非主流”核电设备小议德国核电站阀门和除氧器

非主流”核电设备——小议德国核电站阀门和除氧器我俄罗斯同学从伊朗核电站回来后，告诉我虽然伊朗核电站是俄罗斯修建的，但里面使用的不少设备，不但和俄罗斯的不一样，而且和目前欧美所使用的设备也不太一样。出现这种情况是因为伊朗核电站最初的承建者是德国，虽然伊朗爆发伊斯兰革命后，德国与其中止了合约，离开了伊朗，为伊朗建设核电站的变成了俄罗斯，但德国留下了大量的设备和兴建到一半的核电站。所以德国离开后，为了节约建设成本，俄罗斯使用了大量德国留下的设备，虽然这最初是为了节约核电站建设成本，但经过精密计算和实际检验，俄罗斯人最终认可德国人的设计，并认为德国核电站使用的一些设备在某些性能上要远远优于俄罗斯和欧美。因此我对德国的核电技术产生了浓厚的兴趣，和我的好友105所的张益舟对德国的核电技术进行了全方面的调研。在调研过程中我发现，正如我同学所说，德国核电站使用的一些设备确实与国内外主流设备不太一样，并且在性能上要远远优于国内外核电站所使用的设备，其中最为典型的就是阀门和除氧器。德国核电使用的发电机空冷器，主冷凝器和循环水所使用的阀门和目前世界主流核电站使用的蝶阀不一样，目前主流使用的蝶阀又叫关断阀,是使用圆盘式启闭件往复回转90度左右开启、关闭和调节流体通道的一种结构简单的调节阀，具有结构简单，体积小，重量轻，材料耗用少，安装尺寸小，而且驱动力矩小，操作简便，迅速的特点。蝶阀的缺点是作调节流量使用时，会产生严重气蚀，造成蝶阀的阀板防腐层剥落、及损坏阀板的铸件等情况发生（例如金属表面出现麻点，继而表面呈现海绵状、沟槽状、蜂窝状、鱼鳞状等痕迹），而且调节流量时，不够稳定，很难做到精确调节。第一个缺点气蚀在火电和内陆核电的冷凝水系统（发电机空冷器，主冷凝器）上使用问题不大，因为火电厂和内陆核电站使用的冷凝水都经过处理，只含微量泥沙，和氯离子不会对设备进行腐蚀也不会对管道进行破坏（同理电站的循环水系统问题也不大，因为电站的循环水不含泥沙，而且几乎不含氯离子），但是沿海核电站的冷凝水是直接使用海水，因海水含的泥沙较多，而且存在很高的氯离子，在海水的冲刷腐蚀下，用蝶阀作为调节用阀，在调节过程中会产生严重的后果，不但对阀体会产生严重的气蚀，造成蝶阀每次大修出于安全考虑都要维修或者更换，还会对管道同时产生严重影响，问题主要表现为：（1）阀板在气蚀作用下，关闭不严，对下部水温产生影响，进而对机组安全运行存在影响和隐患。（2）在气蚀作用下，对阀体产生严重的损害，对机组安全运行存在重大隐患。（3）在气蚀作用下对阀门后部的管道产生气蚀，影响管道的安全，对机组的安全运行存在重大隐患。（注：因为蝶阀的安全隐患，当用于发电机空冷器的时候，因为管道口径小，水压大，气蚀严重，每次大修必然要更换一次阀门，而且国内外核电站都发生过将管道打穿的事故，从而停堆，造成严重的经济损失，而用于主冷凝器，因为压力小，管道口径大，管壁厚，不至于会打穿管道，但因为气蚀问题，每次大修都需要将蝶闸进行抛光打磨，重新喷胶，极其繁琐，而且每15-20年左右就要更换一次，循环水系统上的蝶阀虽然相对要好很多，但如果检修发现腐蚀严重，也需要进行抛光打磨，并且每20-30年左右也要更换一次）。第二个缺点难以精确调节流量在电站运行上问题不大，但给电站的调试工作增加了难度。基于上述的情况。德国专门设计了活塞阀用于核电站作为调节阀，彻底解除了气蚀，蝶阀需要频繁维护和更换的问题及用于发动机海水空冷器上管道的安全隐患并且保证了流量的精确调节。与传统的管线切断阀（如蝶阀和闸阀）不同，活塞阀是能满足各种特殊调节要求的阀门。它的出色的调节功能是由类似于活塞状的圆柱体在阀腔内作轴向运动实现的。水流从轴向弧状进入外壳，无论活塞在何位置，阀腔内水流的断面均为环状，并在出口处向轴心收缩。从而避免因节流而可能产生的气蚀对阀体和管道的破坏，在整个运行过程中，活塞阀的调节特性为线性调节，即它的流量与阀门的开度成线性比例关系。此外，在性能上活塞阀还具有以下特点：（1）消除了气蚀，消除了管道的隐患（2）可以精确精确调节流量，满足不同工况场合的流体调节要求，并且根据运行工况的不同要求，可更换不同的出口部件（3）过流能力强，水头损失小（4）密封系统采用金属与弹性材料的双重密封，关闭严密，使用寿命长（5）采用压力平衡驱动，操作力矩非常小（6）堆焊黄铜导向条确保了活塞在运行过程中不会产生倾斜或运行不畅（7）在使用了抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能优于普通奥氏体不锈钢的双相不锈钢基础上还采用德国特有火焰包胶技术（或国际上常用的HALAR®ECTFE(陶瓷)进行防腐处理）对接触海水的阀门部位进行处理，使海水不与金属材料接触，保证了阀门的耐腐蚀性、耐磨耐冲刷能力，大大提高了阀门使用寿命。（8）用于冷凝水系统设计寿命是40-60年和2，3代核电站设计寿命相符（9）用于发动机海水空冷器的设计寿命是8年以上，解决了需频繁更换的问题和可能打穿管道的安全隐患不过活塞阀也有一定的缺点。活塞阀因为阀体内部有一定固定的活塞需要运行，所以在设计过程中对于开裆尺寸有一定的要求，在一些安装空间不够富裕的场所，存在一定的问题。同时因为活塞阀的一些关键部件采用了高合金的双相钢（确保核电系统的安全性），所以造价要比普通蝶阀高80%-100%德国核电站采用的无头除氧器也和世界主流核电站普遍采用传统卧式除氧器不太一样，传统卧式除氧器由除氧头和给水箱两部分组成，给水箱与除氧头连接处有五个很大的开孔，另外除氧头荷载通过两个支座作为集中荷载作用于给水箱跨中比较薄弱的截面上，大直径开孔和除氧头的集中载荷使得除氧头和给水箱连接处产生很高的局部应力和变形，而且容易使给水箱底部120°范围内、加强圈连接处和给水箱鞍座边角处产生高应力区引起裂纹。除氧器爆破的原因很多，但是给水箱上的大开孔以及除氧头的集中载荷造成的高应力和多裂纹是除氧器爆破的主要原因之一。无头式除氧器取消了大开孔和作用于给水箱上的集中荷载，减少了除氧器爆破的可能，从而提高了除氧器的安全可靠性。而且无头除氧器在现场的焊口很少，并且仅是一个容器，没有两个容器间的焊接问题，安装更简单可靠。而且和传统卧式除氧器相比在性能上有如以下好处：（1）除氧效果较好。无头除氧器能满足除氧后给水中的氧含量小于0.005mg/L（2）负荷变化范围广。无头除氧器适用于负荷从10%到110%的变化范围。（3）热效率高。由于采用蒸汽与水直接接触，不会出现蒸汽跑漏现象，无头除氧器热效率高。（4）加热温升高。无头除氧器对进水加热温升可达到64℃，可满足1000MW级机组在正常运行时停用一级低压加热器对进水加热温升的要求。而常规卧式除氧器加热温升一般为40℃左右。（5）定滑压运行。无头除氧器既可定压运行，也可滑压运行。在滑压运行时，能适应机组每分钟3%TMCR的升负荷变化率，出水含氧量不超过0.005mg/L。除了在性能上，德国核电所使用的无头除氧器和常规传统除氧器相比在经济上还有如下好处：与常规卧式除氧器相比较，无头除氧器的经济性主要体现在以下几个方面：（1）厂房建筑费用低。无头除氧器较之常规卧式除氧器高度低，相应可降低除氧间高度约2.0m左右，在本工程中可减少除氧间体积约50×10×2.0＝1000m3，降低厂房造价约200万元人民币以上。同时无头除氧器较之常规卧式除氧器重量轻约20～25%，相应地可减少除氧间荷载，使除氧间梁柱钢材耗量有所降低。（2）安装运输费用低。无头除氧器仅是一个容器，体积小，重量轻，无常规卧式除氧器在现场除氧头和水箱焊口，安装运输费用相对较低。（3）运行费用低。无头除氧器采用蒸汽与水直接接触，不会出现蒸汽跑漏现象，热效率较高。按年运行7500h计算，每台机组每年可节约50万元人民币以上。（4）制造成本较低。无头除氧器相比常规有头除氧器，设备制造成本要低10%左右。目前德国制造这种为核电站专用的活塞阀门和无头除氧器的最佳设备制造商为VAG和施托克，值得一提的是目前国内大亚湾、岭澳1000MW核电机组除氧器已经使用了从德国施托克引进的无头除氧器，但暂无一家核电站使用活塞阀，不能不说是一种遗憾，毕竟无头除氧器只是提高了核电站的性能，而活塞阀是提高了核电站的安全性。后话这篇文章是我未来和好友105所的张益舟要联合写的一篇科研性质的论文的简单介绍版，属于精简版，在不久的将来，我们两人将围绕德国的核电阀门写一篇可以在科研和工程上直接使用的论文