核电站核岛通风系统调节阀的选型方法研究

□王梦月 邹 凯

一、引言

核电站的安全稳定运行，对于保障清洁能源的持续稳定供应以及全球核安全极为重要，一直以来备受世界各国关注，必须高度重视提高核电站运行设备的可靠性及安全性。核岛通风系统调节阀为电动三通合流调节阀，在通风系统中承担着十分重要的角色。它由电动执行机构和三通阀组成，安装于冷冻水或热水管道上，其功能是根据送风温度或回风温度来控制阀门开度，以调节流过表冷器(热交换器)的冷水(热水)流量，从而使房间温度维持在规定范围内，为设备正常运行以及操作人员日常工作提供适宜温度环境。因此，调节阀的合理选型对核电站通风系统有着重要意义。

由于各系统的热负荷各不相同，相应的管道和流量设计也不尽相同，只有根据特定的工艺条件，并且结合调节阀的固有特性综合分析，选择合适的调节阀，才能同时满足系统对调节性能及经济性和稳定性等方面的要求。在以往项目多采用进口产品，厂家未提供详细的选型方案，且出于对系统最大负荷保留裕量的考虑，往往并未经过计算，直接按照设计经验选择合适的口径，比如选择与安装管道管径一致的调节阀，或者选择相较于管道管径缩小一级口径的调节阀，但其中较多的不确定性因素将造成核岛通风系统调节阀选型的盲目性。若所选取的调节阀口径过小，调节阀的流通能力则无法满足工艺系统要求的最大流量，同时还会加重水泵负荷，增加能耗；若调节阀口径过大，不仅提高了投资成本，而且会使调节阀长期处于小开度条件下工作，易导致控制系统不稳定，使工艺系统受到冲击和振荡，降低了系统的调节品质，甚至会缩短系统寿命。针对以上问题，本文结合工程实践，研究并提出适用于核岛通风系统调节阀的选型方法。

二、核岛厂房通风系统关键工艺参数分析

调节阀的选型是否合理，很大程度上取决于流量、压差等计算数据的准确程度，这些数据受工艺系统的固有特点、用户侧负荷量、经济性等多方面的因素影响，因此，调节阀选型之前，首先需要明确工艺系统的设计要求，并确保工艺设计参数合理准确。影响调节阀选型设计的主要工艺参数包括：

(一)上下游工艺管道的接口尺寸。安装于工艺管道上的调节阀，相当于一个可调节局部阻力的节流元件，要想起到调节流量的作用，其口径必须在不大于工艺管道接口尺寸的范围内选取。通风系统调节阀所在的工艺管道尺寸通常在DN20～DN200范围内。

(二)流量。流量包括：最大流量、正常流量、最小流量。

最大流量——一般要求工艺专业提供稳态最大流量，即工艺系统正常运行中可能出现的静态最大流量，通常不再考虑乘以任何裕量系数。

正常流量——工艺系统额定工况下稳定运行时流经调节阀的流量。

最小流量——工艺系统要求可调节的最小流量。

核岛通风系统的实际设计过程中，很难得到每个流量的精确值，通常只有正常流量是可以估算的，最大流量基本接近于正常流量，而最小流量也是未知的。

(三)最大流量、正常流量及最小流量分别对应的阀门上下游压力(或上下游压差)。如图1所示：

图1 流程图示意图

P1，P2——P1为直通方向的上游压力，P2为旁通方向的上游压力；

P3——调节阀的下游压力；

ΔP——上下游压力差P1-P3或P2-P3。

(四)阀门全开条件下的阀压降。调节阀上要有一定的阀压降ΔP，通过改变调节阀的阻力来调节流量。

(五)最大压差。对于三通合流调节阀而言，阀门的最大压差指两个进口之间的最大压差，此压差值必须小于所选用调节阀的允许压差，以保证调节阀的执行机构有足够大的推力来开启或关闭阀门。

(六)设计压力。设计压力为工艺系统的最大压力，所选调节阀的公称压力必须大于工艺系统的设计压力。

(七)设计温度。设计温度为工艺系统的最大温度，所选调节阀的最大耐受温度必须大于工艺系统的设计温度。

三、调节阀选型方法研究

常用的调节阀有三种，直线特性调节阀、等百分比特性调节阀、快开特性调节阀，其固有流量特性取决于阀芯的形状，相较于直线特性调节阀，等百分比和快开特性调节阀分别在较大开度和较小开度范围内具有更快的流量响应速度。鉴于通风系统温度响应较慢，且环境温度在一段时间内比较稳定，并不会产生频繁大幅度波动，对于流量的响应速度要求较低，通常选用直线流量特性调节阀即可达到较为满意的温度调节效果。

影响调节阀选型的因素是多方面的，其中最主要的因素是调节阀流量系数的确定。下面将详细介绍流量系数的计算方法和修正方法，以及根据计算结果确定最终选型的方法。

(一)主要计算参数。

1.阀压降及阀阻比S100。对于理想条件下的直线流量特性，其相对行程与相对流量(Q/Q100)之间呈现线性关系。但在实际应用中，调节阀总是安装于系统中的某段管路中，它会受到管路中诸多因素的影响，工程中通常引入阀门全开条件下的阀阻比，用S100表示，即：S100=阀门全开条件下的阀压降/管路系统总摩擦阻力降，总摩擦阻力降包括调节阀自身、直管路及弯头、节流装置，表冷器或热交换器等局部阻力损失的总和。

当S100=1时，流量特性曲线最接近理想特性曲线，随着S100的减小，流量特性曲线的畸变越大，如图2所示；当S100=0.5时，流量特性曲线在10%～90%开度范围内接近线性特性，调节性能较好，而当开度在小于10%或者大于90%的范围内流量特性曲线的畸变较大，调节性能相对较差；当S100减小到0.1时，流量特性曲线已严重畸变，接近快开流量特性曲线。由直线特性调节阀的流量特性分析可知，当S100<0.3时，直线流量特性将趋向于快开特性，此时虽然具有较快的响应速度，但可调比会明显减小。

图2 直线流量特性

由些可见，虽然S100越大，调节阀流量特性的畸变越小，调节性能越好，但与此同时，调节阀的阀压降也会相应地增大，增大了动力损耗。因此，在确定计算用的阀压降时，必须兼顾调节性能、动力损耗以及经济性，以合理地选择S100，为调节阀选型提供准确依据。工程设计应用中通常选取S100在0.3～0.5的范围内较为合理。

由于受工艺管路复杂、设备元件采购工艺未固化等诸多因素的制约，设计者通常无法准确计算出管路系统总摩擦阻力降，因此只能根据设计经验，并结合参考电站实际运行经验反馈，估算出阀阻比合理范围内的阀门全开条件下的阀压降。由于计算时不确定因素较多，该值仅作为调节阀选型的参考值，可综合考虑各方面因素，允许阀门全开时的阀压降在参考值附近有一定的上下浮动。比如：当采用参考值计算得到的阀门选型口径大于工艺管道接口尺寸时，则不能满足设计要求，需要做出适当的调整以确保阀门的调节性能。

2.计算用最大流量。由于调节阀生产制造过程中，其流量系数C值可能会有±(5%～100%)的误差，通常计算用最大流量比稳态最大流量大。但目前计算最大流量的确定在很大程度上依旧取决于设计人员的经验判断。国内外工程中通常以稳态最大流量的1.15～1.5作为计算最大流量。当最大流量无法确定，或者最大流量近似于正常流量时，为保证调节阀的流通能力留有一定裕度，要求计算最大流量不小于正常流量的1.25倍。

3.调节阀流量系数。流量系数是特定流体在特定温度下，当阀门前后为单位压差时，单位时间内流经调节阀的流体体积数。核岛通风系统调节阀用于冷、热水流量的调节，水为不可压缩流体，故其流量系数C的基本计算公式为：

(1)

其中：

C——流量系数；

Q——流体体积流量，m3/h；

ΔP——阀压降，kPa；

ρ/ρ0——流体相对密度(对于室温水而言，ρ/ρ0近似为1)；

N——常数，因单位制及C值定义而异，当采用KV计算时，N取1×10-1，当采用CV计算时，N取8.65×10-2。

若采用不同单位制，流量系数计算值也会有所差别，常用的流量系数之间换算关系为KV=1.01C，CV=1.167C。

但在实际工程应用中实测值与理想值存在较大偏差，当阀两端与工艺管道间装有过渡管件时，需要对基本公式加以修正：公式(1)中的流量系数通常是在假设调节阀的口径与所在工艺管道接口尺寸一致的情况下计算得到的，且调节阀前后管道必须保证足够长的直管段。实际工程应用中往往无法严格满足以上两个条件，部分调节阀口径小于管道接口尺寸，阀门与工艺管道之间需加装异径管，实际阀压降会小于计算阀压降，使得计算流量系数偏小。对于柱塞阀、套筒阀等类型的调节阀，当管道接口尺寸为阀门口径的1.5～2倍甚至更大时，将会引入2%～6%的误差，应根据阀门实际选型及调节品质要求等因素综合评价，以确定是否需要修正计算流量系数。

非阻塞流条件下，修正后的流量系数C′为：

C′=C/FP

(2)

其中：

C——未修正前计算得出的流量系数；

FP——管件形状修正系数，是调节阀装有异径管时测得的流量，与不加装上述管件时，在相同工作条件下测得的流量之比。

FP可由以下公式进行估算：

(3)

其中：

NP——常数，因单位制及C值定义的不同而异，当采用KV计算时，NP取3.16×10-3，当采用CV计算时，NP取2.14×10-3；

C100——根据公式(1)初步选定调节阀的额定流量系数；

d——调节阀口径，mm；

∑ξ——管件压力损失系数的代数和

∑ξ=ξ1+ξ2+ξB1-ξB2

(4)

ξ1——上游阻力系数，当过滤管件仅为标准同心渐缩器时

(5)

ξ2——下游阻力系数，当过滤管件仅为标准同心渐扩器时

(6)

ξB1——调节阀入口处的伯努利系数

(7)

ξB2——调节阀出口处的伯努利系数

(8)

若上游管道直径D1与下游管道直径D2相同，则ξB1和ξB2也相等，此时公式(4)可简化为

(9)

出于保守考虑，以上公式计算所得的修正系数FP偏小，从而会导致修正后的流量系数可能会偏大。因此计算时需要设计者与制造方技术人员充分沟通，充分了解工艺系统对调节阀精度的要求，并结合参考电站的经验反馈以及制造方在从业领域的丰富应用经验来综合考虑。

在串联管路系统中，直线流量特性调节阀的结构特性可用如下公式来表征：

(10)

从而可以推导得出开度的计算公式：

(11)

其中R为调节阀的固有可调比，是指调节阀所能调节的最大流量与最小流量之比，它比直接决定着调节阀的调节能力，国产调节阀的固有可调比一般为30或50。

(二)调节阀的选型。在满足工艺系统设计压力和设计温度的前提下，调节阀的选型工作重点围绕以下两个方面开展。

1.阀门口径。根据上文中介绍的计算方法，分别求得在正常流量和最大流量下的流量系数，结合备选阀门的额定流量系数，计算相应的理论开度。建议在40%～90%的开度范围内选取口径不大于上下游工艺管径的调节阀，以保证较高的调节性能。此外，还需要考虑调节阀的安装布置条件。所选调节阀的重量和重心应满足安装管段的载荷要求，且调节阀不能倒装，需确认现有安装空间是否满足要求，若安装空间有限，应尽量选择阀腔口径满足要求且阀体口径与工艺管道口径一致的阀门，避免额外增加异径管。

2.执行机构推力。调节阀的执行机构需克服最大不平衡力所对应的阀两端的压差，才能完成阀门开度的调节，因此对于三通合流调节阀而言，选型时要求执行机构输出最大推力所对应的允许压差大于调节阀两个进口的最大压差。

四、结语

本文阐述了对核电站核岛通风系统调节阀选型的主要设计参数及其计算方法的研究，并结合工程应用的实际情况，提出合理可行的选型方法，不仅可以提高调节品质，降低调节阀选型过程中的不确定性，还可提高其调节性能和经济性，为后续核电项目中通风系统调节阀的选型工作提供有效参考。