核岛调节阀的结构分析与布置设计_调节阀结构

　　摘要核岛调节阀是管路系统控制调节的关键部件,又是核岛阀门中要求较高的阀门,着重介绍调节阀中流体的特性,调节阀的驱动机构及特点分析,介绍核岛用调节阀的种类,对特殊调节阀的结构进行分析,并对核岛调节阀的布置设计进行论述。
　　关键词核岛阀门;流体特性;气蚀;闪蒸;结构分析;布置设计
　　中图分类号 TQ056.2 文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)041-0118-02
　　
　　1核岛阀门概况
　　在核电站中应用的阀门种类及数量很多,国内在建的2X650MW核电机组的核岛阀门数量大约有12000台。核岛阀门的国外生产厂家有VELAN、VANATOME、WVC、GRISS等,国内生产厂家有大连大高阀门有限公司、中核苏阀科技实业股份有限公司、上海良工阀门厂有限公司、江苏神通阀门有限公司等;涉及的阀门种类有闸阀、蝶阀、截止阀、隔膜阀、球阀、止回阀、安全阀、调节阀、疏水阀等
　　本文将对调节阀的特性及结构进行分析,并就调节阀的布置进行论述。
　　2调节阀中流体的特性
　　2.1压力恢复
　　如图1流体由压力值P1流经调节阀的阀瓣压力降低,在缩流断面处达到最低值Pvc,后压力由低值Pvc恢复到压力高值P2,压力由Pvc到P2的过程称为压力恢复。流体的流速在缩流断面达到最大值Vc。压力值P1、P2的差值即为调节阀的调节值。
　　为了降低流体对阀门的磨损,在调节值一定的情况下,要采用尽量低的压力恢复。
　　2.2气蚀
　　液体流过调节阀门,液体流过阀座后不久,流速达到最大,压力则随之降低,当液体压力小于入口温度饱和蒸汽压时,液体开始沸腾,出现气泡。不过,此时的蒸发并不会产生通常因温升而引起的蒸汽,它只不过是流体压力低于Pv所产生的沸腾现象而已。
　　流体流经阀座后下降的压力,在下游一侧逐渐回升,气泡因再次受压而破灭。气泡在急剧破灭时,向四周释放能量,并冲撞阀体与管道的内壁,引起严重的冲刷损伤,并产生较大的噪声,这种现象称为气蚀。
　　流体的流速大对阀门后侧有较大的破坏性,应在阀门设计选用时考虑抗气蚀的措施,采用多级阀芯,分级降压,如图2。
　　阀门采用三级调节,逐级调节压力,就像把落差较大的瀑布分成多阶流动的瀑布一样,流体对下游的破坏将减小。这样可以控制流体在每个缩流断面处的压力高于入口温度对应的饱和压力。
　　2.3闪蒸
　　如图3表示流体流经阀门后,流体压力降低到饱和压力Pv值以下,便产生气泡,而阀门下游的压力P2也未恢复到Pv以上的区域,产生的气泡没有破灭,并随流体流出调节阀,出口侧出现汽液两相流,该现象为闪蒸,因此时实际处于阻塞流状态,对阀门的流量影响极大。
　　3调节阀结构分析及选用
　　调节阀是系统实现自动控制的执行器,调节阀由驱动机构和调节机构组成,接受调节器或计算机的控制信号,用来改变被控介质的流量、压力或水位的阀门,一般用于需要控制的回路上,通过改变流道的截面积实现调节,使被调参数维持在所要求的范围内,从而达到过程控制的目的。
　　3.1调节阀的驱动机构
　　调节阀的常用驱动机构有三种:气动、电动及液动驱动机构。为了适应核电站生产高度自动化的需要,核岛大量采用了带有气动、电动、液动驱动机构的调节阀。
　　3.2调节阀的调节机构
　　调节阀门是调节阀的调节机构,根据控制信号的要求,在驱动机构的作用下,通过改变阀门开度的大小来调节流量。在自动控制系统中,阀门主要的调节介质为水和蒸汽等。除了直通调节阀、三通调节阀及蝶式调节阀外,根据核电系统的特性,在核岛阀门中还采用了背压式调节阀、减压阀及笼式调节阀。本文只介绍几种特殊的调节阀。
　　3.2.1背压式调节阀
　　背压式调节阀,一般安装在有压力要求的设备出口管上,它调节的是阀前压力,当系统压力低于设定值时,阀门内弹簧的弹力大于系统作用于阀门膜片上的压力,阀门处于关闭状态,当系统压力高于设定值时,膜片上的压力大于弹簧的弹力,阀门打开,系统的压力随之下降,系统压力达到设定值时,阀门重新关闭。
　　3.2.2减压阀
　　1)减压阀也是调节阀的一种,它是通过启闭件的节流,将进口压力降至某一需要的出口压力,并能在进口压力及流量变动时,利用介质本身的能量保持出口压力基本不变的阀门。
　　2)减压阀按动作原理分为直接作用式减压阀和先导式减压阀。直接作用式减压阀是利用出口压力的变化直接控制阀瓣的运动;先导式减压阀有导阀和主阀组成,出口压力的变化通过导阀放大来控制主阀阀瓣的运动。
　　3)减压阀的选用:进口压力的波动应控制在进口压力给定值的80%～105%,如超过该范围,减压阀的性能会受影响。减压阀的每一档弹簧只在一定的出口压力范围内适用,超出范围,应更换弹簧。
　　3.2.3笼式调节阀
　　1)笼式调节阀有阀笼和阀体组成,按照流体介质需要调节的压力降大小,阀笼设计分为单层笼和多层笼,阀笼四周开有许多圆孔,对称布置。笼式调节阀通过阀瓣的升降,进行阀门流通截面积的调整,从而达到调节压力、流量的目的。笼式调节阀的驱动可以选择电动、气动和液动的驱动装置。下图4为单层笼式调节阀和三层笼式调节阀的阀腔内部示意图。
　　2)笼式调节阀的结构设计特点分析:对于单层笼的笼式调节阀,由于水流是通过阀笼上的开孔流进阀笼内部,四周的流体互相碰撞,水流集中到阀门空腔的中间位置,流体的气泡破灭在阀门内腔,所以减少了流体对阀笼的气蚀作用。对于三层或多层笼的笼式调节阀,因为是多级调节,流体的前面级压力可设计在饱和压力之上,这样可有效减少气蚀的发生。另外,还要采取措施防止闪蒸现象出现在前面级,因为闪蒸出现在前面级,长期作用阀笼将被击穿,因此进行阀门设计时要合理安排各级的调节比例,使闪蒸出现在最后一级的出口处,以减小闪蒸对阀门的破坏作用。
　　3.3你调节阀的选用
　　系统的控制过程是否平稳,取决于调节阀能否准确动作,使过程控制体现为介质压力和流量的精确变化,所以,应根据介质、管系布置、使用目的、调节方式和调节范围及调节阀的流量特性(等百分比、线性、抛物线等)来选用,并满足在任何工况下对流量、压降和噪声的要求,同时还应考虑在调节系统确定后,调节阀前后管件对调节阀节流系数的影响。
　　对于调节阀的口径的选择,口径过小,会出现阀门口径处在全开状态,系统仍无法达到设定的参数要求,而口径过大,将增加工程成本,还会出现阀门经常在小开度下运行,引起调节精度降低,控制性能变差导致系统不稳定,调节阀的口径选择,应是在系统调节时阀门开度控制在50%-80%之间较为合适。
　　4调节阀的布置设计
　　4.1调节阀的支撑
　　在核电站中核级管道要进行核安全分析和抗震力学计算,由于调节阀的电动、气动驱动机构与阀门本身相比重量、高度均较大,阀门对管道的影响较大,驱动机构如不加支撑,计算难以通过,这时就要考虑设计阀门驱动机构支撑。
　　阀门支撑的设计:根据阀体的结构类型阀门的支撑可设计在阀门本体上,也可以设计在阀门的驱动装置上。
　　4.2调节阀的布置原则
　　1)调节阀一般安装在水平管道上,安装方向要求介质流向与阀体上标示的箭头方向一致。阀杆垂直向上。
　　2)带有电动、气动驱动机构的调节阀,在进行调节阀的布置设计时,要考虑调节阀的驱动结构的吊装设备及吊装检修空间。
　　3)调节阀应避免布置在接近管道拐弯处,阀门法兰前后要留有足够的拆装空间,同时应满足阀门阀杆的提升空间要求。
　　4)安全壳内布置的调节阀,要考虑其电动、气动驱动机构的安装高度,保证在失水事故后不会被水淹没。
　　5结束语
　　核岛阀门的选型直接关系到系统的运行是否稳定,布置的是否合理,也对核电站的运行操作有很大的影响,因此在设计调节阀时,要对调节阀的特性有充分的认识,并考虑管路系统的各种因素,选择适当的调节阀是管路设计时需考虑的问题,也是保证调节系统安全和平稳运行的关键。
　　
　　参考文献
　　[1]EJ/T 1022.1-1996压水堆核电厂阀门设计制造通则[S].中国标准出版社,1996.
　　[2]阀门产品样本[M].机械工业出版社.
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