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急處理與穩(wěn)壓器安全閥在事故中的作用，根據穩(wěn)壓器安全閥再供電機理提供其他解決方案，為核電設計提供參考。針對核極限情況下穩(wěn)壓器安全閥容易被忽略的狀態(tài)進行闡述和分析，希望能為核電設計和運行人員提供借鑒。

　　本文源自設備管理與維修,2020(15):96-99.《設備管理與維修》雜志創(chuàng)刊于1980年，是跨行業(yè)并直接為企業(yè)設備管理、維修、改造和節(jié)能、環(huán)保服務的綜合性信息型技術刊物。多年來雜志取得了良好的社會效益和經濟效益，受到上級主管部門和廣大讀者的好評。獲獎情況獲工商系統(tǒng)全國"重信譽、創(chuàng)優(yōu)質服務"稱號單位。

　　2011年3月11日，日本大地震使得福島第一核電廠1—4號機組發(fā)生全廠斷電事故，正常電源及應急柴油機電源都無法正常工作，反應堆堆芯喪失冷卻水源，導致堆芯部分裸露，出現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，中國核電站進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上，增設一、二回路等應急補水改造。當一回路自然循環(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，此時二回路應急補水產生作用;當二回路排熱手段不可用時，為防止高壓熔堆的發(fā)生，在嚴重事故管理導則中要求在綜合評估泄壓的好處和潛在風險的前提下，對一回路進行降壓操作。通過開啟穩(wěn)壓器安全閥，使一回路的壓力降低到一定水平(嚴重事故導則中提到要將壓力降到2MPa以下，壓力值需確保低于補水壓力)。當成功實施一回路泄壓后，則可根據相關規(guī)程和嚴重事故管理導則的要求，通過實施一回路應急補水，最終實現對堆芯的冷卻。

　　當二回路排熱手段不可用需一回路補水操作時，如何保證穩(wěn)壓器安全閥的長時間開啟成為一個很重要的環(huán)節(jié)，只有保證穩(wěn)壓器安全閥的開啟才能確保一回路的泄壓和應急補水的注入，而同時保證穩(wěn)壓器安全閥的長時間開啟才能確保應急補水帶走熱量流出，最終實現對堆芯的冷卻。

　　目前中國核電站使用的穩(wěn)壓器安全閥基本是法國生產的SEBIM安全閥，SEBIM安全閥為世界上技術先進的一類先導式安全閥，為壓水堆核電廠最重要和復雜的一類閥門，是核島一回路的最后一道壓力屏障。安全閥的低壓保護功能使其在三哩島事故后得到全世界核電站廣泛的應用，可以說SEBIM安全閥是針對解決三哩島事故工況發(fā)展起來的。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)壓器內壓力的及時釋放，保證系統(tǒng)及設備的安全;確保RCP系統(tǒng)在低壓狀態(tài)下及時關閉閥門，保護一回路壓力，避免壓力太低造成堆芯融化風險。福島事故后，穩(wěn)壓器安全閥開發(fā)的新作用：極限事故工況下，穩(wěn)壓器安全閥恰當的開啟，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，每組由保護閥和隔離閥組成，正常運行情況下保護閥關閉，隔離閥通過電磁閥通電開啟。每臺穩(wěn)壓器安全閥由控制柜和閥體組成。SBO一回路補水工況下，為了排出堆芯余熱，穩(wěn)壓器安全閥保護閥必須能手動開啟，而手動開啟必須借助主控室操作閥門電磁閥通電。但此時全廠已失電，如何對穩(wěn)壓器安全閥再供電成為事故處理非常重要的一環(huán)，針對這個問題，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期供電

　　在機架附近墻上對A/B列各設置一個整流器箱，在應急需要的情況下由人手動將新增整流器箱電源轉接到需要供電的機架UP設備上。使用的備用開關為LNE逆變器下游負載，LNE逆變器上游由LAA充電器和蓄電池供電，SBO時由LAA蓄電池為穩(wěn)壓器安全閥長期供電。LAA蓄電池可以為穩(wěn)壓器安全閥單獨長時間供電，但在事故工況下，LNE逆變器因需要為其他負載大負荷供電，此時可能造成穩(wěn)壓器安全閥電磁閥無電源供電。

　　2.2 穩(wěn)壓器安全閥電磁閥改型

　　現在使用的電磁閥原理：對電磁閥通電時，電磁閥內部電磁鐵產生的磁力將穩(wěn)壓器安全閥控制柜控制桿拉下，控制柜控制閥門本體開啟;當電磁閥斷電時，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閉。新式電磁閥原理：觸發(fā)閥門開啟信號，電磁閥通電，電磁閥內部電磁鐵產生的磁力將穩(wěn)壓器安全閥控制柜控制桿拉下，同時電磁閥內部機構將控制桿鎖住;當線路斷電時，磁力消失，但是控制桿仍舊被鎖住，閥門保持原狀態(tài)開啟;觸發(fā)閥門關閉信號，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，當需要打開穩(wěn)壓器安全閥泄壓時，蓄電池可為電磁閥提供原始電源，電磁閥通電，穩(wěn)壓器安全閥開啟，系統(tǒng)泄壓。系統(tǒng)泄壓到一定程度，一回路應急補水注入，整個過程持續(xù)很長時間，這時即使母線失去電源無法為穩(wěn)壓器安全閥電磁閥供電，穩(wěn)壓器安全閥仍可以保持開啟，繼續(xù)保證堆芯的冷卻。新式電磁閥設計對穩(wěn)壓器安全閥長期供電問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面，電纜接口與原電磁閥接口一致，更換簡單。新式電磁閥在法國核電站正在普及推廣，很多核電站已經開始使用。

　　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、現有穩(wěn)壓器安全閥在極限事故工況下開啟問題

　　3.1 穩(wěn)壓器安全閥事故工況下開啟現狀

　　極限事故工況下，穩(wěn)壓器安全閥不僅承擔著一回路超壓保護的功能，還承擔著一回路低壓保護的功能，同時穩(wěn)壓器安全閥承擔著在一回路應急補水工作中開啟的重任，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)界對現有穩(wěn)壓器安全閥存在普遍的認識誤區(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。但現狀是穩(wěn)壓器安全閥保護閥在系統(tǒng)處于0.5MPa(5bar)壓力以下無法開啟，即使是在電磁閥通電情況下。

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

　　圖2為SEBIM保護閥和隔離閥結構對比，由于隔離閥在任何壓力工況下都能通過電磁閥開啟，因此通過對比兩者的結構差異，分析保護閥在低壓情況下無法開啟的原因。

　　低壓情況下，保護閥關閉隔離閥卻有5mm的自然開度，是因為兩者的閥瓣長度不一樣，區(qū)別主要在活塞上部彈簧和閥瓣波紋管。(1)保護閥活塞頂部有2個粗彈簧，而隔離閥活塞頂部只有一個細彈簧，這就保證了保護閥閥瓣有著較大的向下推力;(2)保護閥和隔離閥波紋管照片見圖3，從圖3可以看出，保護閥的波紋管彈簧比隔離閥的波紋管彈簧細，保護閥的波紋管彈簧力小，比隔離閥更容易被往下推動。在系統(tǒng)無壓情況下，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為負值，閥門保持約5mm的自然開度。

　　圖2SEBIM保護閥和隔離閥閥體結構對比

　　圖3保護閥和隔離閥閥瓣對比

　　而當系統(tǒng)處于低壓狀態(tài)并且電磁閥通電時，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生向上移動，閥瓣還需要克服活塞密封件的摩擦阻力，因此當閥瓣向上運動時，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。根據計算，如果使保護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，穩(wěn)壓器保護閥基本不會開啟。

　　3.2 斷電情況下堆芯注水冷卻現狀

　　根據事故工況導則，一回路需通過穩(wěn)壓器安全閥泄壓至補水壓力以下后注入應急補水，現在一回路應急補水的接入口位于EAS和RIS中間的H4管線，通過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。考慮消防水在傳輸過程中存在一定的壓力損耗和管道節(jié)流，消防水壓力到達穩(wěn)壓器安全閥時壓力值P=消防水壓力-高壓差對應的壓力值-壓力損耗和管道節(jié)流=0.75MPa(7.5bar)-壓力損耗和管道節(jié)流，該壓力值可能已經接近保護閥的電磁閥通電閥門開啟壓力值0.5MPa(5bar)，因此即使穩(wěn)壓器安全閥能推開，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，開度有限。而根據事故導則，在此事故工況下，注入反應堆堆芯的有效補水流量要求為不小于40m3/h，此時穩(wěn)壓器安全閥保護閥的開啟高度無法使冷卻補水流量超過40m3/h。

　　3.3 解決辦法

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

　　按照前面的分析，保護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，在閥門結構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

　　由于保護閥在正常運行工況下需要保證密封，現有的保護閥彈簧向下推力遠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。但針對福島事故整改的冷卻水排放要求，同時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個帶內彈簧密封件，密封件開口朝有壓側(向上)，密封件在壓力作用下撐大，從而貼緊閥頭內壁保證密封。從現場檢修情況看，將活塞安裝進活塞套需要較大推力，單用成人雙手無法推進，在檢修過程中使用檢修工具安裝。

　　活塞及密封件的功能：通過活塞的運動控制閥瓣運動，同時需保證密封。目前針對減小活塞密封件阻力的解決方案是改變原先活塞的結構設計，將閥頭與活塞設計成波紋管式結構，密封形式變成波紋管靜密封，同時波紋管的上下伸縮又能滿足類似活塞上下運動的要求，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遠小于現有的活塞上下運動阻力。

　　結合上述兩點對閥門結構改造后，要使穩(wěn)壓器保護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。

　　針對福島事故冷卻水排放要求而進行的閥門本體結構技改，即在滿足閥門密封力的情況下，適當縮小彈簧向下推力和波紋管向上收縮力之間的差距，同時改變活塞結構以減小活塞密封件的摩擦阻力，SEBIM工廠已經完成設計，目前法國EDF旗下電廠已安裝使用并成功解決了閥門啟閉的問題，圖5為現有的閥門和改造后的閥門。

　　圖4現在使用的活塞

　　圖5新舊閥體外觀

　　4、結束語

　　穩(wěn)壓器安全閥先導式結構因三哩島事故而生，同時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，同時指出現有穩(wěn)壓器安全閥在極限事故工況下容易被忽略的問題，闡述問題的成因，破除認識誤區(qū)，并提出相應的解決方案。

　　參考文獻：

　　[1]中國核動力研究設計院.穩(wěn)壓器安全閥組功能試驗導則[Z].

　　[2]法國SEBIM公司.穩(wěn)壓器安全閥運行維修手冊[Z].2008.

　　[3]中國核動力研究設計院.穩(wěn)壓器安全閥設備規(guī)格書[Z].