第三代核电厂主蒸汽隔离阀控制改进建议

第三代核电厂主蒸汽隔离阀控制改进建议

李佳奇

中核辽宁核电有限公司辽宁125112

摘要：主蒸汽隔离阀（MSIV）是核电厂重要安全设备之一，事故情况下可以迅速切断核岛与常规岛之间的连接，确保机组安全。本文结合国内二代加堆型的主蒸汽隔离阀实际调试、运行、维修经验，对第三代核电AP1000堆型的主蒸汽隔离阀进行技术分析，分析两种堆型对主蒸汽隔离阀的设计、运行要求，提出对三代核电主蒸汽隔离阀的改进建议，确保核电厂安全。

关键词：主蒸汽隔离阀；AP1000堆型；分析改进

作为核电厂核岛隔离边界的重要设备，主蒸汽隔离阀（MSIV）是核电厂重要安全设备之一，事故情况下可以迅速切断核岛与常规岛之间的连接，确保机组安全我国核电厂一般采用平行式闸阀作为主蒸汽隔离阀，执行机构采用气液控制，又一个氮气贮罐和一个与其相连接的液压缸组成：正常工况下，通过排出执行机构中的液压流体来关闭阀门；开阀时，通过泵将液压流体打入执行机构，克服氮气压力和阀门自动，打开阀门；氮气贮罐确保阀门快关功能的重要设备。这种气液控制的主蒸汽隔离阀具有丰富的核电厂使用经验，可靠性高。

在主蒸汽隔离阀的控制系统上，AP1000第三代核电遵循非能动简化的设计理念，在确保安全的情况下对主蒸汽隔离阀的控制系统进行了修改，简化了阀门的结构和控制逻辑，取消了专用PLC机柜，将主蒸汽隔离阀的控制纳入全厂统一DCS控制系统中，确保了全厂仪控系统的统一性，方便核电厂维修人员进行后续管理，提出以下三条阀门控制改进建议：

1.增加MSIV开阀允许条件：

根据核电厂操作规程，当准备开启主蒸汽隔离阀前，需要进行主蒸汽管道暖管工作，通过打开主蒸汽隔离阀的旁路阀，将阀门前后的管道充满高温高压的蒸汽，压力达到一定值。这么做的原因是因为主蒸汽管道截面积较大，所以主蒸汽隔离阀瓣面积也较大，如阀门前后存在差压时开启阀门，阀瓣在上升过程中会受到强大的差压力和蒸汽流质的冲击力，导致阀瓣弯曲变形，影响阀门的正常功能甚至危害机组安全。

在核电厂运行规程中，需操作员确认蒸汽管道暖管成功后，才可手动发出开阀命令，打开主蒸汽隔离阀。为避免在不满足开阀条件时，出现人因失误或误发出开阀命令，M310在主蒸汽隔离阀的PLC控制逻辑内，设计了“OPENINHIBIT”的保护命令，若阀门前后管道压差大于0.3MPa时，在控制程序内部会产生禁止开阀命令，防止人员误操作。但在AP1000的住蒸汽隔离阀控制逻辑中并未找到该保护逻辑，即在某些情况下可能出现阀门开启时前后差压过大的情况。故，建议增加阀门前后差压大于某设定值时，阀门开启命令闭锁信号。

该逻辑的实现方式：将核岛蒸发器出口处的压力变送器和常规岛蒸汽母管上的压力变送器有效值进行对比，当差值大于某一设定值时，禁止阀门开启。在AP1000的工艺流程设计上，这些压力变送器是存在的，故可以直接利用其测量信号，在DCS中增加阀门闭锁逻辑，减少人因失误可能造成的设备损坏情况。逻辑图如下图1。

图1MSIV开阀允许条件

2.增加MSIV局部关闭定期试验

主蒸汽隔离阀在机组正常运行时长时间处于全开状态，根据前文描述，此时阀门执行机构内部的高压液体克服氮气和阀门自身重力，阀杆等机械装置收到强大的外力可能会导致卡涩等状态，在某些情况下无法正常动作。为了验证阀门机械装置的有效性，M310在技术规格书中规定主蒸汽隔离阀需定期执行局部关闭试验，频率通常为每月一次。

局部关闭试验过程：进入试验状态后，主蒸汽隔离阀脱离全开位置向下关闭，关闭至90%开度时向上开启，最终恢复阀门全开状态。局部关闭试验是验证主蒸汽隔离阀执行机构可用性的重要手段。但执行该试验存在一定的风险性，如阀门控制逻辑错误或其他原因导致阀门一直关闭，会切断汽轮机的蒸汽供应，导致汽轮机跳闸，甚至反应堆紧急停堆。

AP1000鉴于该风险，取消了局部关闭定期试验，并且取消了90%的限位开关，理由是在国内外电厂执行该试验时均造成过阀门意外关闭，且阀门执行机构可靠，但却无法拿出可靠的相关数据。这一点在AP1000的安全分析报告中也存在矛盾，在安全分析报告中，关于设备和系统设计中明确规定：主蒸汽隔离阀在役试验类型期间，每年执行4次部分行程动作试验、每年执行4次失效安全试验（不知道该试验的验证形式和动作逻辑）;但在技术规范中确没有相关的技术细节描述，甚至标明取消该试验。

主蒸汽隔离阀的局部关闭试验是验证阀门执行机构可用的重要手段，是确保阀门在关键时刻安全可用的重要保证，且AP1000的长达18个月的换料周期，也加大了执行机构不可用的概率。所以，我们可以通过缩短试验行程，由试验的10%行程改为5%；或增强阀门就地人员和主控试验人员的实时通讯，一有异常立刻手动开阀；或通过增加其他保护逻辑，降低试验的风险，提高局部关闭试验的安全性，确保阀门执行机构的正常可用，而不是直接取消该试验。

3.增加MSIV备用限位开关

AP1000主蒸汽隔离阀采用非接触式限位开关，每台阀门仅有两个限位开关，一个全开限位，一个全关限位。当阀杆上的磁性材料靠近限位开关时，依靠磁性使限位开关动作，发出位置信号。但主蒸汽隔离阀所在的房间属于半开放式，核电厂地处海边，空气杂质很多，腐蚀性较强，且主蒸汽管道温度较高，故容易使空气中的磁性物质附着在限位开关周围，降低开关的灵敏度，时间较长时可能导致全开限位开关失效。这种空气中的磁性杂质导致非接触式限位开关失效的情况在M310电厂曾经出现过。

为了提高阀门的可靠性，建议在全开和全关位置上另增加一个限位开关作为备用。除此之外，还要考虑增加两个限位开关的IO接口和状态不一致报警，当某一开关失效时，备用开关还可以处于有效工作位置，此时在DCS中产生报警，提醒维修人员尽快进行处理，确保阀门的安全。

结束语

主蒸汽隔离阀作为核电厂核岛的一道门神，是保证反应堆厂房完整的重要屏障之一，希望本文中提到的一些逻辑观点可以使主蒸汽隔离阀的控制保护逻辑更加完整、严谨，使得这道门神更加安全、可靠。

参考文献：

[1]顾军,AP1000核电厂系统与设备.原子能出版社,2010年4月.

[2]李佳奇,主蒸汽隔离阀调试经验，秦山二期扩建工程项目管理实践.中国原子能出版社,2010年10月.