三门核电有限公司
摘要：主蒸汽隔离阀作为主蒸汽管线上的关键部件，在AP1000核电厂正常运行及事故处理过程中起到举足轻重的作用。结合主蒸汽隔离阀的结构特点，简述其动作原理，分析了运行响应及运行限制，并提出了运行策略改进，为电站稳定运行提供了参考。
关键词：主蒸汽隔离阀；运行优化；电磁阀
引言
AP1000核电站蒸汽发生器系统（SGS）包含两个相同的序列，每个蒸汽发生器（SG）对应一个序列，每个序列按功能分为以下三个部分：主蒸汽管线、主给水和启动给水管线以及SG排污管线。正常运行期间，SGS将加热过的给水从主给水和启动给水系统输送到安全壳内的SG，用于产生蒸汽导出一回路的热量，并传送到主蒸汽系统以驱动汽轮发电机用于电力生产。停堆期间凝汽器不可用时，主蒸汽管线隔离，通过启动给水及SGS的大气释放阀导出一回路衰变热。
SGS每条主蒸汽管线上均设置六个主蒸汽安全阀，一个大气释放阀，一个大气释放阀前隔离阀和一个主蒸汽隔离阀（MSIV）。其中每个MSIV配置有一个旁路阀，在启动时用于蒸汽管线暖管和平衡MSIV两侧的压力，旁路阀与MSIV一起用于提供安全壳隔离和SG隔离。
1.MSIV部件构造
1.1本体组成
MSIV使用Flowserve公司生产的EdwardType-A-510型气动/液压线性活塞执行机构。活塞上部为加压氮气，下部为液压油。执行机构利用液压系统开启MSIV并维持在开的状态；关闭时，活塞下部的高压液体流出，而靠活塞上部储存的高压氮气使阀门关闭。执行机构为安全级设备，在设计基准事故后仍能维持结构的完整性和功能的可用性。MSIV开启时间约10分钟，慢关时间约3分钟，快关时间为2至5秒，驱动杆行程为812.8mm，能够传输3.4×106kg/hr的蒸汽流量，限制蒸汽压降，以使主汽阀处含汽率低于0.5%，阀门设计寿命为60年。
MSIV整体呈倒T型，阀杆和执行结构垂直安装在蒸汽管线上方，通过气动/液压活塞执行机构，驱动闸板关闭。闸板上宽下窄，被分成两等分，中间由垫圈隔开，以保证灵活性。闸板一般位于全开或全关位置，不具备调节流体的功能。虽然也能置于中间位置，但当有流体流过时，不推荐此种运行方式。
1.2液压回路组成
回路设计成能完成开启、慢关和快关功能，功能主要由以下子系统来实现：半球体/活塞缸回路、液压油箱、电气系统、泵侧回路、无泵侧回路。
1.2.1半球体/活塞缸回路
液压活塞缸整体连接到半球型氮气存贮器上，活塞缸内的驱动杆上部连接到活塞上，下部与阀杆相连。通过控制活塞的方向和速度来控制阀门关闭件的方向和速度，阀门关闭的动力是来自执行机构活塞缸顶部半球体内的压缩氮气。活塞有足够的密封以保证液压油与氮气之间没有泄漏。同时活塞缸内壁镀铬在其设计寿命内起保护作用并且表面进行过打磨，以提供一个光滑的表面减少密封磨损。
1.2.2液压油箱
液压油箱起到容纳液压油的作用。两台冗余的液压泵，推动液压油到泵侧回路使阀门开启。当液压回路由于泄漏，导致液压油压力下降时，需给油泵通电，启动油泵补偿失去的油并且重新建立液压油压力。每台油泵的电源为380V/三相/50Hz，额定功率为3.7kW。
1.2.3电气系统
电气系统提供远程控制和监视执行机构的能力。电力系统连接到执行机构的三个电力接线盒上，每个接线盒都有一个快拆接头。
1.2.4泵侧回路
由开启回路和关闭回路组成。开启回路使泵将油箱中的液压油转移到活塞缸中，使执行机构回缩从而开启阀门，泵侧回路通过保持活塞缸内的液压油压力使阀门处于开启位置；关闭回路指接通下部液压油的泄压回路，使液压油泄压，上部压缩氮气推动活塞向下使阀门关闭。
1.2.5无泵侧回路
无泵侧回路由于没有连接油泵充油回路，所以此回路只能用于控制阀门的关闭，这也是泵侧回路和无泵侧回路的区别。但同样包含能实现阀门快关和慢关的所有必要部件。
2.运行响应
2.1正常运行
正常运行条件下，电站启动的初级阶段，MSIV将蒸汽发生器系统与主蒸汽系统隔离开，以实现可控的一回路与二回路加热升压。后一阶段，在打开MSIV之前开启MSIV旁路阀，实现可控的主蒸汽管线暖管和平衡MSIV两端的压差。
2.2事故运行
异常运行条件下，MSIV用于防止反应堆过度冷却。安全壳内主蒸汽管线破裂时，关闭SG管线上的MSIV，限制故障SG管线向安全壳物质和能量的释放，来维持安全壳完整性。
2.2.1蒸汽管线破裂
蒸汽管道破裂后，蒸汽流量初始阶段会先增加，直到蒸汽压力下降。安全相关SGS对此的响应是蒸汽发生器自动隔离，不需要操纵员干预，但是操纵员可以采取一些措施减少事故的严重性。MSIV设计能够承受主蒸汽管线0.093m2破口下的蒸汽压力和温度。
对于蒸汽管线小破口，操纵员隔离破损蒸汽管线所在环路的给水，作为第一道防线。这个措施可以减缓反应堆冷却剂系统（RCS）冷却，防止非能动安全系统的不必要启动。如果操纵员没有采取有效动作，RCS温度持续下降，SGS系统会收到保护和安全监控系统（PMS）来的信号，自动隔离进入两个蒸汽发生器的主给水和启动给水，然后非能动安全系统自动启动，排出衰变热。如果破口位于MSIV上游，关闭两个MSIV阻止非故障列过度排放导致RCS过冷。如果破口位于MSIV下游，同样关闭两个MSIV，限制单个SG的过度排放。
2.2.2给水管线破裂
对于主给水逆止阀下游的大破口。给水系统难以维持蒸汽发生器水位，引起的瞬态取决于破口的位置和大小。结果可能是由于丧失给水导致的蒸汽发生器排出热量减少；或由于受影响的蒸汽发生器通过破口排空导致的蒸汽发生器排出热量增加。SGS系统对此事故的响应是：收到主蒸汽隔离信号后，MSIV、MSIV旁路阀和疏水阀都关闭，在收到蒸汽管线低压信号后大气释放阀及其隔离阀关闭。
3.主蒸汽隔离阀运行策略优化
电站冷却期间，两个SG均向主蒸汽母管供汽，保证二回路与一回路冷却速率一致。一回路温度降至177.6℃，不再需要SGS和主给水和启动给水系统（FWS）提供冷却，正常余热排出系统（RNS）投入导出衰变热，此时可以关闭MSIV。
根据设计，Flowserve供货的MSIV电磁阀在得到MSIV关闭命令时带电，且在反应堆冷却过程中和处于冷停堆模式时，电磁阀是一直带电的。因此，在机组大修中此电磁阀长时间带电，加速了回路绝缘下降，最终可能导致电流达到了低压断路器的跳闸定值，电磁阀故障。MSIV处于关闭状态，气动电磁阀失电后，MSIV依然处于关闭状态，电磁阀失电对核安全无影响，但需要及时更换故障的电磁阀，影响机组大修工期。
经西屋公司评估，电磁阀故障问题，已经通过变换电磁阀布置进行了优化。在SGS系统预防性维修大纲中，可综合考虑电磁阀的工作环境温度和使用频率等因素，增加对MSIV电磁阀回路的绝缘电阻测量，一旦发现异常则进行电磁阀更换。并可考虑修订相关规程，在机组大修期间MSIV关闭后，断开其电磁阀的电源，在电站启堆前，确认恢复供电，以减少电磁阀的带电时间。
另外，为了MSIV能正常行使其功能，外部工作环境温度需要限定在10℃至55℃。在低于10℃的温度下，执行机构仍能动作，但是可能无法满足要求的操作时间，或者无法提供足够的关闭动力。正常条件下，阀门可以短时间暴露在55℃的温度环境中，高于71℃会导致气体储罐内的氮气压力超过设计压力3000psig。MSIV失去执行机构液体压力后会关闭；丧失交流或直流电源或丧失液压泵时，阀门失效保持。
结语
MSIV是SGS系统的安全相关阀门，同时作为一回路热量传导至二回路的关键分界点，在电厂运行模式控制、蒸发器传热管瞬态、蒸汽及给水管道破裂事故缓解等方面起到至关重要的作用。根据对MSIV运行方式的深入研究，有利于实现运行的安全有效控制。
参考文献：
[1]顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010：211-227.