□王夢月 鄒 凱

一、引言

核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對于保障清潔能源的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)以及全球核安全極為重要，一直以來備受世界各國關(guān)注，必須高度重視提高核電站運(yùn)行設(shè)備的可靠性及安全性。核島通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥為電動三通合流調(diào)節(jié)閥，在通風(fēng)系統(tǒng)中承擔(dān)著十分重要的角色。它由電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和三通閥組成，安裝于冷凍水或熱水管道上，其功能是根據(jù)送風(fēng)溫度或回風(fēng)溫度來控制閥門開度，以調(diào)節(jié)流過表冷器(熱交換器)的冷水(熱水)流量，從而使房間溫度維持在規(guī)定范圍內(nèi)，為設(shè)備正常運(yùn)行以及操作人員日常工作提供適宜溫度環(huán)境。因此，調(diào)節(jié)閥的合理選型對核電站通風(fēng)系統(tǒng)有著重要意義。

由于各系統(tǒng)的熱負(fù)荷各不相同，相應(yīng)的管道和流量設(shè)計(jì)也不盡相同，只有根據(jù)特定的工藝條件，并且結(jié)合調(diào)節(jié)閥的固有特性綜合分析，選擇合適的調(diào)節(jié)閥，才能同時滿足系統(tǒng)對調(diào)節(jié)性能及經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性等方面的要求。在以往項(xiàng)目多采用進(jìn)口產(chǎn)品，廠家未提供詳細(xì)的選型方案，且出于對系統(tǒng)最大負(fù)荷保留裕量的考慮，往往并未經(jīng)過計(jì)算，直接按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選擇合適的口徑，比如選擇與安裝管道管徑一致的調(diào)節(jié)閥，或者選擇相較于管道管徑縮小一級口徑的調(diào)節(jié)閥，但其中較多的不確定性因素將造成核島通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥選型的盲目性。若所選取的調(diào)節(jié)閥口徑過小，調(diào)節(jié)閥的流通能力則無法滿足工藝系統(tǒng)要求的最大流量，同時還會加重水泵負(fù)荷，增加能耗；若調(diào)節(jié)閥口徑過大，不僅提高了投資成本，而且會使調(diào)節(jié)閥長期處于小開度條件下工作，易導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，使工藝系統(tǒng)受到?jīng)_擊和振蕩，降低了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，甚至?xí)s短系統(tǒng)壽命。針對以上問題，本文結(jié)合工程實(shí)踐，研究并提出適用于核島通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的選型方法。

二、核島廠房通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)鍵工藝參數(shù)分析

調(diào)節(jié)閥的選型是否合理，很大程度上取決于流量、壓差等計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度，這些數(shù)據(jù)受工藝系統(tǒng)的固有特點(diǎn)、用戶側(cè)負(fù)荷量、經(jīng)濟(jì)性等多方面的因素影響，因此，調(diào)節(jié)閥選型之前，首先需要明確工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并確保工藝設(shè)計(jì)參數(shù)合理準(zhǔn)確。影響調(diào)節(jié)閥選型設(shè)計(jì)的主要工藝參數(shù)包括：

(一)上下游工藝管道的接口尺寸。安裝于工藝管道上的調(diào)節(jié)閥，相當(dāng)于一個可調(diào)節(jié)局部阻力的節(jié)流元件，要想起到調(diào)節(jié)流量的作用，其口徑必須在不大于工藝管道接口尺寸的范圍內(nèi)選取。通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥所在的工藝管道尺寸通常在DN20～DN200范圍內(nèi)。

(二)流量。流量包括：最大流量、正常流量、最小流量。

最大流量——一般要求工藝專業(yè)提供穩(wěn)態(tài)最大流量，即工藝系統(tǒng)正常運(yùn)行中可能出現(xiàn)的靜態(tài)最大流量，通常不再考慮乘以任何裕量系數(shù)。

正常流量——工藝系統(tǒng)額定工況下穩(wěn)定運(yùn)行時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量。

最小流量——工藝系統(tǒng)要求可調(diào)節(jié)的最小流量。

核島通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，很難得到每個流量的精確值，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別對應(yīng)的閥門上下游壓力(或上下游壓差)。如圖1所示：

圖1 流程圖示意圖

P1，P2——P1為直通方向的上游壓力，P2為旁通方向的上游壓力；

P3——調(diào)節(jié)閥的下游壓力；

ΔP——上下游壓力差P1-P3或P2-P3。

(四)閥門全開條件下的閥壓降。調(diào)節(jié)閥上要有一定的閥壓降ΔP，通過改變調(diào)節(jié)閥的阻力來調(diào)節(jié)流量。

(五)最大壓差。對于三通合流調(diào)節(jié)閥而言，閥門的最大壓差指兩個進(jìn)口之間的最大壓差，此壓差值必須小于所選用調(diào)節(jié)閥的允許壓差，以保證調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有足夠大的推力來開啟或關(guān)閉閥門。

(六)設(shè)計(jì)壓力。設(shè)計(jì)壓力為工藝系統(tǒng)的最大壓力，所選調(diào)節(jié)閥的公稱壓力必須大于工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力。

(七)設(shè)計(jì)溫度。設(shè)計(jì)溫度為工藝系統(tǒng)的最大溫度，所選調(diào)節(jié)閥的最大耐受溫度必須大于工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度。

三、調(diào)節(jié)閥選型方法研究

常用的調(diào)節(jié)閥有三種，直線特性調(diào)節(jié)閥、等百分比特性調(diào)節(jié)閥、快開特性調(diào)節(jié)閥，其固有流量特性取決于閥芯的形狀，相較于直線特性調(diào)節(jié)閥，等百分比和快開特性調(diào)節(jié)閥分別在較大開度和較小開度范圍內(nèi)具有更快的流量響應(yīng)速度。鑒于通風(fēng)系統(tǒng)溫度響應(yīng)較慢，且環(huán)境溫度在一段時間內(nèi)比較穩(wěn)定，并不會產(chǎn)生頻繁大幅度波動，對于流量的響應(yīng)速度要求較低，通常選用直線流量特性調(diào)節(jié)閥即可達(dá)到較為滿意的溫度調(diào)節(jié)效果。

影響調(diào)節(jié)閥選型的因素是多方面的，其中最主要的因素是調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的確定。下面將詳細(xì)介紹流量系數(shù)的計(jì)算方法和修正方法，以及根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定最終選型的方法。

(一)主要計(jì)算參數(shù)。

1.閥壓降及閥阻比S100。對于理想條件下的直線流量特性，其相對行程與相對流量(Q/Q100)之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。但在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)節(jié)閥總是安裝于系統(tǒng)中的某段管路中，它會受到管路中諸多因素的影響，工程中通常引入閥門全開條件下的閥阻比，用S100表示，即：S100=閥門全開條件下的閥壓降/管路系統(tǒng)總摩擦阻力降，總摩擦阻力降包括調(diào)節(jié)閥自身、直管路及彎頭、節(jié)流裝置，表冷器或熱交換器等局部阻力損失的總和。

當(dāng)S100=1時，流量特性曲線最接近理想特性曲線，隨著S100的減小，流量特性曲線的畸變越大，如圖2所示；當(dāng)S100=0.5時，流量特性曲線在10%～90%開度范圍內(nèi)接近線性特性，調(diào)節(jié)性能較好，而當(dāng)開度在小于10%或者大于90%的范圍內(nèi)流量特性曲線的畸變較大，調(diào)節(jié)性能相對較差；當(dāng)S100減小到0.1時，流量特性曲線已嚴(yán)重畸變，接近快開流量特性曲線。由直線特性調(diào)節(jié)閥的流量特性分析可知，當(dāng)S100<0.3時，直線流量特性將趨向于快開特性，此時雖然具有較快的響應(yīng)速度，但可調(diào)比會明顯減小。

圖2 直線流量特性

由些可見，雖然S100越大，調(diào)節(jié)閥流量特性的畸變越小，調(diào)節(jié)性能越好，但與此同時，調(diào)節(jié)閥的閥壓降也會相應(yīng)地增大，增大了動力損耗。因此，在確定計(jì)算用的閥壓降時，必須兼顧調(diào)節(jié)性能、動力損耗以及經(jīng)濟(jì)性，以合理地選擇S100，為調(diào)節(jié)閥選型提供準(zhǔn)確依據(jù)。工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中通常選取S100在0.3～0.5的范圍內(nèi)較為合理。

由于受工藝管路復(fù)雜、設(shè)備元件采購工藝未固化等諸多因素的制約，設(shè)計(jì)者通常無法準(zhǔn)確計(jì)算出管路系統(tǒng)總摩擦阻力降，因此只能根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合參考電站實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，估算出閥阻比合理范圍內(nèi)的閥門全開條件下的閥壓降。由于計(jì)算時不確定因素較多，該值僅作為調(diào)節(jié)閥選型的參考值，可綜合考慮各方面因素，允許閥門全開時的閥壓降在參考值附近有一定的上下浮動。比如：當(dāng)采用參考值計(jì)算得到的閥門選型口徑大于工藝管道接口尺寸時，則不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以確保閥門的調(diào)節(jié)性能。

2.計(jì)算用最大流量。由于調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)制造過程中，其流量系數(shù)C值可能會有±(5%～100%)的誤差，通常計(jì)算用最大流量比穩(wěn)態(tài)最大流量大。但目前計(jì)算最大流量的確定在很大程度上依舊取決于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷。國內(nèi)外工程中通常以穩(wěn)態(tài)最大流量的1.15～1.5作為計(jì)算最大流量。當(dāng)最大流量無法確定，或者最大流量近似于正常流量時，為保證調(diào)節(jié)閥的流通能力留有一定裕度，要求計(jì)算最大流量不小于正常流量的1.25倍。

3.調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)。流量系數(shù)是特定流體在特定溫度下，當(dāng)閥門前后為單位壓差時，單位時間內(nèi)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流體體積數(shù)。核島通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥用于冷、熱水流量的調(diào)節(jié)，水為不可壓縮流體，故其流量系數(shù)C的基本計(jì)算公式為：

(1)

其中：

C——流量系數(shù)；

Q——流體體積流量，m3/h；

ΔP——閥壓降，kPa；

ρ/ρ0——流體相對密度(對于室溫水而言，ρ/ρ0近似為1)；

N——常數(shù)，因單位制及C值定義而異，當(dāng)采用KV計(jì)算時，N取1×10-1，當(dāng)采用CV計(jì)算時，N取8.65×10-2。

若采用不同單位制，流量系數(shù)計(jì)算值也會有所差別，常用的流量系數(shù)之間換算關(guān)系為KV=1.01C，CV=1.167C。

但在實(shí)際工程應(yīng)用中實(shí)測值與理想值存在較大偏差，當(dāng)閥兩端與工藝管道間裝有過渡管件時，需要對基本公式加以修正：公式(1)中的流量系數(shù)通常是在假設(shè)調(diào)節(jié)閥的口徑與所在工藝管道接口尺寸一致的情況下計(jì)算得到的，且調(diào)節(jié)閥前后管道必須保證足夠長的直管段。實(shí)際工程應(yīng)用中往往無法嚴(yán)格滿足以上兩個條件，部分調(diào)節(jié)閥口徑小于管道接口尺寸，閥門與工藝管道之間需加裝異徑管，實(shí)際閥壓降會小于計(jì)算閥壓降，使得計(jì)算流量系數(shù)偏小。對于柱塞閥、套筒閥等類型的調(diào)節(jié)閥，當(dāng)管道接口尺寸為閥門口徑的1.5～2倍甚至更大時，將會引入2%～6%的誤差，應(yīng)根據(jù)閥門實(shí)際選型及調(diào)節(jié)品質(zhì)要求等因素綜合評價，以確定是否需要修正計(jì)算流量系數(shù)。

非阻塞流條件下，修正后的流量系數(shù)C′為：

C′=C/FP

(2)

其中：

C——未修正前計(jì)算得出的流量系數(shù)；

FP——管件形狀修正系數(shù)，是調(diào)節(jié)閥裝有異徑管時測得的流量，與不加裝上述管件時，在相同工作條件下測得的流量之比。

FP可由以下公式進(jìn)行估算：

(3)

其中：

NP——常數(shù)，因單位制及C值定義的不同而異，當(dāng)采用KV計(jì)算時，NP取3.16×10-3，當(dāng)采用CV計(jì)算時，NP取2.14×10-3；

C100——根據(jù)公式(1)初步選定調(diào)節(jié)閥的額定流量系數(shù)；

d——調(diào)節(jié)閥口徑，mm；

∑ξ——管件壓力損失系數(shù)的代數(shù)和

∑ξ=ξ1+ξ2+ξB1-ξB2

(4)

ξ1——上游阻力系數(shù)，當(dāng)過濾管件僅為標(biāo)準(zhǔn)同心漸縮器時

(5)

ξ2——下游阻力系數(shù)，當(dāng)過濾管件僅為標(biāo)準(zhǔn)同心漸擴(kuò)器時

(6)

ξB1——調(diào)節(jié)閥入口處的伯努利系數(shù)

(7)

ξB2——調(diào)節(jié)閥出口處的伯努利系數(shù)

(8)

若上游管道直徑D1與下游管道直徑D2相同，則ξB1和ξB2也相等，此時公式(4)可簡化為

(9)

出于保守考慮，以上公式計(jì)算所得的修正系數(shù)FP偏小，從而會導(dǎo)致修正后的流量系數(shù)可能會偏大。因此計(jì)算時需要設(shè)計(jì)者與制造方技術(shù)人員充分溝通，充分了解工藝系統(tǒng)對調(diào)節(jié)閥精度的要求，并結(jié)合參考電站的經(jīng)驗(yàn)反饋以及制造方在從業(yè)領(lǐng)域的豐富應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來綜合考慮。

在串聯(lián)管路系統(tǒng)中，直線流量特性調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性可用如下公式來表征：

(10)

從而可以推導(dǎo)得出開度的計(jì)算公式：

(11)

其中R為調(diào)節(jié)閥的固有可調(diào)比，是指調(diào)節(jié)閥所能調(diào)節(jié)的最大流量與最小流量之比，它比直接決定著調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力，國產(chǎn)調(diào)節(jié)閥的固有可調(diào)比一般為30或50。

(二)調(diào)節(jié)閥的選型。在滿足工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度的前提下，調(diào)節(jié)閥的選型工作重點(diǎn)圍繞以下兩個方面開展。

1.閥門口徑。根據(jù)上文中介紹的計(jì)算方法，分別求得在正常流量和最大流量下的流量系數(shù)，結(jié)合備選閥門的額定流量系數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的理論開度。建議在40%～90%的開度范圍內(nèi)選取口徑不大于上下游工藝管徑的調(diào)節(jié)閥，以保證較高的調(diào)節(jié)性能。此外，還需要考慮調(diào)節(jié)閥的安裝布置條件。所選調(diào)節(jié)閥的重量和重心應(yīng)滿足安裝管段的載荷要求，且調(diào)節(jié)閥不能倒裝，需確認(rèn)現(xiàn)有安裝空間是否滿足要求，若安裝空間有限，應(yīng)盡量選擇閥腔口徑滿足要求且閥體口徑與工藝管道口徑一致的閥門，避免額外增加異徑管。

2.執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力。調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需克服最大不平衡力所對應(yīng)的閥兩端的壓差，才能完成閥門開度的調(diào)節(jié)，因此對于三通合流調(diào)節(jié)閥而言，選型時要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出最大推力所對應(yīng)的允許壓差大于調(diào)節(jié)閥兩個進(jìn)口的最大壓差。

四、結(jié)語

本文闡述了對核電站核島通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥選型的主要設(shè)計(jì)參數(shù)及其計(jì)算方法的研究，并結(jié)合工程應(yīng)用的實(shí)際情況，提出合理可行的選型方法，不僅可以提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，降低調(diào)節(jié)閥選型過程中的不確定性，還可提高其調(diào)節(jié)性能和經(jīng)濟(jì)性，為后續(xù)核電項(xiàng)目中通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的選型工作提供有效參考。