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

课题名称学校名称班 级学 号姓 名递交日期

安全阀的原理和作用：核电安全阀 南京工程学院 过程装备121 2011212XX XXXXXXX 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AP 1000)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。AP 1000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AP 1000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

图3.8 田湾核电站稳压器安全阀结构及工作原理图

四、安全阀的研究方向举例

4.1.故障诊断方式：基于神经网络技术的核电厂阀门故障诊断

4.1.1人工神经网络的简介

人工神经网络：一种应用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型，一个具有学习能力的系统，可以发展知识，以致超过设计者原有的知识水平。它的学习训练方式可分为两种，一种是有监督或称有导师的学习，这时利用给定的样本标准进行分类或模仿；另一种是无监督学习或称无为导师学习，这时，只规定学习方式或某些规则，则具体的学习内容随系统所处环境 （即输入信号情况）而异，系统可以自动发现环境特征和规律性，具有更近似人脑的功能。 4.1.2神经网络在设备故障诊断中的步骤

(1)选择网络输入量、输出量。网络输入量的选择要能够包含设备的动态特性、干扰因素和模型误差等变量，网络输出量是根据设备的故障人为设定的; (2)根据设备故障诊断的需求，选择合适的神经网络作为诊断的方法;

(3)阈（yu）值和权值的确定。根据第一步所确定的网络输入量、网络输出量对神经网络进行训练，以确定系统的阈值和权值;

(4)信号样本要能表示系统的动态特性，并将其作为输入信号输入神经网络中，如果网络的输出值在规定误差范围内，则不发生故障，相反如果超出误差，则发生故障。 4.1.3实例

以稳压器中的先导式安全阀作为研究对象，其结构见图3.7。 稳压器系统中的测点很多，如何选取可利于神经网络诊断的特征量成为关键，主要是采集能够反映安全阀工作状态的相关测点，图4.1显示的是一回路稳压器系统的简图。

图4.1 稳压器系统简图

表4.1 稳压器安全阀监测系统

表4.1为田湾核电厂稳压器安全阀监测系统的各个测点。综上所述，可选取以下的测点作为网络的输入量:

(1)反应堆压力; (2)主阀上腔温度;

(3)先导阀的阀后疏水管道温度; (4)卸压箱温度;

(5)先导阀排放母管温度; (6)主阀上腔压力; (7)卸压箱压力; (g)卸压箱液位。

以上测点采集的数据作为RBF神经网络对先导式安全阀进行故障诊断的训练样本，可以设定由8个输入神经元，5个输出神经元的神经网络，由于测点个数较多，因而故障样本充足，有利于BRF神经网络的训练，但是由于缺乏实际数据或实验平台模拟数据的支持，有待进一步的实际验证。

4.2安全阀设计方法的革新

4.2.1安全阀的模块化设计(以稳压器先导式安全阀为例)

模块化的核心思想是利用模块的概念，采用分解和组合的原理，对一定范围内的产品进行功能分析和分解，划分并形成一系列通用的具有相对独立功能的模块系统;再通过模块的选择和组合，快速构成所需要的新产品。采用模块化设计方法进行开发，是开发高效费比系列产品的有效途径，有助于缩短核级安全阀系列产品的研制周期，降低研发成本，确保产品性能。

1)模块的划分

模块的划分应遵循以下的原则:①特性原则—模块的划分应尽可能地考虑设备的特性要求，力求典型化;②独立原则—对要划分的模块单元要在功能上、结构上尽可能地做到独立化，这样的模块易于拼组搭配，便于构成多种变型产品;③典型部件原则—以结构相对独立的部件作为模块单元，.便于模块的互换;对结构复杂的部件进一步细化，将部件中的某些组件模块化;④可扩充性原则—模块单元应考虑未来新技术应用的可能性。在模块中留有一定空间，以便增设一些模块后能实现所要求的功能或性能。

2)模块的设计及其合理性分析 3)模块间的接口设计

为了保证模块接口的协调性，模块间的接口均采用了标准化的方法进行设计。

4)模块的组合

在全面消化各模块的功能和接口参数、验证模块组合后的效果后，根据产品的具体要求选择相应的模块，进行模块的组合，形成总体设计。

图4.2 稳压器先导式安全阀的模块划分

4.2.2安全阀的参数化设计

安全阀所采用的数学模型及结构都是相对固定不变的，只是不同型号的结构尺寸有所差异，很适合进行参数化设计。采用结构参数化设计，对于不同尺寸的阀门只需要改变相应参数化尺寸的值就可以自动迅速地得到设计模型省去了大量重复过程，提高了设计效率。同时，非常便于阀门进行重量分析、应力分析和结构完整性评定，有利于缩短设计周期，降低制造成本。

核电安全阀参数化设计的主要步骤如下:

1)建立阀门零件的基本图形，对于复杂零件可能要分阶段建立基本图形。 2)依次确定零件的关键尺寸及次要尺寸，并为每一个尺寸设置便于记忆的参数名。

3)使用Excel软件完成参数化设计所需参数的赋值。 4)通过CATIA软件完成零件基于参数的造型。 5)所有标准件均通过参数化设计建立模型。

6)在CATIA软件中，完成阀门的虚拟装配，从而检查阀门设计的合理性，防止装配时出现干涉现象。

7)改变参数可以生成新的不同尺寸的阀门，新生成的阀门与原阀门保持高度的结构相似性。

4.3性能的改进与挺升

4.3.1优化安全阀结构提供密封性能

弹簧式安全阀设定的整定压力一般通过调整弹簧的压缩量进行调节，弹簧压缩量越大则整定压力越高，弹簧压缩量越小则整定压力越低。弹簧压紧力通过阀杆向下直接传递到阀瓣上，使得阀瓣密封面与喷嘴密封面相互平面贴合压紧并形成足够大的密封预紧力如图4.3所示。

图4.3 阀座结构

对于普通平面结构的阀瓣(图4.4)，在喷嘴密封面平整、光洁条件下，当介质运行压力升高到安全阀设定的整定压力96%时安全阀会出现预泄现象。为进一步提高安全阀的密封性能，将普通平面阀瓣结构改进为柔性阀瓣结构(图4.5)。改进的阀瓣在其密封面背侧加工一道环形凹槽，使得阀瓣密封面具有一定的弹性。该结构将介质压力导入阀瓣密封面背侧的环形凹槽内并作用在与阀瓣密封面相对的环形斜面上。由于环形斜面是内侧较薄、外侧较厚结构，随着介质运行压力升高并接近至96%整定压力时，阀瓣密封面被介质压力向下推压产生微小变形，此时阀瓣密封面外侧轻微抬起，凹槽张口轻微增大，而阀瓣密封面内侧依然与喷嘴密封面保持平面贴合，且两者密封面的接触宽度随着介质压力的不断升高也在逐渐轻微变小，在一定程度上增加了安全阀的密封比压，从而可将安全阀产生预泄的压力值提升而能够保持安全阀的密封性能。在喷嘴密封面平整、光洁条件下，安全阀的预泄点压力推迟甚至可以达到设定的整定压力98% 。

图4.4 普通平面阀瓣

图4.5 柔性阀瓣结构

4.3.2颤振问题的解决方案

颤振是指安全阀的阀瓣迅速异常的来回运动，在此过程中，阀瓣不接触阀座。当被保护设备内压力异常升高达到开启压力时，阀门自动开启，此时设备内介质得以排放。当被保护容器内的压力还高于起跳压力时，安全阀进口管的压力已经低于回座压力，安全阀回座。在很短的时间内，通过压力传递，阀门进口管内的压力又达到起跳压力，阀瓣上升，如此循环，产生颤振。

方案1：采用加装阻尼器的方法，通过施加于安全阀阀杆上的阻尼力，使得阀门在回座前充分的排放被保护设备、容器或管路中的介质，从而消除颤振现象。

1)油压式阻尼器

油压式阻尼器(图4.6)通过阀杆的位移使流体在两个腔室之间流动。阀杆上升时，流体通过调节孔和隔膜孔进行流通，此时上下腔室的压差很小，可以忽略不计，不影响阀门的开启时间。阀门关闭阀杆下降时，隔膜孔关闭，流体仅通过调节孔流通，此时上下压差产生一个向上的力，避免阀门的快速回座，从而消除频繁颤振的现象。

图4.6 油压式阻尼器

2)机械式阻尼器

机械式阻尼器(图4.8)是在弹簧式安全阀的阀杆连接轴上安装一个起制动作用的装置，弹簧力通过圆锥形的石墨垫圈，将轴向的载荷转化为径向作用力，减小阀杆的振动。在阀门关闭时，通过制动装置内弹簧的压缩挤压石墨垫圈，产生的摩擦力使阀杆下降速度变缓。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/amlg.html