核电站用气动调节阀的选型与应用问题探究

　　为实现核电气动调节阀的设计优化及其国产化，对气动调节阀在核电站中的选型原则和选型的特殊性进行了分析，并结合以往工程设计经验及现场反馈情况，讨论了目前国内核电机组选型中的重点和难点问题。最后，对核级气动调节阀国产化的现状进行了分析与展望。这为自控设计人员进行核电气动调节阀选型和设备国产化工作提供了参考。

　　作为过程控制工业中最常用的终端控制元件，调节阀在过程控制中起着极为重要的作用。它用来接收信号，并根据调节器输出来改变阀门开度，从而调整工艺参数，使之趋向于期望值，其应用质量直接反映在系统的调节品质上。

　　核级气动调节阀设计的正确选型是确保调节阀正确合理应用的根本和关键;错误的设计选型不仅影响系统的稳定性，而且还可能威胁到整个工业生产过程的安全性。

　　目前，我国的核电机组所使用的调节阀大部分为气动调节阀。由于气动调节阀品种、规格繁多，故设计选型要求设计人员具备多专业的背景知识。而核电站工艺管道中介质的理化性能千差万别、工况参数复杂多变，与常规工业相比，核电站对气动调节阀功能、环境、使用寿命、设备可用性及可靠性等方面的要求更为苛刻。这就使得核电气动调节阀的选型难度与重要性更加凸显出来。

1、气动调节阀的选型

1.1、输入条件及选型原则

　　气动调节阀的选型需综合考虑工况条件、调节要求、环境状况、使用寿命、安装维修以及性价比等因素。此外，以往工程的使用经验也在选配气动调节阀的过程中发挥重要作用。

　　一般而言，气动调节阀的选型所需的输入条件包括以下几个方面。

　　①工艺参数：它主要包括介质类型、各工况下的上下游压力及其对应的流量要求、管路的设计温度和压力、阀门上下游的最大压差等。如有较为恶劣的瞬态工况，还应明确瞬态情况下的工况条件。

　　②工艺系统控制要求：它主要包括工艺系统对故障位置的设置要求以及基本调节要求之外的其他控制要求(如是否有快开或快关要求、是否需要设置电磁阀、是否有远程阀位指示要求、是否需要设置手轮等辅助装置等)。

　　③过程连接方式(如法兰连接、焊接等)及材质要求。

　　④密封及泄漏量的要求：从工艺系统设计的角度，明确对阀门泄漏率(内漏)的要求;对于有毒、高温高压或放射性的介质，或是当工艺过程对密封性有较高要求时，还应明确对填料函的要求，以防介质外漏给运行的安全稳定性和经济性造成的影响。

　　⑤尺寸与布置要求：考虑到现场安装与维护，对外形尺寸提出限制要求。

　　⑥环境条件：对安装在易燃易爆区的阀门，应当考虑防爆要求。

　　⑦鉴定与分级：它主要包括阀门的RCCM制造规范等级、电气附件的RCCE鉴定等级、抗震分级、防爆分级以及在设计基准事故下的可用要求等。

　　⑧质保与清洁度要求：根据介质情况，明确质保与清洁度的要求。

　　⑨其他特殊要求。

1.2、气动调节阀的选型过程

1.2.1、鉴定要求

　　对核级阀门而言，能够满足鉴定要求是阀门选型与应用的最基本前提。在核级阀门选型时，应首先依照《压水堆核电站核岛机械设备设计建造规则》(RCCM)、《压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则》(RCCE)对阀门的鉴定等级、抗震分级以及设计基准事故要求等进行审查，以确保阀门满足鉴定要求。对于不能满足鉴定要求的阀门，阀门需通过鉴定或变更选型。

1.2.2、结构形式的确定

　　调节阀结构形式的确定，应根据实际生产中的工艺条件(温度、压力、流量等)、工艺介质的特性(如黏度、腐蚀性、有无颗粒、有无毒害等)、调节系统的要求(调节范围、泄漏量、噪声)、管系布置以及空间情况等因素综合考虑。

　　一般而言，在流量、压差和泄漏量小的场合，选择单座调节阀即可满足生产需要;套筒调节阀最适合应用在介质压差和振动大的场合;蝶阀虽然结构紧凑，但调节性能和关阀密闭性能较差，一般适用于低压差、大流量、泄漏量要求不高的场合，尤其适用于浓稠浆状及含有颗粒介质的情况。此外，角阀适用于高黏度、含悬浮物和颗粒状流体的场合或要求用直角配管的地方;与普通的直通单座阀相比，角阀具有防堵性能好、流阻小以及流量系数比单座阀大等优点。这几种结构的调节阀在核电站中的应用都较为普遍。

1.2.3、流量特性的选择

　　调节阀的流量特性可表现为固有流量特性和工作流量特性。固有流量特性分为线性、等百分比(对数)、抛物线和快开这几种形式。在实际工况中，阀门的工作流量特性相对固有流量特性会存在一定的畸变。因此，在确定调节阀的流量特性时，还应充分考虑畸变所带来的影响。对串联管道而言，压降比(调节阀可控制的最大流量所对应阀门进出口差压和系统差压之比)越小，工作流量特性与固有流量特性偏差越大。目前，国内核电站中应用最多的是线性和等百分比这两种形式。

　　调节阀的流量特性可以根据控制原理中的补偿原理进行选取，如根据压降比、被控对象特性及负荷变化情况来选择等;还可以根据以往类似工况经验，结合设备供货商阀门的实际固有流量特性进行选取。

1.2.4、阀门口径的确定

　　阀门的流量系数与可调比是表征阀门流通、调节能力的重要参数，也是选择调节阀的主要参数之一。由于工艺系统条件不同，在某些情况下要求阀门需要有较宽的调节范围。目前，国产阀门的可调比一般为30。根据计算所得的流量系数、可调范围，再结合生产厂家的产品特性，就可以选择合适的阀门口径，以满足工艺系统的设计需求。

1.2.5、电气附件的选择

　　气动调节阀的电气附件主要有电气转换器、定位器、限位开关、电磁阀等。在满足过程控制要求的基础上，还应重点查验这些附件的鉴定等级是否满足要求。

　　近年来，智能电气转换定位器在普通工业用阀中占据的份额正在逐步增大。截止目前，智能电气转换定位器的核级鉴定尚未全部完成。国内外目前只有FISHER的FIELDVUE硬件部分通过了鉴定试验，软件部分的鉴定试验尚未完成。因此，在目前国内的核电机组中，有核级鉴定要求的阀门使用的仍然是“电气转换器+定位器”。

　　此外，对于有K1级鉴定要求的限位开关，还应关注其自带电缆是否随开关本体一同通过了K1级质量鉴定，以确保其能满足高温高湿情况下的密封要求。

1.2.6、其他细化设计

　　在完成了上述初步选型与计算步骤之后，还应当针对管路设计及工艺系统调节的具体要求，进行以下细化设计。

　　①材质的选择：调节阀承压部件的材质应充分考虑到介质的温度、压力和腐蚀性，起节流作用的阀内组件则应具有良好的耐腐蚀和耐冲刷性。核级阀门的材质应能满足RCCM的相关要求。

　　②设计应保证调节阀能够满足工艺系统的控制要求，如阀门的气开、气闭性，阀门的气路以及执行机构动作等方面的要求。

　　③阀门的内漏与外漏均需满足工艺系统设计要求。为解决阀门的外漏问题，在核电站中有一种特殊型式的填料函结构，即双填料的密封方式。双填料密封组件有上下两组串联的阀杆填料，主要用于高压介质，或介质放射性较高、需防止介质外泄的场合，也可用于高真空。在国内核电机组中，波纹管密封及双填料带引漏的密封方式都有较多的应用。

　　④核实阀门的连接方式与外形尺寸是否满足现场要求。

　　⑤关闭压差与允许压差：在选择执行机构作用力时，应重点考虑阀芯全关时的压差。所选阀门的最大允许压差应大于关闭压差，以防止出现“关不死”或“打不开”的现象。

　　⑥汽蚀与闪蒸：阀门的设计应避免汽蚀和闪蒸的发生，必要时可采用抗汽蚀或抗闪蒸的结构。

　　⑦噪声：在自控系统中，调节阀是最大的噪声源。当噪声超过有关规定时(一般为85dB)，应考虑采用低噪声结构。

　　⑧可维修性与性价比。