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过程装备与控制工程的概论论文
某某工程学院
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
学校名称某某工程学院
班级过程装备121
学号2011212XX
姓名XXXXXXX
递交日期：
2015年04月03日
一、安全阀的研究背景
二、安全阀的分类、根本的性能要求
三、核电安全阀的结构与原理
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开展趋势，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开展的必要步骤。
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;每千瓦核电的本钱比火电低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，在大局部欧美国家中，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，我国核电开展规模计划将在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。
它们主要位于某某、某某和某某。
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视两个方面入手。
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根底上开展起来的。
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。
我国在建的某某三门核电站和某某海阳核电站将使用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、根本的性能要求
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
（1）准确的开启
安全阀应该满足的最根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、颤振与卡阻现象，并且具有比拟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）与时的回座
当然只有开启和排放是不够的，与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核反响堆结构图
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，用于主蒸汽管道与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标准与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。
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、反冲盘与阀杆等零件重力因与介质工作力相比拟小，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局部压力的作用下，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3.3直接作用弹簧式主蒸汽安全阀
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，从而防止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局部组成，主阀的动作由先导阀来控制，先导阀是个三通阀，口径较小，设定值可更准确一些，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，从而带动阀芯进展开启和关闭动作。
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制了上腔向下的力，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，该安全阀结构与组成如图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，该安全阀的结构与组成如图3.6。
图3.5美国CCI公司主蒸汽安全阀结构与组成
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与组成
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展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展系统的卸压。
3）在一回路任何压力X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与介质的排放。
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，弹簧式先导阀与入口、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与上作原理图如图3.8。
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与密封状态。
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，由于活塞上作外表的面积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，使上腔中的压力P′减小。
当系统压力作用在阀芯上的力和安全阀自身的弹簧力之和大于上腔压力作用在活塞上的力后，阀芯向上移动，关闭主阀，从而阻止稳压器中的介质向卸压箱排放，使一回路的压力恢复并保持正常值。
图3.8田湾核电站稳压器安全阀结构与工作原理图
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
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展信息处理的数学模型，一个具有学习能力的系统，可以开展知识，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，一种是有监视或称有导师的学习，这时利用给定的样本标准进展分类或模仿；另一种是无监视学习或称无为导师学习，这时，只规定学习方式或某些规如此，如此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。
（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，选择适宜的神经网络作为诊断的方法;
（3）阈〔yu〕值和权值确实定。
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展训练，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X围内，如此不发生故障，相反如果超出误差，如此发生故障。
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）反响堆压力;
（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展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X围内的产品进展功能分析和分解，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展开发，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，降低研发本钱，确保产品性能。
1）模块的划分
模块的划分应遵循以下的原如此:
①特性原如此—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独立原如此—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典型部件原如此—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可扩大性原如此—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）模块的设计与其合理性分析
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展设计。
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，进展模块的组合，形成总体设计。
图4.2稳压器先导式安全阀的模块划分
安全阀所采用的数学模型与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，很适合进展参数化设计。
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，非常便于阀门进展重量分析、应力分析和结构完整性评定，有利于缩短设计周期，降低制造本钱。
核电安全阀参数化设计的主要步骤如下:
1）建立阀门零件的根本图形，对于复杂零件可能要分阶段建立根本图形。
2）依次确定零件的关键尺寸与次要尺寸，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，防止装配时出现干预现象。
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。
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展调节，弹簧压缩量越大如此整定压力越高，弹簧压缩量越小如此整定压力越低。
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良为柔性阀瓣结构（图4.5）。
改良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X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
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展流通，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，防止阀门的快速回座，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。
图4.8机械式阻尼器
方案2：
采用自稳式安全阀结构，自稳式安全阀是弹簧式安全阀的一种改良结构（图4.9）,其通过在阀瓣下连接一个盘片（盘片的直径D>喉径d）,并在盘片上开孔与在盘片的侧面开槽的方式，实现阀门的快速开启与缓慢回座，从而防止阀门颤震现象的产生。
当压力容器的压力达到设定压力，阀门在开启瞬间（（0.ls）腔A的压力迅速释放8%—10%，释放的速度大于通过盘片小孔补充的速度，导致上下腔产生一个压差，使阀门迅速开启，防止了震动和噪声。
阀门开启后，介质可以通过盘片上的小孔和侧面的槽孔排出。
当压力降低到设定压力后，阀瓣开始回座。
阀门回座的速度一开始很快，当盘片侧面的槽孔进入喉径内时，介质排出的面积开始减小，阀瓣越往阀座靠近，槽孔被挡住越多，当阀瓣即将接触阀座的时候，介质只能通过小孔。
随着面积的逐步减小，缓冲的力量逐步增大，使得阀瓣最后轻轻地贴合在阀座上。
图4.9自稳式安全阀
五、结论与展望
安全阀本身属于自动阀类，主要用于锅炉、压力容器和管道上，控制压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重要保护作用。
而核电安全阀的安全性能要求就更高了。
因此，当今或者未来核电安全阀的研究方向和开展趋势将主要是围绕着“安全〞二字展开的，其次才能考虑经济性。
由此可知主要的科研方向有：
1.核电安全阀制造选材上，将会改良现有钢材的微观结构，提升钢材的抗压性能，或者寻找新材料替代现有钢材。
2.优化设计核电安全阀的结构，以此来提升其密闭性、开启准确性、排放稳定性等相关工作性能
3.提高检修技术，核电站一般不会轻易停运，这就给安全阀等设备的检修带来了困难，所以研究安全阀的在线检修技术就显得十分必要。
4.开展远程监控技术，众所周知，核电站存在着核泄漏、核污染的可能性，这些问题一出现都将是致命性的。
所以有必要开展远程监控技术，对安全阀等设备进展远程监控，实时监控。
5.安全阀的工作环境模拟与测试装置的研发，核电站的设备价格昂贵，不允许有事故的发生。
所以在研究核电安全阀时，缺乏真实的实验环境，这就给安全阀的研究改良造成了不便。
随着科学技术的开展，我们可以运用计算机等工具来模拟安全阀的工作情况，甚至设计真实的微型安全阀工作模型。
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