核电主蒸汽阀站流通能力与动态响应研究

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主蒸汽阀站作为核电站二回路中主蒸汽系统的关键设备之一,位于安全壳之外,对主蒸汽系统的安全可靠运行具有重要意义。主蒸汽阀站是由主蒸汽快速隔离阀、前置隔离阀、两个主蒸汽安全阀组成的阀组,具有三级超压保护功能,其结构紧凑,动作性能快速可靠,故障率低,寿命长。目前,国内所使用的主蒸汽阀站均为国外厂商CCI或SEMPELL的产品,存在购买和维修费用昂贵,供货周期长等缺陷。此外,在使用过程中发现主蒸汽阀站响应延迟的问题,对核电站安全形成了潜在的威胁。国内对主蒸汽阀站的研发尚处于起步阶段,流动性能和结构参数设计等尚处于技术空白期。因此,研究主蒸汽阀站的流通能力和动态响应对于主蒸汽阀站的性能优化,提升核电站安全性,打破技术封锁,提升我国高端阀门制造水平等具有重要的科学意义和工程价值。本文在浙江省重点研发计划“三代核电高参数核一/核三级特种控制阀关键技术及应用”(2021C01021)的支持下,主要研究内容有:(1)建立了主蒸汽阀站的流动特性研究数值模型,包括几何模型、理论模型和数值计算模型。此外,以弹簧刚度、先导阀入口直径和弹簧原长为研究参数,以不稳定性和结构参数取值范围作为约束区域,以整定压力恒定作为约束条件,构建了主蒸汽阀站的动态响应研究数值模型,并进行了简化。最后,使用实验数据验证了数值模型的可靠性。(2)分析了在不同开启逻辑下主蒸汽阀站稳态流通能力的变化规律,得到不同主阀的稳态流动进出口压降和出口流量随进口压力的变化曲线。此外,以全开逻辑为研究工况,模拟了互联先导阀和主蒸汽安全阀主阀的瞬态响应过程,得到了其响应时间和运动曲线。此外,分析了主蒸汽阀站的瞬态流通能力,得到了出口压力和出口流量的变化曲线。(3)以简化后的动态响应研究数值模型为基础,分析了弹簧刚度和先导阀入口直径对互联先导阀阀瓣运动不稳定性和响应过程中阀瓣受力的影响机理,得到了不同先导阀入口直径下弹簧刚度的稳定性临界范围。以阀瓣运动稳定性作为约束条件,研究了稳定区域内弹簧刚度和先导阀入口直径对互联先导阀的响应时间、响应延迟时间和阀瓣受力的影响规律和作用机理,最后根据不同的目标性能给出了动态响应的改进方法。研究发现在稳定范围内互联先导阀的总响应时间最大值为0.0182 s,最小值为0.00964 s,最多降低46.9%。
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