5個(gè)快速排放口同步動(dòng)作，將閥門氣缸里的氣體迅速排空，極大地提高了閥門的開(kāi)啟時(shí)間(開(kāi)閥時(shí)間約120ms)，但是仍達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，效果與增加一個(gè)電磁閥相同。但此改進(jìn)方法的效果明顯，且不需要增加控制邏輯，成本增加少，容易實(shí)現(xiàn)。

圖8 改造后閥門氣管布局

另外發(fā)現(xiàn)，原來(lái)的排氣管用割管器切割后，沒(méi)有很好的去除毛刺。一般情況下，毛刺對(duì)氣體的阻力很小，可以忽略，但快開(kāi)閥開(kāi)啟時(shí)間很快，相應(yīng)的排氣速度也很快(毫秒級(jí))，此時(shí)阻力的影響已經(jīng)不能再忽略不計(jì)。而且，根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)可知，流體經(jīng)過(guò)一個(gè)障礙物后會(huì)形成旋渦，速度很快時(shí)，氣旋對(duì)流速的影響也相應(yīng)增大。因此，在安裝新的排氣管線時(shí)，應(yīng)特別注意去除毛刺，力求每一根管子的毛刺都處理干凈，盡可能地減小開(kāi)閥時(shí)間。

4.2 快開(kāi)閥氣動(dòng)頭內(nèi)彈簧的彈性系數(shù)偏小

閥門氣缸彈簧的彈力對(duì)閥門快速動(dòng)作也起到很大的作用。為了使閥門的開(kāi)啟速度更快一些,在閥門氣缸彈簧上加了3.5cm厚的墊片，以增加彈簧的彈力，使彈簧復(fù)位時(shí)彈性勢(shì)能增大，在摩擦力不變的情況下，閥門動(dòng)作更加迅速，減少閥門開(kāi)啟時(shí)間。改造完成后，對(duì)閥門進(jìn)行了多次測(cè)試，平均動(dòng)作時(shí)間為100ms。

根據(jù)彈簧彈力公式、牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律和速度公式，推導(dǎo)出開(kāi)閥時(shí)間t與彈簧伸長(zhǎng)或縮短的長(zhǎng)度x的公式：彈簧彈力f=k×Δx，其中，k是彈性系數(shù)。

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，彈簧所受的作用力f=m×a=m×x″，m是彈簧質(zhì)量，a是彈簧加速度，x″是彈簧伸長(zhǎng)或縮短的長(zhǎng)度。令：

k×Δx=m×x″

不同彈簧的閥門行程變化如圖9所示，可以看出，首先相同的閥門行程變化，所需的開(kāi)閥時(shí)間是不同的，所以先把彈簧壓得越緊，閥門開(kāi)閥的時(shí)間越短；其次是增加彈簧彈性系數(shù)k可使閥門開(kāi)閥的時(shí)間減小。因此，閥門改造不僅需要更改進(jìn)/

圖9 不同彈簧的行程變化

排氣管線的布局，而且也需要更換彈性系數(shù)更大的彈簧。廠家采用彈性系數(shù)大的彈簧替換了原彈簧，后經(jīng)驗(yàn)證，其確實(shí)加快了快開(kāi)閥的開(kāi)啟時(shí)間。

考慮到正常工況下閥門管道里有8.3MPa壓力作用在閥芯，使閥芯有很大的向上提力，因此在增加氣缸彈簧力的同時(shí)將閥門的氣源減壓閥由原來(lái)的482kPa增加到516kPa，以確保閥門在正常運(yùn)行期間能夠全關(guān)，不發(fā)生泄漏。

4.3 快開(kāi)閥的填料函力矩過(guò)大

在閥門調(diào)試中還發(fā)現(xiàn)，快開(kāi)閥出廠時(shí)的填料函力矩比維修手冊(cè)的規(guī)定值高出好幾倍，這就意味著閥門動(dòng)作時(shí)要克服更大的摩擦力，使閥門動(dòng)作相應(yīng)變慢。經(jīng)過(guò)多次確認(rèn)后，將填料函力矩調(diào)整為正常值。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)閥門做了如下更改(最終設(shè)計(jì))：

a. 改變閥門的氣源管線布局；

b. 更換閥門彈簧，加大彈簧彈力；

c. 將閥門氣源壓力設(shè)定在516kPa；

d. 減小閥門的填料函力矩；

e. 處理掉氣源管線上的毛刺。

在6個(gè)閥門進(jìn)行改造后，用數(shù)據(jù)中心應(yīng)用性能分析決策系統(tǒng)(DCC)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(CI)報(bào)警對(duì)閥門進(jìn)行了測(cè)試，所有閥門開(kāi)啟時(shí)間測(cè)試結(jié)果不大于112ms，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

在反應(yīng)堆裝料前將兩個(gè)機(jī)組的12個(gè)快開(kāi)閥全部改造試驗(yàn)完成，通過(guò)氣動(dòng)閥診斷裝置和記錄儀在閥門安裝現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和在控制室通過(guò)DCC測(cè)量，閥門的開(kāi)啟時(shí)間都在112ms以下，閥門參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。并且通過(guò)反應(yīng)堆帶功率觸發(fā)驗(yàn)證，系統(tǒng)工作良好，閥門動(dòng)作正常，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證了反應(yīng)堆的可靠運(yùn)行。兩個(gè)機(jī)組運(yùn)行至今，歷次大修現(xiàn)場(chǎng)性能檢查工況一直良好。