百萬千瓦核電站安全閥校驗(yàn)改造研究

吳 起，胡文盛，洪 均，許洪川，石屹峰

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

安全閥是壓力容器、鍋爐及壓力管道等承壓設(shè)備的超壓保護(hù)裝置，是保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)安全運(yùn)行的最后一道防線，是保證核安全的重要組成部分。根據(jù)法規(guī)[1-2]要求，安全閥需定期校驗(yàn)，校驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)至少包括整定壓力和密封性能。

目前，在核電站安全閥校驗(yàn)中，因某些系統(tǒng)在日常和大修期間均難以停運(yùn)或隔離，或隔離后產(chǎn)生較大安全風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致安全閥定期校驗(yàn)較為困難并可能引發(fā)安全閥有效期超期等問題；同時(shí)，某些安全閥因定期校驗(yàn)需排放昂貴或者廢氣介質(zhì)，造成了一定的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，除此之外，繁瑣的工序也延長(zhǎng)了校驗(yàn)工期、增加了工作量及電廠運(yùn)行成本。

為解決上述問題，該文提出了三種優(yōu)化改造方案，并在福清核電站進(jìn)行了改造，通過運(yùn)行驗(yàn)證，提高了機(jī)組運(yùn)行安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)效益，并成功應(yīng)用到“華龍一號(hào)”機(jī)組。

1 改造前安全閥校驗(yàn)情況

福清核電站電氣廠房冷凍水系統(tǒng)(DEL)波動(dòng)箱安全閥DEL004VD定期校驗(yàn)時(shí)，需要隔離整個(gè)DEL系統(tǒng)并排空波動(dòng)箱，導(dǎo)致主控、儀控系統(tǒng)(DCS)和配電等房間溫度快速攀升，存在超過技術(shù)規(guī)范要求35 ℃的風(fēng)險(xiǎn)，并觸發(fā)第二組I0(運(yùn)行技術(shù)規(guī)范中要求的安全功能不可用或超出正常運(yùn)行限值)。廢氣處理系統(tǒng)(TEG)緩沖罐安全閥TEG100VY定期校驗(yàn)時(shí)，需要隔離TEG含氫廢氣處理子系統(tǒng)，而TEG系統(tǒng)是兩臺(tái)機(jī)組的公用系統(tǒng)，強(qiáng)行停運(yùn)后會(huì)影響兩臺(tái)機(jī)組的正常排氣，并觸發(fā)第二組I0且排放含氫廢氣；衰變箱TEG004-011BA安全閥校驗(yàn)時(shí)，需先排空含氫廢氣并壓空吹掃，待安全閥校驗(yàn)完畢回裝前，還需氮?dú)獯祾咭詽M足氧含量要求，此過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)并排放大量廢氣引起環(huán)境污染。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)安全閥定期校驗(yàn)時(shí)，需要隔離對(duì)應(yīng)的泵或熱交換器等設(shè)備，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備不可用而觸發(fā)第一組I0。核島冷凍水系統(tǒng)(DEG)冷水機(jī)組安全閥定期校驗(yàn)時(shí)，需先停運(yùn)冷水機(jī)組、再排空設(shè)備內(nèi)制冷劑，安全閥回裝系統(tǒng)后還需對(duì)設(shè)備進(jìn)行打壓、抽真空、重新充注制冷劑等，不僅觸發(fā)第二組I0，還造成制冷劑浪費(fèi)、工序繁瑣、工作量大、工期長(zhǎng)。壓縮空氣生產(chǎn)系統(tǒng)(SAP核島部分)壓縮空氣罐002BA安全閥定期校驗(yàn)時(shí)，需要隔離并排空壓縮空氣罐002BA，即需要停運(yùn)兩臺(tái)應(yīng)急空氣壓縮機(jī)，導(dǎo)致核島壓空不可用，觸發(fā)第一組I0，等等。

2 可行性提升改造

為解決上述問題，該文根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范并結(jié)合業(yè)內(nèi)同行經(jīng)驗(yàn)[10]，提出對(duì)安全閥進(jìn)口加裝隔離閥或增加旁路安全閥的措施。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)安全閥增設(shè)隔離閥的要求

關(guān)于安全閥進(jìn)口是否可以加裝隔離閥問題，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，在采取一定的措施后安全閥進(jìn)口是可以增設(shè)隔離的，具體如表1所示。因此，采取合理、可控的隔離方案，能有效解決安全閥定期校驗(yàn)難的問題，保證了在役安全閥科學(xué)管理和生產(chǎn)實(shí)際需要的利益最大化。

表1 相關(guān)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全閥進(jìn)口安裝隔離閥的要求

2.2 可行性提升改造方案

根據(jù)在安全閥進(jìn)口增設(shè)隔離閥的思路，本文提出三種改造方案，分別為：

(1)方案一：安全閥及備用安全閥進(jìn)口增設(shè)三通隔離閥

方案一如圖1所示，通過并聯(lián)增加備用安全閥，并在安全閥及備用安全閥上游支路安裝三通隔離閥，利用三通隔離閥的兩種工作狀態(tài)，可根據(jù)實(shí)際需要實(shí)時(shí)地對(duì)備、用安全閥進(jìn)行切換操作，從而可以對(duì)備、用安全閥中的任何一臺(tái)進(jìn)行拆檢，而另一臺(tái)處于工作狀態(tài)，使得壓力容器總可以在安全閥的保護(hù)下運(yùn)行。

圖1 改造方案1示意圖Fig.1 Schematic of the transformation plan 1 1—安全閥;2—三通隔離閥;3—90°彎頭;4—法蘭

(2)方案二：安全閥及備用安全閥進(jìn)口均增設(shè)隔離閥

方案二如圖2所示，通過并聯(lián)增加備用安全閥，并在安全閥及備用安全閥進(jìn)口均增加隔離閥，利用兩臺(tái)隔離閥“一開一關(guān)”即可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)安全閥處于“一用一備”狀態(tài)。在安全閥定期校驗(yàn)或解體檢修時(shí)，通過對(duì)兩臺(tái)安全閥的“備、用”切換，即可對(duì)任何一臺(tái)安全閥進(jìn)行拆檢，而承壓設(shè)備總可以在安全閥的保護(hù)下運(yùn)行。

圖2 改造方案2示意圖Fig.2 Schematic of the transformation plan 2 1—安全閥;2—隔離閥;3—等徑三通;4—90°彎頭;5—法蘭

(3)方案三：安全閥進(jìn)口增設(shè)隔離閥及線下備份安全閥

圖3 改造方案3示意圖Fig.3 Schematic of the transformation plan 3 1—安全閥;2—隔離閥;3—法蘭;4—90°彎頭

方案三如圖3所示，在安全閥定期校驗(yàn)時(shí)，可臨時(shí)關(guān)閉安全閥進(jìn)口的隔離閥，通過已校驗(yàn)合格的備用安全閥替換在線安全閥，即可快速解決安全閥的定期校驗(yàn)問題。

2.3 方案比較

以上三種改造方案在特定的應(yīng)用場(chǎng)合都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在具體方案選擇時(shí)，應(yīng)將安全、運(yùn)行工況、經(jīng)濟(jì)成本等結(jié)合起來綜合考慮。三種方案具體優(yōu)缺點(diǎn)見表2所示。

2.4 方案適用性

1)方案一適用于日常/大修期間均難以隔離的非核安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備，或需要排空、吹掃有毒或昂貴介質(zhì)的非核安全相關(guān)設(shè)備的安全閥校驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中需要進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)論證，否則，在檢修或校驗(yàn)過程中一旦出現(xiàn)隔離閥泄漏，后果很嚴(yán)重。

2)方案二適用于日常/大修期間均難以隔離的核安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備，或需要排空、吹掃有毒或昂貴介質(zhì)的核安全相關(guān)設(shè)備的安全閥校驗(yàn)。該方案的安全性優(yōu)于方案一。

3)方案三適用于具有隔離窗口但需排空、吹掃設(shè)備而導(dǎo)致安全閥校驗(yàn)工期長(zhǎng)、工作量大、資源浪費(fèi)以及環(huán)境污染的設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中，需要根據(jù)技術(shù)規(guī)格書進(jìn)行驗(yàn)證更換期間的安全閥功能是否滿足要求。

根據(jù)以上三種優(yōu)化改進(jìn)方案的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)分析，福清核電站安全閥校驗(yàn)優(yōu)化提升改造梳理如表3所示。

表2 三種安全閥隔離優(yōu)化方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較

表3 福清核電站安全閥校驗(yàn)優(yōu)化提升改造梳理統(tǒng)計(jì)

3 改造實(shí)例分析

3.1 方案說明

原設(shè)計(jì)中1DEL系統(tǒng)001BA的安全閥1DEL004VD為單安全閥設(shè)計(jì)，根據(jù)上文分析，采取方案二進(jìn)行提升改造，即在原有安全閥1DEL004VD基礎(chǔ)上旁路一列同參數(shù)、同規(guī)格安全閥，并在安全閥前各增加一臺(tái)手動(dòng)隔離閥，兩臺(tái)手動(dòng)隔離閥始終保持一開一關(guān)，使兩臺(tái)安全閥處于一用一備狀態(tài)。改造前后流程圖如圖4、圖5所示。

圖4 改造前流程圖Fig.4 Flow chart before transformation

圖5 改造后流程圖Fig.5 Flow chart after transformation

3.2 安全閥改造配管設(shè)計(jì)

因需增加隔離閥、三通、彎頭及管道等部件，改造后安全閥入口壓降將會(huì)增大。當(dāng)安全閥開啟排放后，安全閥入口靜壓力低于容器內(nèi)的靜壓力，此時(shí)，若安全閥進(jìn)口管道壓降過大，安全閥進(jìn)口靜壓力低于安全閥回座壓力時(shí)，安全閥即刻關(guān)閉；一旦安全閥關(guān)閉，安全閥進(jìn)口管道內(nèi)無介質(zhì)流動(dòng)，則安全閥進(jìn)口管道內(nèi)的動(dòng)壓頭損失為零，此時(shí)安全閥進(jìn)口靜壓力又回升到容器內(nèi)靜壓力，當(dāng)超過安全閥整定壓力時(shí)，安全閥再次開啟；如此，安全閥反復(fù)啟閉，產(chǎn)生“顫振”。這種“顫振”易使安全閥密封失效或?qū)е履承┝悴考约斑M(jìn)出口管道出現(xiàn)過早疲勞損壞。

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》[6]、HG/T 20570.2—95《安全閥的設(shè)置和選用》[7]《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[8]以及《石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)》[9]對(duì)入口管道的阻力降均規(guī)定：入口管道的阻力降不大于安全閥整定值3%。

因此，在對(duì)安全閥進(jìn)出口配管設(shè)計(jì)時(shí)，需嚴(yán)格計(jì)算安全閥進(jìn)口壓降，使改造后管道設(shè)計(jì)滿足水力學(xué)及系統(tǒng)要求。

(1)管道設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

DEL系統(tǒng)冷凍水波動(dòng)箱1DEL001BA介質(zhì)為除鹽水，密度1 000 kg/m3(20 ℃)，安全閥整定壓力0.2 MPa，喉徑13.3 mm，開啟高度1.3 mm，安全閥進(jìn)口管道規(guī)格為DN20(φ26.7×2.87)，安全閥出口對(duì)空。

(2)安全閥進(jìn)口配管設(shè)計(jì)

根據(jù)原有管道布置并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)空間，改造后安全閥管道設(shè)計(jì)圖如圖6所示。根據(jù)《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[8]下冊(cè)管道流體力學(xué)相關(guān)計(jì)算方法，計(jì)算驗(yàn)證過程如下(針對(duì)管件最多、管道最長(zhǎng)部分進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證)：

圖6 安全閥1DEL004VD改造管道布置圖Fig.6 The transformation pipeline layout of the safety valve 1DEL004VD

安全閥有效通過面積：

A=πDL=3.14×1.33×0.13=0.543 cm2

式中：D——安全閥喉徑，mm；

L——安全閥開啟高度，mm。

安全閥泄放能力：

式中：G——相對(duì)密度，無量綱；

Kp——積聚壓力修正系數(shù)，冷凍水波動(dòng)箱DEL001BA按非火災(zāi)工況下最大積聚壓力(為設(shè)計(jì)壓力的10% )進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)查手冊(cè)，對(duì)應(yīng)積聚壓力修正系數(shù)Kp=0.6。

流體流速：

=0.956 m/s

雷諾數(shù)：

=19 976>4 000 (湍流)

管道相對(duì)粗糙度：

式中：d——管道內(nèi)徑；

ε——管道相對(duì)粗糙度，無量綱。

根據(jù)《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》表25.8，求摩擦因子：

根據(jù)試差法求得摩擦因子λ=0.025 5。

根據(jù)《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[8]表25-11，求得局部阻力系數(shù)如表4所示。

表4 各管件阻力系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

安全閥進(jìn)口阻力壓降：

ΔPf=4 719 Pa<3%P1=0.03×0.2×106=6 000 Pa

即1DEL004VD安全閥進(jìn)口配管設(shè)計(jì)滿足水力學(xué)設(shè)計(jì)要求，可以按照?qǐng)D6的管道設(shè)計(jì)圖進(jìn)行實(shí)施。

4 結(jié)論

關(guān)于核電站安全閥校驗(yàn)存在的共性問題，該文對(duì)福清核電站安全閥校驗(yàn)問題進(jìn)行了梳理，提出了三種提升改造可行性方案，并根據(jù)分析與討論對(duì)安全閥進(jìn)行了分類別改造。改造后經(jīng)運(yùn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)和和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好，該改造經(jīng)驗(yàn)可供業(yè)內(nèi)同行參考。

1)有效解決了某些安全閥定期校驗(yàn)難的問題，避免了安全閥有效期超期的風(fēng)險(xiǎn)，提高了機(jī)組安全性。

2)有效降低了機(jī)組運(yùn)營(yíng)維修成本，避免廢氣排放和資源浪費(fèi)，提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3)部分系統(tǒng)或設(shè)備改造經(jīng)驗(yàn)成功應(yīng)用到“華龍一號(hào)”機(jī)組，提高了“華龍一號(hào)”機(jī)組系統(tǒng)和設(shè)備可靠性。