AP1000核島主要閥門特點(diǎn)
一、前言
第三代AP1000壓水堆核電廠的安全系統(tǒng)采用非能動(dòng)系統(tǒng)，利用自然物理現(xiàn)象(蒸發(fā)、冷凝、自然循環(huán)、自然對(duì)流等)以及氣體蓄能驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)，帶走堆芯余熱和安全殼的熱量，不需要外部能源。非能動(dòng)設(shè)計(jì)理念的引入，使核電站的設(shè)計(jì)發(fā)生了根本的變化：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，系統(tǒng)設(shè)置簡(jiǎn)化，工藝布置簡(jiǎn)化，施工量減少，工期縮短、運(yùn)行和維修簡(jiǎn)化等一系列效應(yīng)，并大量減少了閥門的數(shù)量，AP1000核電廠一個(gè)機(jī)組用核級(jí)閥門數(shù)量只是M310堆型核電廠一個(gè)機(jī)組用閥門數(shù)量的20%左右，如AP1000的核級(jí)閥門為662臺(tái)，而M310堆型兩個(gè)機(jī)組的核級(jí)閥門約6000臺(tái)。
AP1000核島核級(jí)閥門的物項(xiàng)編碼及數(shù)量，見(jiàn)下表。
AP1000的核級(jí)閥門數(shù)量雖然有大幅度的減少，但是核級(jí)閥門的技術(shù)技術(shù)難度也更大，甚至有些非核級(jí)閥門都有超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。本文僅就AP1000核島幾個(gè)主要閥門使用情況和特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，供業(yè)內(nèi)同行參考。
二、爆破閥
AP1000爆破閥是首次引入壓水堆核電廠機(jī)組，用于AP1000非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)，數(shù)量總計(jì)12臺(tái)，使用位置如下圖所示。
爆破閥在非能動(dòng)堆芯系統(tǒng)中應(yīng)用圖
1.自動(dòng)降壓系統(tǒng)(ADS)的第4級(jí)自動(dòng)降壓子系統(tǒng)
1)每一路的爆破閥是通過(guò)電動(dòng)閘閥(常開(kāi)、直流電動(dòng)機(jī))直接連接到反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)熱管段的頂端。
2)功能：閥門打開(kāi)時(shí)為RCS降壓。
3)ADS系統(tǒng)第4級(jí)自動(dòng)降壓子系統(tǒng)中，共設(shè)有4臺(tái)DN350爆破閥。
2.低壓安注回路
1)安全殼內(nèi)換料水箱(IRWST)的水靠重力通過(guò)并聯(lián)的兩條管線上爆破閥(其與止回閥是串聯(lián)連接的)向反應(yīng)堆堆芯注水進(jìn)行冷卻。
2)功能：閥門打開(kāi)提供LOCA事故后IRWST注入。
3)低壓安注回路上爆破閥是用來(lái)隔離IRWST安注管線。
4)低壓安注回路中，共設(shè)有4臺(tái)DN200爆破閥。
3.安全殼再循環(huán)回路
1)再循環(huán)水一路通過(guò)爆破閥和與其串聯(lián)連接的止回閥、另一路通過(guò)爆破閥和與其串聯(lián)連接的電動(dòng)閘閥(常開(kāi)、直流電動(dòng)機(jī))實(shí)現(xiàn)安全殼再循環(huán)，對(duì)反應(yīng)堆堆芯提供長(zhǎng)期冷卻。
2)功能：LOCA事故后閥門打開(kāi)提供安全殼再循環(huán)，或概率分析評(píng)估(PRA)嚴(yán)重事故期間疏排IRWST內(nèi)的水。
3)安全殼再循環(huán)回路上爆破閥是用來(lái)隔離安全殼再循環(huán)管線。
4)安全殼再循環(huán)回路中，共設(shè)有4臺(tái)DN200爆破閥。
4.爆破閥的特點(diǎn)
1)爆破閥是一種火工品驅(qū)動(dòng)的閥門。
2)正常運(yùn)行時(shí)，爆破閥處于關(guān)閉狀態(tài)，僅供一次動(dòng)作使用。
3)爆破閥的動(dòng)作過(guò)程是不可逆的，其不存在任何誤關(guān)閉的可能性。
4)爆破閥關(guān)閉時(shí)密封是靠密閉的剪切蓋來(lái)保證的，因而也不存在泄漏的可能性。
5)電信號(hào)使爆破閥驅(qū)動(dòng)裝置上點(diǎn)火器全發(fā)火，引爆藥筒內(nèi)火藥，其產(chǎn)生的能量將系住活塞的拉力螺栓斷裂，這樣活塞就快速下降沖擊剪斷閥門流道處密閉的剪切蓋，使閥門打開(kāi)，以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
6)為防止藥筒內(nèi)火藥的老化，在電廠運(yùn)行階段，每2年取爆破閥驅(qū)動(dòng)裝置總數(shù)的1/4進(jìn)行定期試驗(yàn)、更換。這樣爆破閥驅(qū)動(dòng)裝置上點(diǎn)火器和藥筒在電廠的最長(zhǎng)服役期為8年。
爆破閥的這些特點(diǎn)與二代或二代改進(jìn)型壓水堆核電站用閥門有著本質(zhì)的不同。其技術(shù)難度主要關(guān)注以下內(nèi)容：①爆破閥總體設(shè)計(jì)技術(shù)。②爆破閥上拉力螺栓分析。④爆破閥上剪切蓋分析。⑤爆破閥驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)(火藥藥劑的主要成分及性能分析)。⑥爆破閥驅(qū)動(dòng)裝置上的點(diǎn)火器可靠性分析。⑦爆破閥驅(qū)動(dòng)裝置的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)。
三、穩(wěn)壓器安全閥
1.AP1000穩(wěn)壓器安全閥特點(diǎn)
1)采用全封閉、彈簧加載式安全閥。
2)開(kāi)啟特性是突開(kāi)型，且設(shè)有背壓補(bǔ)償裝置(波紋管)。
3)在穩(wěn)壓器上共設(shè)有2臺(tái)穩(wěn)壓器安全閥。
4)主要設(shè)計(jì)功能為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)提供超壓保護(hù)。
設(shè)計(jì)壽命內(nèi)閥門能經(jīng)受240次整定壓力試驗(yàn)(部分升程);應(yīng)設(shè)計(jì)成具有173次循環(huán)運(yùn)行壽命。
2.一次循環(huán)
閥門正常關(guān)閉，閥門進(jìn)口處為飽和蒸汽;當(dāng)進(jìn)口介質(zhì)壓力達(dá)到閥門整定壓力時(shí)，由進(jìn)口介質(zhì)壓力直接作用在閥瓣，使閥門自動(dòng)開(kāi)啟;在ASMEBPVC—III規(guī)定壓力下閥門應(yīng)達(dá)到額定排量;排放到ASMEBPVCIII規(guī)定壓力后閥門應(yīng)回座。
API526“鋼制法蘭連接安全釋放閥”表中給出了17個(gè)安全閥標(biāo)準(zhǔn)喉口尺寸系列，其分別用字母表示為：D、E、F、G、H、I、G、K、L、M、N、O、P、Q、R、S、T。根據(jù)AP1000穩(wěn)壓器安全閥設(shè)計(jì)參數(shù)：整定壓力：17.24MPa(絕對(duì)壓力);超過(guò)壓力：3%;額定排量：94.50kg/s要求，其喉口尺寸系列為“P”，即喉口面積41.16cm2或喉口直徑72.4mm。
由于AP1000穩(wěn)壓器安全閥排量大，整定壓力高，故需重點(diǎn)關(guān)注安全閥性能試驗(yàn)，其試驗(yàn)項(xiàng)目有：①整定壓力。②排放壓力或超過(guò)壓力。③開(kāi)啟高度。④回座壓力或啟閉壓差。⑤用目視或聽(tīng)覺(jué)確定閥門機(jī)械特性(良好的回座能力;有無(wú)頻跳、顫振、卡阻或有害的振動(dòng))。⑥閥門動(dòng)作的重復(fù)性。
四、主蒸汽安全閥
1.AP1000主蒸汽安全閥特點(diǎn)
1)采用敞開(kāi)、彈簧加載式安全閥。
2)開(kāi)啟特性為突開(kāi)，且設(shè)計(jì)成雙排口結(jié)構(gòu)形式。
3)每條主蒸汽管線上設(shè)有6臺(tái)主蒸汽安全閥，共12臺(tái)閥門。
4)主要設(shè)計(jì)功能是對(duì)蒸汽發(fā)生器提供超壓保護(hù)。
5)設(shè)計(jì)壽命內(nèi)閥門能經(jīng)受240次整定壓力試驗(yàn)(部分升程);應(yīng)設(shè)計(jì)成具有300次循環(huán)運(yùn)行壽命。
2.設(shè)計(jì)參數(shù)
根據(jù)AP1000主蒸汽安全閥設(shè)計(jì)參數(shù)：整定壓力：8.56MPa;超過(guò)壓力：3%;額定排量：621000kg/h，其喉口尺寸系列為：喉口面積182.39cm2或喉口直徑152.4mm，該喉口尺寸系列比API526中給出最大“T”還略大一點(diǎn)，“T”尺寸系列的喉口面積為167.74cm2或喉口直徑146mm。因此，尤其需關(guān)注AP1000主蒸汽安全閥性能試驗(yàn)。
五、主蒸汽隔離閥
1.AP1000主蒸汽隔離閥主要特點(diǎn)
1)電廠正常運(yùn)行時(shí)閥門保持在全開(kāi)位置，在規(guī)定的所有電廠運(yùn)行模式下，接到主蒸汽隔離信號(hào)后5s內(nèi)快速自動(dòng)隔離，以切斷蒸汽流量。
2)采用“對(duì)稱楔式”雙閘板閘閥結(jié)構(gòu)形式。
3)驅(qū)動(dòng)裝置上氣體儲(chǔ)罐中氮?dú)庾鳛椴粫?huì)失效的關(guān)閉彈簧，以實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉的功能。驅(qū)動(dòng)裝置上還設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立的液壓回路，提供足夠的能量克服氮?dú)鈮毫Γ詫?shí)現(xiàn)相互獨(dú)立的正常開(kāi)啟和關(guān)閉功能。
2.注意事項(xiàng)
閥門規(guī)格已達(dá)到DN950mm，其閥座處直徑為749.3mm;而一般二代閥門規(guī)格是DN800mm，其閥座處直徑最大也只達(dá)到592mm。因而需特別關(guān)注：①5s內(nèi)快速關(guān)閉。②閥座處蒸汽流速。③汽蝕、振動(dòng)或噪聲。④閥體鑄件外形尺寸、厚度以及重量是否已達(dá)到鑄造工藝極限。
六、結(jié)語(yǔ)
AP1000核電站作為我國(guó)引進(jìn)的第三代核電站技術(shù)，雖然其核級(jí)閥門數(shù)量大為減少，但技術(shù)要求、技術(shù)難度、零部件加工要求都更高;試驗(yàn)、驗(yàn)證和鑒定方面都有特定的要求;分析和計(jì)算尤其是可靠性分析等方面都有特殊規(guī)定的要求。有的閥門結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)方式在我國(guó)的核電廠中很少使用甚至從未使用。只有全面消化吸收和掌握AP1000核級(jí)閥門的系統(tǒng)運(yùn)行工況、使用情況和設(shè)置特點(diǎn)、功能要求、技術(shù)參數(shù)、AP1000閥門設(shè)計(jì)規(guī)范書，才能制造出能滿足AP1000要求的核級(jí)閥門，從而為AP1000關(guān)鍵閥門的國(guó)產(chǎn)化作好充分準(zhǔn)備。
參考文獻(xiàn)
[1]林誠(chéng)格、郁祖盛.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.
