过程装备与控制工程概论论文

南京工程学院过程装备控制工程概论论文课题名称安全阀的原理和作用：核电安全阀学校名称南京工程学院班级过程装备121学号2011212XX姓名XXXXXXX递交日期：2015年04月03日目录一、安全阀的研究背景二、安全阀的分类、基本的性能要求三、核电安全阀的结构及原理四、安全阀的研究方向举例五、结论与展望六、参考文献安全阀的原理和作用：核电安全阀摘要安全阀是核电站中重要的安全设备之一，最广泛的用途是系统超压时，泄掉多余的介质，保证设备安全，待压力降到规定值时，自动关闭并阻止介质的进一步流失。其在核电站中的典型代表是稳压器上的安全阀组和主蒸汽系统上的安全阀组。安全阀在结构上可分为弹簧式安全阀和先导式安全阀。这里主要以两种主蒸汽安全阀为例来介绍核电用安全阀的一般结构和工作原理，简单介绍一回路稳压器上安全阀组的结构和工作情况。然后介绍有关核电安全阀的研究方向和发展趋势，简单列举了当今科技人员的研究成果和案例，包括神经网络技术在安全阀故障诊断上的应用，模块化和参数化设计方法用来提高安全阀设计的效率，通过结构改造和创新来提高安全阀的密封性，解决安全阀的颤振问题等等。关键词：主蒸汽安全阀；稳压器安全阀；神经网络；模块化；参数化；颤震一、研究背景我国是电力消费大国。从表1中可以看出:2005-2010年用电量以每年10%以上的速率增长，截至2010年底，总装机容量为9.62亿千瓦，其中火电、水电和核电分别占73.7%,22.2%和1.1%。这种电力结构不仅使电力行业过分依赖煤炭，而且加重环境负荷，不利于“环境友好型”社会建设。我国将在2020年实现非化石能源占一次性能源消费比重的15%。考虑到我国传统能源远未优质化的国情，合理开发利用新型优质能源是实现可持续发展的必要步骤。上世纪50年代美国实验增殖堆1号(EBR-1)首次利用核能发电，开启了核能利用的新篇章。核电与火电相比，一年出力时间可达7000小时，是火电的1.2倍;每千瓦核电的成本比火电低20%;辐射量与火电粉煤灰中所带辐射相当。因此，核电正作为一种高效清洁能源悄然兴起。目前，在大部分欧美国家中，核电比例都在10%以上，比如美国核电比例占20%以上，法国核电比例更是超过了80%。根据“十二五”规划要求，我国核电发展规模计划将在2015年达到3900万千瓦，占一次性能源比重提高到1.5%，这和国外核电占一次性能源的比重仍有很大差距。1991年12月I5日并网发电的秦山核电站是我国第一座自主研发和建造的核电站。正在运行的一、二、三期工程的总装机容量为300万千万。我国目己建成并投入使用的核电机组共13台，年发电量为610亿千瓦时。它们主要位于广东、浙江和江苏。另外还有12座在建核电站。安全是核电产业的生命线。核安全要从设备安全和管理监督两个方面入手。我国新引进的第三代核电安全技术(又称AP1000)是由美国西屋公司在第二代核电安全技术基础上发展起来的。AP1000采用非能动安全体系，紧急情况下，无需电源，只利用地球引力、物质重力便可驱动安全系统。我国在建的浙江三门核电站和山东海阳核电站将使用AP1000技术。安全阀作为系统控制和承压装置广泛应用于核电系统中，它在核电站中最广泛的用途是系统超压时，泄掉多余的介质，保证设备安全，待压力降到规定值时，自动关闭并阻止介质的进一步流失。据统计，一座有2套百万千瓦级的核电机组需要一回路安全阀有300多台，占一回路阀门总台数的2.5%。核电系统中介质大多处于高温高压状态(如:3500C,15Mpa)。这类工况对安全阀的动作性能和排量性能提出了高于普通阀门的要求，所以对核电安全阀工作原理的研究和工作性能的分析是十分必要的。二、安全阀的分类、基本的性能要求2.1安全阀的分类安全阀分类:按动作原理、动作特性、开启高度、阀瓣加载方式、有无背后平衡机构、气体排放方式等可分10余类。具体类型如表2.1所示。表2.1安全阀的分类2.2安全阀的性能要求(1)准确的开启安全阀应该满足的最基本的要求就是能够准确的开启，工作介质的压力超过正常的设计操作压力而达到整定压力时，安个阀的密封关闭件应该能够非常准确的在既定整定压力下打开泄压。(2)稳定的排放安全阀开启到达规定的开高后，能平稳地维持在泄放状态，并能够非常顺利的使过量的流体介质排出。排放放过程中不能够有频跳、颤振及卡阻现象，并且具有比较合理的结构形式和良好的机械特性，这才称得上稳定的排放。(3)及时的回座当然只有开启和排放是不够的，及时的回座也是很重要的。当安全阀排放一定介质后，介质的压力会降低到一定值，此时阀瓣会下落与阀座密封面接触，重新达到关闭状态。(4)可靠的密封安全阀阀瓣的作用力是平衡的，我们应该保证安全阀在整定压力确定的情况下(即弹簧预紧力一定)具有良好的密封性能。三、核电站中安全阀的结构，工作原理安全阀在核电站中的主要代表是稳压器上的安全阀组和主蒸汽系统上的安全阀组如图3.1。图3.1核反应堆结构图3.1核电站主蒸汽安全阀主蒸汽安全阀安装在蒸汽发生器与主蒸汽快关隔离阀之间的管道上，用于主蒸汽管道及蒸汽发生器在瞬态或事故情况下的超压保护，防止蒸汽发生器与主蒸汽管线的压力超过设计限值，保证二回路压力边界的完整性。按照ASME标准及RCCM标准，主蒸汽安全阀的安全级别为核安全二级，属于为保证电站正常、安全运行而需要操作的阀门，在任何工况下均要保证主蒸汽安全阀的可靠运行。目前，在核电站主蒸汽系统上，主要使用两种结构形式的主蒸汽安全阀。一种为直接作用弹簧式安全阀(或带强制开启装置的加能助动弹簧式安全阀)，弹簧可采用螺旋弹簧，也采用碟形弹簧，另一种为先导式安全阀，根据先导阀的工作原理可分为充压开启式先导安全阀和泄压开启式先导安全阀。直接作用弹簧式安全阀和先导式安全阀在核电站主蒸汽系统上均有着使用业绩。3.1.1直接作用弹簧式主蒸汽安全阀直接作用弹簧式主蒸汽安全阀的工作原理如图3.2，大亚湾核电站和秦山二期核电站的主蒸汽安全阀结构如图3.3。当安全阀的整定压力大于被保护系统的工作压力时，阀门处于关闭状态。这时作用在阀瓣上的力有弹簧预紧力，(弹簧、弹簧座、反冲盘及阀杆等零件重力因与介质工作力相比较小，故忽略)，方向向下，介质的工作压加，方向向上，再就是阀座对阀瓣的托力(压紧力)，这个压紧力在密封面上所产生的比压力，保证了安全阀关闭件间有了必需的密封性。当系统中的压力升高且超过正常工作压力时，由于此时的弹簧预紧力和压紧力未发生变化，升高的压力就会使阀瓣上下受的平衡力被破坏(合力不为零)。此时阀瓣在介质升高部分压力的作用下，有向上做功的趋向，使得关闭件密封面上的密封力随之减少。到介质升高到某一压力时，阀瓣开始升起，介质压力升到一定程度，阀瓣打开也越发明显.当介质压力积聚到某一瞬间，阀瓣在反冲力的作用下，最终被冲到限定的开启高度，从而全量排放，使介质压力迅速下降。当介质压力降低到小于弹簧力时，阀瓣又会在弹簧力的作用下迅速地回落到关闭位置，使关闭件间又产生了密封比压力，阻止了介质从密封面间流出，安全阀又处在了新的密封关闭状态，系统压力又回到了正常工作状况。图3.2直接作用弹簧式安全阀工作原理简图图3.3直接作用弹簧式主蒸汽安全阀1定值调节装置2轭架3.上弹簧座4.弹簧5.阀杆6.下弹簧座7.导向盘8.阀瓣9.反作用环10.调节环11阀座l2.阀体3.1.2先导式主蒸汽安全阀先导式主蒸汽安全阀是利用系统自身介质压力来实现主阀的自紧式密封，利用灵敏度较高的小口径先导阀来控制主阀的开启和关闭，从而避免了弹簧式安全阀在工作原理和结构设计上的局限。先导式安全阀的密封性更可靠，开启压力和启闭压差的精度很高。主阀更容易实现大排量，启闭循环寿命更长，尤其适用于高温高压的介质环境。图3.4和图3.6分别为两种不同工作原理的先导式安全阀，安全阀均由主阀和先导阀两大部分组成，主阀的动作由先导阀来控制，先导阀是个三通阀，口径较小，设定值可更精确一些，先导阀的动作是将系统的介质导入主阀上腔或将上腔内的压力泄放掉，主阀相当于一个活塞机构，先导阀动作改变了活塞上下位置的压力差，产生了较大的不平衡力，从而带动阀芯进行开启和关闭动作。图3.4表示的是主阀上腔充压开启先导式安全阀，正常运行工况下，主阀上腔不带压，系统的压力作用在主阀的阀芯上，系统压强与阀芯面积的乘积形成的力使安全阀密封面上有较大的比压从而保持密封状态，一旦系统压力超过先导阀的设定值，先导阀起跳后将系统的介质导入到主阀上腔，由于主阀的上腔活塞面积远远大于阀芯的面积，因此系统压力作用到主阀上腔后将产生一个非常大的开启力，确保安全阀主阀能可靠并快速开启，当系统压力降低后，先导阀回座，切断系统向主阀上腔的介质传输，同时将主阀上腔的压力和介质泄放掉，主阀上腔压力降低，系统压力作用在阀芯上的力克服了上腔向下的力，使安全阀主阀可靠快速地关闭。美国CCI公司(原SULZER技术)生产的先导式主蒸汽安全阀采取的就是该工作原理，该安全阀结构及组成如图3.5。图3.6表示的是主阀上腔泄压开启先导式安全阀，正常运行工况下，主阀上腔与系统通过先导阀连通，上腔带有与系统一样的压力，由于上腔活塞面积大于阀芯的面积，因此系统压力作用在上腔活塞面上的力远远大于系统压力作用在阀芯上的力，使安全阀主阀在正常运行工况下保持密封状态。一旦系统压力升高到先导阀的设定值，先导阀起跳，将上腔的压力泄掉，主阀的关闭力消失，系统压力顶起阀芯，主阀开启。当系统压力下降，先导阀关闭，系统介质通过先导阀再次进人主阀上腔，使主阀关闭。法国SEBIM公司生产的先导式主燕汽安全阀采取的就是这种工作原理，该安全阀的结构及组成如图3.6。图3.4冲压开启先导式安全阀工作原理简图图3.5美国CCI公司主蒸汽安全阀结构及组成图3.6泄压开启先导式安全阀工作原理简图图3.7法国SEBIM公司主蒸汽安全阀结构及组成3.2.稳压器安全阀3.2.1稳压器安全阀的作用稳压器安全阀属于安全重要设备，按ASME标准，稳压器安全阀为核安全一级设备，用于核电站一回路系统和设备的超压保护，在三种情况下，稳压器安全阀动作将一回路介质排放到卸压箱，防止一回路系统和设备的超压。1)当一回路系统压力超过保护设定值，安全阀非能动打开进行系统的卸压以保护一回路系统和设备的安全。2)在特殊上况下，如一回路低温情况下的超压保护(冷脆保护，在一回路温度低于100℃时，防止一回路压力超过3.2MPa)，可由电站自动控制系统发出命令能动开启安全阀进行系统的卸压。3)在一回路任何压力范围内可由操纵员从主控室或辅控室遥控打开安全阀以实现系统的卸压及介质的排放。3.2.2.稳压器安全阀的组成每套稳压器安全阀组分别由一个主阀、两套互为备用互为冗余的电磁加载弹簧式先导阀sTv、一套双电动驱动先导阀MOVD和一个压力监测阀组成。每套电磁加载弹簧式先导阀STV由电磁加载装置，弹簧式先导阀及入口、出口的手动隔离阀组成，双电动驱动先导阀MOVD由两个电动头驱动的阀门串联组成。任何一套电磁加载弹簧式先导阀或双电动头先导阀动作，均是将系统的介质导到安全阀主阀上腔，上腔压力升高到系统压力的50%左右时，安全阀主阀开启。稳压器安全阀组结构小意图及上作原理图如图3.8。3.2.3.稳压器安全阀工作原理稳压器安全阀主阀是依靠压差原理工作。在机组正常运行状态下主阀处于关闭状态，系统压力将阀芯紧紧压在阀座上，当系统无压时，安全阀主阀的弹簧使阀芯处于关闭及密封状态。系统压力越高其关闭的密封力越大，安全阀的密封性能就越好。当一回路压力上升超过电磁加载弹簧先导阀的设定值时，先导阀打开将系统介质导入安全阀主阀的活塞上腔，活塞上腔压力P’升高，由于活塞上作表面的面积S'大于安全阀阀芯面积S’2S，当上腔压加，升高到系统压力P的50%左右，上腔压力作用在活塞上的力将大于系统压力作用在阀芯上的力和弹簧F之和。主阀阀芯即向下移动，阀芯密封面离开阀座密封面，稳压器中的蒸汽通过主阀被排到卸压箱中被冷凝，使一回路压力降低。当一回路压力下降到电磁加载弹簧先导阀的关闭压力值后，电磁加载弹簧先导阀关闭，主阀活塞上腔中的蒸汽沿着先导阀的疏水排气通道排出，使