核电设施的流体控制

来自全球领先的关键流体控制解决方案供应商——IMI关键工程公司的Josh Leuenberger在本文阐述了核电领域对安全关键阀门提出的空前严格的要求，以及该领域领先的厂商针对这一要求推出的新产品和技术。

核电领域的阀门通常拥有以下四种功能：隔离、止回（流量检查）、泄压，以及流量调节/节流。最常用的类型是调节控制阀，需要经过精心设计来精确调节流体变量，如流量、液位、温度以及压力等，以确保安全和反应堆的运转效率。调节控制阀通常包括球心阀、蝶阀或球阀等，其中球心阀的性能较高。

无论是哪种阀门，产品的设计和材料的选用都会受到工作安全相关任务的影响。阀门必须符合在全球范围内强制执行的美国核管理委员会10CFR第50部分附录B的要求。附录B规定了全面的质量保证要求，以确保所有关键的设计、加工和生产环节得到充分的控制，从而保证安全类设备的性能。

然而，除了这一点，系统设计师还必须向阀门供应商提供更多具体的应用细节，包括阀门应该在何种情况下怎样执行其安全功能，这样，供应商就可以有针对性地设计阀门。

核反应堆设计的一个特定趋势是更重视被动安全系统，如美国西屋电气的AP1000，通过重力而不是水泵来送水，这最大限度地减少操作人员干预以及交流电的使用，因此，阀门的设计必须满足这些系统的工作方式。人们对实时监控日益增长的需求也推动了数字阀门定位器的开发，这样，操作人员可以在控制室里对工厂信息进行实时监控。这些智能型阀门定位器除了能接受信号以及在必要时控制阀门之外，还能记录阀门动作，甚至执行维护诊断。

由于核电厂的设计和运行要求拥有广泛多样性，而供应商的标准化阀门产品通常难以满足安全相关应用的个性化需求，因此定制阀门在该领域越来越普遍。

适配不佳或选型错误的阀门轻则会引起噪音和振动，影响其它系统部件的使用寿命和工作效率，重则会带来灾难性后果。

这意味着，不管是在新的还是已有的系统应用中，编写阀门规范的人以及潜在供应商们必须从一开始就认真负责。缺乏灵活性的阀门规范会带来超标零部件的使用，从而增加不必要的成本，或由于忽略了关键特性而带来巨大的隐患并导致停工。专业的阀门供应商会花时间真正了解阀门的应用，以及客户需要用阀门解决什么问题，然后有针对性地设计产品并进行全面测试，以确保阀门达到实际的应用条件。

这里有个近期的应用案例，一家美国核电厂拥有两个沸水反应堆（BWR），每个的容量超过1GW。该电厂准备增加大约12%的发电量，反应堆的温度也会相应升高，因此需要更大的冷却能力。

特别是电厂需为理论上会发生的事故采取额外的散热措施，如电力负荷不足会导致可用的冷却水泵减少，这是电力升级中潜在的重要因素。这一问题可通过新增交叉管路来解决，新的管路和控制阀交叉连接在管路上，一旦水泵宕机，两台热交换器可由一台水泵供给，从而提高散热能力。然而，这给控制阀带来巨大挑战，因为在这种操作模式下需要精确地平衡水流。

首先，阀门在空泡流区域工作，这意味着需要多级阀芯来进行空化保护。此外，高速的水流会影响反应堆水下远程监控摄像机检测的图像质量，这就需要增加阀芯级数来降低出口流速。

然而其最大的挑战是对流量进行独特的高精度控制。在全封闭位置，流经阀门的水的流量需控制在4,000到4,100gpm之间，以保护水泵并防止水的流量在低于4,000 gpm时引发震动。当打开阀门阀座时，就会形成所需的特定的交叉验证的冲程曲线。这些阀门通过点动控制的方式进行远程控制，控制室内的操作人员通过启闭阀门来平衡水流。在两个特殊水流区域内，电机运转的流量变化率需达到100gpm/s。其顶部装有大窗口的阀罩，在紧急情况下可提供100%冗余单级流量的冷却能力。

这些阀门的设计极为坚固，无论是在地震前、地震中还是地震后都能运转。其阀芯有六个不同的流体控制区，可提供不同的流态，包括最小的流量模式，确保在关闭时能达到4,000 gpm的流速。被称为盘片组的定制阀芯采用多路径、多级设计，由独立的金属盘片组成，每个盘片上都刻有曲
折的路径，然后通过钎焊组成坚固的控制单元。每个盘片都可设计成不同的级数，这意味着可以通过调整Cv曲线上的斜率来满足特定应用的需求，并在整个阀门行程中提供可变流动阻力。

由于核电应用中的精确的流量控制非常重要，所以IMI关键流体技术开发了一整套测试程序来验证实际硬件的流动性。该测试包括精确地测量已建立的交叉验证，并在加工过程中新增步骤，以便微调建立在初始交叉验证数据基础上的盘片组合，然后在阀门安装前进行最终的确认测试。从项目一开始就让供应商参与是满足特定应用需求并为其量身定制解决方案的关键。

欲知更多详情，还请访问www.imi-critical.com

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