介绍了自力式背压调节阀的特性，分析了国内某核电站用辅助给水储罐直接作用式背进口自力式温度调节阀排量不足的原因，提出了将阀门更换为指挥器操作型背压调节阀的解决措施，并通过开启行程和流量系数试验，证明指挥器操作型背压调节阀满足工况要求。
关键字：核电站用阀 背压调节阀 排放量 流量系数 设定压力
1 概述
进口自力式压力调节阀是一种无需外来能源，依靠被测介质自身压力，按预先设定值，进行自动压力调节的控制装置，自力式压力调节阀在石化和电力辅助给水储罐氮封系统使用较为普遍。本文针对国内某核电辅助给水储罐氮封系统的自力式背压调节阀排量不足问题进行了分析，并提出了阀门换型的解决措施。
2 工作原理
核电辅助给水系统的给水储罐储存除盐除氧水，水上部采用氮气封闭以保护水不受空气的污染。储罐的氮封系统（图1）包括进气和排气两部分。进气部分主要装置包括1个自力式减压阀和1个手动隔离阀，排气部分主要装置包括1个自力式背压调节阀和1个手动隔离阀。正常运行时，进气和排气管道的手动隔离阀保持开启，氮气从供给系统引入，经减压阀减压后供给储罐。储罐氮气压力要求稳定在10kPa（g）左右。
1.减压阀 2.给水储罐 3.手动隔离阀 4.背压调节阀
图1 给水储罐氮封系统流程
当储罐充水或氮封系统减压阀失效时，储罐的压力会异常升高。为了防止储罐因超压而损坏，背压调节阀开启排放多余的氮气。背压调节阀的开启设定压力为12kPa（g），要求的最大排量为316Nm3/h。在核电厂试验过程中，当储罐的充水速度为40t/h时，储罐的高压报警装置（报警设定值为13kPa（g））被触发，这表明背压调节阀的排量达不到系统设计要求。
3 原因分析
3.1 功能和结构
背压调节阀为介质直接作用型，气室膜片的取压孔设置在阀门内部（图2）。系统正常运行时，阀门的气室弹簧预紧力大于作用在膜片上的介质压力，使得阀瓣压紧阀座，阀门保持关闭。当介质压力达到或超过设定压力时，膜片下方的介质压力能够克服弹簧的预紧力，使阀门开启。阀门的开度与阀门的超压成正比。
1.调整座2.弹簧3.气室膜片4.内部取压孔5.阀瓣6.阀座
图2 直接作用型背压调节阀
直接作用型背压调节阀结构简单，外形尺寸小，不需要设置外部取压口，安装方便。但是，阀门设定压力精度不高，且在超压工况有频跳的现象。由于阀门膜片的取压孔位于阀腔内，当阀门开启并排放流量时，储罐至阀门入口，以及阀门入口至阀门中腔都有流动引起的压力损失，此处所取的压力低于储罐的压力，不利于阀门达到要求的开度。另外阀门采用流关型结构，阀门开启后介质的流动不利于维持阀门的开启。当阀门开启排放流量时，阀腔内部流动紊乱，压力脉动较大，膜片经受压力脉动会引起阀门颤振，容易引起膜片、阀杆及导向面损伤。阀门的阀瓣/阀座采用金属密封（堆焊司太立合金），密封性能差。
3.2 水力计算
氮封系统中，背压调节阀与给水储罐中间安装有1个手动隔离阀、4个弯头（3个90°，1个30°）和4.1m长的管道。经管路水力计算，在最大工作温度（60℃）下排放设计要求的最大流量（316Nm3/h）时，阀门上游管道的气体平均速度达到17.9m/s（气体动压0.18kPa），从储罐到背压调节阀入口有0.73kPa的压损，假定储罐内氮气压力达到报警压力13.0kPa（g），减去阀门上游的压损和气体动压（该动压不能利用），阀门入口静压仅为12.09kPa（g），阀门出口静压为0.72kPa（g）（该出口静压是用于克服下游排放管道的压损）。
1.取压管2.调节杆3.先导阀弹簧4.先导阀气室膜片
5.先导阀阀瓣6.先导阀阀座7.排气针阀8.主阀气室膜片
9.阀杆密封隔膜10.主阀座11.主阀瓣12.主阀瓣弹簧
图3 指挥器操作型背压调节阀
指挥器操作型背压调节阀从外部取压，并由先导阀控制主阀的开启和关闭。正常运行时，在主阀瓣弹簧预紧力的作用下，阀门保持关闭。当先导阀入口压力达到设定压力时，先导阀开启，将取压管的压力引入主阀气室膜片上腔，使得主阀瓣弹簧压缩，主阀开启。当先导阀入口压力低于设定压力时，先导阀关闭，主阀气室膜片上腔的压力通过排气针阀泄放，在主阀瓣弹簧预紧力的作用下，主阀关闭。排气针阀的阀座通径小于先导阀的阀座通径，且开度可调。通过调节排气针阀的开度可调节主阀气室的排气速度，实现主阀关闭时间的调节。指挥器操作型背压调节阀设定压力精度提高，阀门关闭时间可调，在储罐超压工况可防止阀门的频跳。阀门采用流开型结构，阀门开启后介质的流动有利于维持阀门的开启。阀瓣/阀座采用软密封，阀门的密封性提高。
5 流量系数
为了满足系统要求的排量，需要计算阀门在最大排量工况要求的流量系数KV
（1）
式中 KV———流量系数，m3/h
Q———标准工况体积流量（Q=316），Nm3/h
N9———24.6，无量纲系数
p1———阀门入口绝对静压（p1=113.42），kPa（绝对）
Y———气体膨胀因子
Y=1－x/（3FγXT）
Fγ———比热比因子（Fγ=1）
XT———压差比因子（XT=0.7）
M———分子量（氮气M=28.0），g/mol
T1———进口温度（T1=333.15），K
Z———气体压缩因子（Z=1）
x———压差与入口绝对压力之比（x=△p/p1）
对于单座截止型调节阀，计算得到阀门要求的流量系数KV=36.3m3/h。
6 试验方法
在阀门压力试验后进行了开启行程和流量系数试验。开启行程试验目的是测试阀门在取压管压力为12.28kPa（g）时的开启行程。试验阀门采用加长阀杆和特制下阀盖，阀杆可伸出阀盖，在阀杆下部可装设测量阀门行程的百分表。试验方法是通过取压管向主阀气室导入压力为12.28kPa（g）的压缩空气，待压力稳定后从百分表读取阀门的开启行程。试验测得阀门的开启行程为7.0mm。
流量系数试验介质为水。试验采用与开启行程试验相同的阀门，阀杆伸出下阀盖，伸出部分带有螺纹，通过1个调节螺母将阀杆调至要求的开启行程（7.0mm）。试验得到阀门流量系数KV为62.6m3/h，满足系统设计要求。
7 结语
相对于直接作用型背压调节阀，指挥器操作型背压调节阀具有控制精度高、密封性好、可防止频跳等优点，其性能满足核电厂的设计要求。
由于阀门入口至阀门中腔有一定压损，阀门中腔取压孔处的压力会低于阀门入口静压，即气室膜片接收到的压力会低于阀门入口静压12.09kPa（g）。按阀门设定压力12.0kPa（g），此时膜片接收到的超压小于0.09kPa（g），不到设定压力的0.75%。经分析，阀门在如此小的超压下无法达到要求的排量。
4 解决措施
根据分析，阀门的取压孔不能设置在阀门入口或阀门内部，理想情况是设置在储罐顶部或接近储罐的排放管道处。由于储罐为核安全级设备，不允许在现有储罐顶部开设取压孔。而且储罐已装有除盐除氧水，如果在排放管隔离阀前的管道开取压孔，将造成罐内除盐除氧水的污染。所以，采用指挥器操作背压调节阀（图3）满足设计要求的排量。阀门取压口设置在上游隔离阀的出口80mm处，水力计算表明在最大排量工况此处静压为12.28kPa（g）。
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