核電再熱閥組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

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摘要：介紹了核電再熱閥組的應(yīng)用工況、運(yùn)行參數(shù)及其使用要求，分析了閥門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行過程及驅(qū)動方式。核電再熱閥組是安裝在從汽水分離器(MSR)出口至中壓缸或低壓缸入口之間的再熱管道上的閥門，其主要作用是參與汽輪機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)及在系統(tǒng)緊急情況下快速關(guān)閉以防止汽輪機(jī)超速。目前，該類型閥門已應(yīng)用到工程項(xiàng)目中。

關(guān)鍵詞:核電站用閥;汽輪機(jī);再熱閥組

1概述

核電因其具有的低碳清潔、安全穩(wěn)定發(fā)電等特點(diǎn)，適應(yīng)電網(wǎng)基荷電源的要求，能大規(guī)模代替煤炭等化石能源，未來將成為我國能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。核電再熱閥組是用來保護(hù)汽輪機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。目前，國內(nèi)投運(yùn)的百萬等級核電機(jī)組中，核電再熱閥組長期依靠進(jìn)口，其采購成本較為昂貴，不利于降低工程造價(jià)和維護(hù)成本。核電再熱閥組的功能主要是安全功能，首先是當(dāng)汽輪機(jī)跳閘時(shí)，關(guān)閉蒸汽管路，防止汽水分離再熱器和管道中大量蒸汽繼續(xù)進(jìn)入低壓缸，繼而防止汽輪機(jī)發(fā)生超速運(yùn)轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)。其次是調(diào)節(jié)汽輪機(jī)蒸汽流量和控制汽輪機(jī)低壓缸的進(jìn)汽量。核電再熱閥組為非核級閥門，安裝在汽水分離再熱器(MSR)和汽輪機(jī)低壓缸之間的管路上，相當(dāng)于由2臺蝶閥串聯(lián)組成的閥組，一臺汽輪發(fā)電機(jī)組需要4～6套閥組并列安裝而成(圖1)。

2運(yùn)行參數(shù)

以CAP1400汽輪機(jī)機(jī)組為例，管道尺寸為DN1400，材質(zhì)為碳鋼，閥門類型為非密封型蝶閥，與管道連接方式為對焊連接，驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，油開、彈簧關(guān)。汽輪機(jī)組運(yùn)行期間，要求主汽閥啟閉時(shí)間≤50s，調(diào)節(jié)閥啟閉時(shí)間≤5s。在事故工況時(shí)，主汽閥、調(diào)節(jié)閥均能快速關(guān)閉，快速關(guān)閉時(shí)間≤0.3s。核電再熱閥組運(yùn)行參數(shù)見表1。

3技術(shù)特性

主汽閥、調(diào)節(jié)閥各由其驅(qū)動控制裝置和閥門本體組成，其中閥門本體采用蝶形非密封閥門，驅(qū)動控制裝置采用彈簧快關(guān)液壓開啟型式。

3.1閥門結(jié)構(gòu)

蝶形非密封閥門(圖2)主要由閥體、蝶板、閥桿、軸承、填料壓蓋、法蘭蓋和驅(qū)動控制裝置等組成。

3.1.1閥體與蝶板由于中壓主汽調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)長度較長、使用場合重要性等原因，閥體采用鋼板卷板焊接，焊縫探傷處理;蝶板進(jìn)行優(yōu)化型線設(shè)計(jì)，采用碳鋼鑄造件，使閥門滿足在額定工況下全開壓損小于1.0%。通過蝶板限位裝置，保持蝶板在閥體內(nèi)不竄動;同時(shí)保持蝶板與閥體之間的間隙，當(dāng)在閥門的正常運(yùn)行狀態(tài)或最大運(yùn)行狀態(tài)下，將閥門關(guān)閉，則通過該縫隙控制流過閥門的流量。

3.1.2閥桿與蝶板、驅(qū)動裝置的連接形式閥桿采用通軸結(jié)構(gòu)，與蝶板、驅(qū)動裝置采用花鍵連接，保證閥桿的定位精度及其高溫工作狀態(tài)下軸向的伸縮。

3.1.3軸封結(jié)構(gòu)閥門的軸封采用經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的碳纖維+多層次柔性石墨碟型組合填料密封結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)低摩擦，及確保軸封無泄漏。

3.1.4軸承為防止中壓主汽調(diào)節(jié)閥在運(yùn)行中出現(xiàn)卡塞的現(xiàn)象，通過優(yōu)化軸承材料以及配合間隙，實(shí)現(xiàn)閥組在各種工況下保持動作的靈活性。依據(jù)使用介質(zhì)不同的工況參數(shù)，分別考慮閥軸和軸承的強(qiáng)度要求，選擇適宜的閥軸、軸套材料來滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，同時(shí)經(jīng)適宜的工藝處理，保證軸承具有足夠的表面硬度以及接觸強(qiáng)度，并具有很好的耐磨性，防止在高溫時(shí)的擦傷或卡塞。由于蝶閥為部分旋轉(zhuǎn)達(dá)到啟閉的閥門，其旋轉(zhuǎn)角度小、操作時(shí)間短，軸承采用滑動軸承。

3.2驅(qū)動裝置

由于核電再熱閥組為大通徑蝶形閥，其開閥力矩大，同時(shí)閥門快關(guān)動作時(shí)間≤0.3s，采用彈簧快關(guān)—液壓開啟型傳動裝置作為閥門的驅(qū)動裝置。

3.2.1驅(qū)動結(jié)構(gòu)驅(qū)動裝置采用齒輪齒條傳動，利用壓力油開啟，彈簧壓縮儲能。齒輪、齒條的軸承均采用自潤滑軸承以減小摩擦力提高傳動效率。通過彈簧釋放儲能確保閥門快速動作，滿足閥門的開關(guān)、調(diào)節(jié)控制、活動試驗(yàn)功能。彈簧機(jī)構(gòu)與油動機(jī)安裝在驅(qū)動裝置傳動箱體的同側(cè)，減小閥門對安裝空間的要求。油動機(jī)中油缸為單作用式，無桿腔為工作腔，有桿腔為非工作腔。油動機(jī)內(nèi)活塞桿進(jìn)行表面處理，保持其動作性能。驅(qū)動裝置傳動箱體另一側(cè)設(shè)置限位結(jié)構(gòu)，限制閥門的全開、全關(guān)位置。

3.2.2閥位反饋結(jié)構(gòu)驅(qū)動裝置的閥位反饋結(jié)構(gòu)采用選用磁致伸縮直線位移傳感器(一件傳感器輸出3組閥位信號)，具有較高的調(diào)節(jié)精度和可靠性。

3.3零件材質(zhì)

核電再熱閥組主要零件材料應(yīng)根據(jù)使用溫度、工作壓力及介質(zhì)等因素選用，可參見表2。

4結(jié)語

核電再熱閥組雖然是非核級閥門，但其重要性甚至要比一般的核級閥門還要高。在閥組快速關(guān)閉時(shí)，一旦發(fā)生動作卡塞現(xiàn)象，將會導(dǎo)致汽輪機(jī)的超速運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至可能因長期失去系統(tǒng)用電而跳堆。因此，在設(shè)計(jì)過程中，為保證閥門的全開、全關(guān)，閥門的扭矩變化及驅(qū)動裝置運(yùn)行的安全，對閥桿剛度校核以及閥門應(yīng)力場、溫度場、流場等仿真驗(yàn)證及控制性校核都顯得尤為重要。

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作者：王曉峰 單位：江南閥門有限公司