用于主蒸汽阀站开启过程的压力波动缓冲装置及方法

技术领域

本发明属于主蒸汽阀站领域，特别涉及一种用于主蒸汽阀站开启过程的压力波动缓冲装置及方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，对能源的需求量日益增加，能源转型日益成为共识。核电作为新能源的一种，清洁高效，是未来实现能源结构调整和保证能源需求的重要方向。主蒸汽阀站作为核电厂二回路的主蒸汽系统中的关键超压保护设备之一，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。在上游(朝向蒸汽发生器)和下游(朝向汽轮机)发生故障时，例如管道破裂，这个过程会使阀站进口处的蒸汽压力升高到超过允许值，主蒸汽阀站通过先导控制开启前置隔离阀或主蒸汽安全阀将蒸汽泄放至大气压，当系统压力恢复正常时关闭泄放功能。

主蒸汽阀站是由主蒸汽隔离阀、前置隔离阀、两个主蒸汽安全阀相互焊接组成的阀组系统。阀站内的每一个阀门都是多级先导控制方式，即利用多个体积更小的阀门来控制主阀门的阀芯上部流体的流动，进而自动控制主阀门的启闭。当系统压力超过安全值时，主蒸汽阀站内的前置隔离阀会先开启，若系统压力持续升高到一定值时，主蒸汽安全阀会随后开启。因此，阀门的开启是由阀门内的蒸汽压力控制的。在前置隔离阀或主蒸汽安全阀打开时会造成主蒸汽隔离阀底部压力骤降，当压力下降到一定值时，主蒸汽隔离阀会关闭，切断与上游的连通，可能会导致核电站紧急停堆等事故。而现阶段针对主蒸汽阀站的研究较少。虽然存在一些压力缓冲装置，但它们适用阀门的工作状态与主蒸汽阀站有差异。

因此研究如何降低主蒸汽阀站在超压开启过程中的压力波动具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，并提供了一种用于主蒸汽阀站开启过程的压力波动缓冲装置及方法。本发明的压力波动缓冲装置能在下游阀门开启让流体压力迅速下降时，上活塞和下活塞的受力平衡被打破，同时往流道中心移动，根据系统压力下降的幅度来非线性地减小流通面积，能适应不同的工况，有效缓解了压力降低的速度，保证其余阀门正常运行。

本发明所采用的具体技术方案如下：

本发明提供了一种用于主蒸汽阀站开启过程的压力波动缓冲装置，其包括由缸体、端盖和底盖共同构成的封闭的缓冲主体；

所述缸体的进口和出口分别外接主蒸汽阀站中不同的阀门，且进口和出口之间通过缸体内部的流道连通；所述流道为两端高于中部的圆滑弯曲结构；位于所述缸体中间处的顶部和底部分别开设向外扩大且与所述流道连通的上台阶式通孔和下台阶式通孔，上台阶式通孔和下台阶式通孔的外部分别可拆卸式罩设有端盖和底盖；端盖与上台阶式通孔之间构成上腔室，底盖与下台阶式通孔之间构成下腔室；

所述上腔室内包括上活塞和上弹簧组，上活塞包括依次连接的上头部、上竖直段和上固定端，上头部的横截面为从下至上逐渐增大后不变最后缩小的结构；上竖直段为柱形结构且其横截面直径与上头部末端的直径相同，上固定端的横截面大于上台阶式通孔的最大横截面；上弹簧组包括若干竖直设置在上活塞周向的上弹簧；所有上弹簧均始终处于压缩状态，且一端固定于上腔室内，另一端与所述上固定端连接；在所述压力波动缓冲装置不工作的初始状态下，所述上活塞整体内嵌于上台阶式通孔中且上头部能将上台阶式通孔封闭，上活塞能通过上弹簧组的作用在竖直方向上移动，使上头部能伸入流道中；

所述下腔室内包括下活塞和下弹簧；下活塞的结构与所述上活塞相同，包括圆形下头部、下竖直段和下固定端，下头部的横截面为从上至下逐渐增大后不变最后缩小的结构；下竖直段为柱形结构且其横截面直径与下头部末端的直径相同，下固定端的横截面大于下台阶式通孔的最大横截面；下弹簧始终处于压缩状态，其初始预紧力与上弹簧组的初始预紧力相同；下弹簧的一端固定于下腔室内，另一端与所述下固定端连接；在所述压力波动缓冲装置不工作的初始状态下，所述下活塞整体内嵌于下台阶式通孔中且下头部能将下台阶式通孔封闭，下活塞能通过下弹簧的作用在竖直方向上移动，使下头部能伸入流道中；

所述缓冲主体中还开设有上压力平衡通道和下压力平衡通道；所述上压力平衡通道的一端连通靠近进口处的流道，另一端连通上腔室且位于上固定端的上部；所述下压力平衡通道的一端连通靠近进口处的流道，另一端连通下腔室且位于下固定端的下部；通过上压力平衡通道和下压力平衡通道的设置，使进口处流道中的气压与上固定端上部和下固定端下部的气压保持一致。

作为优选，所述缸体的进口和出口分别通过法兰外接主蒸汽阀站中不同的阀门。

作为优选，所述上弹簧组中的所有上弹簧沿上活塞周向等角度均匀分布，且所有上弹簧的初始压缩量和刚度均相同。

作为优选，所述缸体的顶部与端盖之间通过双头螺栓连接固定；所述缸体的底部与底盖之间通过相同的双头螺栓连接固定。

作为优选，所述下弹簧与下活塞之间接触连接，上弹簧组与上活塞之间接触连接；下弹簧通过弹簧座与下腔室连接。

作为优选，所述上头部和下头部的竖直高度均为所在流道高度的一半。

作为优选，所述上腔室内还设有上调节手轮；上调节手轮的一端与上固定端的顶部接触连接，另一端穿过端盖并位于缓冲主体的外部；所述下腔室内还设有下调节手轮；下调节手轮的一端与下固定端的底部接触连接，另一端穿过底盖并位于缓冲主体的外部；通过上调节手轮和下调节手轮能分别改变上弹簧组与下弹簧的初始预紧力，进而调节上活塞和下活塞的受力状态。

进一步的，所述上调节手轮、上活塞、下活塞、下弹簧和下调节手轮的中轴线均与缓冲主体的中轴线重合。

作为优选，所述上压力平衡通道和下压力平衡通道的直径相同且保持不变。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述任一所述装置缓冲主蒸汽阀站开启过程中压力波动的方法，其具体如下：

S1：当主蒸汽阀站的压力未产生波动时，上活塞和下活塞分别在上弹簧组和下弹簧的作用下将上台阶式通孔和下台阶式通孔密封，流体在流道内的流动状态保持不变；

S2：当出口处外接的阀门打开时，主蒸汽阀站的压力会产生波动，靠近出口处的下游流道压力下降，随后压力波动通过流道传播至上头部和下头部，使上头部和下头部处的压力降低；通过上压力平衡通道和下压力平衡通道的设置，上固定端上部和下固定端下部的气压与进口处流道中未产生波动的气压保持一致；此时，上固定端上部和下固定端下部的气压分别高于上头部和下头部处的气压，上活塞和下活塞的受力平衡被打破；在压差的作用下，上活塞向下移动，下活塞向上移动，通过非线性地减小所述流道的流通面积来实现缓冲，且上活塞和下活塞的移动幅度根据下游流道压力的下降幅度进行自适应调整；

当下游流道压力下降幅度未超过设定值时，上活塞的最大移动范围是从上头部靠近流道的端部至上头部中间直径最大处，下活塞的最大移动范围是从下头部靠近流道的端部至下头部中间直径最大处；在上活塞和下活塞朝流道内移动过程中，流道中流体流动面积的减小速度逐渐增大，缓冲效果也逐渐增加；

当下游流道压力下降幅度超过设定值时，上活塞的最大移动范围是从上头部靠近流道的端部至上竖直段的末端，下活塞的最大移动范围是从下头部靠近流道的端部至下竖直段的末端；在上活塞和下活塞朝流道内移动过程中，流体流动面积的减小速度先增大后不变最后减小，缓冲效果也是先增大后不变最后减小，实现流体在中间处流道中流动面积的非线性变化，从而匹配流体的压力下降过程；

S3：在S22的基础上，当主蒸汽阀站的压力不再波动并逐渐恢复正常值时，上头部和下头部处的压力值逐渐升高至初始状态，在压差的作用下，上活塞和下活塞逐渐回到初始位置，中间处流道中流体的流动面积也逐渐增大至初始状态，流体在流道内的流动不再受到上活塞和下活塞的阻碍。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1)本发明压力波动缓冲装置的上活塞顶部和下活塞底部的面积大于头部面积，即经压力平衡通道流进上活塞顶部和下活塞的底部的流体压力作用面积要大于流道中部流体压力作用面积，利用面积差放大了由压力差带来的作用力。

2)本发明压力波动缓冲装置使用了两个活塞代替传统缓冲装置中在流到中部设置的单个活塞，两个活塞的设置相比于单个活塞减小了体积占比，进而缩小了阀门的体积，而且，两个活塞在压力波动结束后可以完全回座，不影响流体的正常流动。

3)本发明压力波动缓冲装置使用近似球形结构的活塞进行节流，流体流动阻力小，不会对流体流动造成过大影响。

4)本发明压力波动缓冲装置使用的活塞头部结构为先凸再平最后凹的结构，对流体流动面积的节流效果是非线性的，即节流效果先增大再不变后减小，可根据压力波动的幅度和频率对节流效果进行调节。

5)本发明压力波动缓冲装置使用的缸体结构在进口和出口处的流道采用弯曲形，增大了入口流体的流动速度，防止中间部分由于节流作用造成流体流动的不连续和断流等问题，同时减小了出口部分的流体流动速度，一定程度上降低了装置内的压力波动。

6)本发明压力波动缓冲装置使用两个调节手轮，对上下活塞的受力状态均能根据实际工况需要进行调整。

7)本发明利用上弹簧组和下弹簧分别构成对上活塞和下活塞的初始预紧力，在下游阀门开启使流体压力迅速下降时，上活塞和下活塞的受力平衡被打破，同时往流道中心移动，根据系统压力下降的幅度来非线性地减小流通面积，能适应不同的工况，有效缓解了压力降低的速度，保证其余阀门正常运行。

附图说明

图1是本发明压力波动缓冲装置的结构示意图；

图2是本发明压力波动缓冲装置的下活塞结构放大图；

图中：1、法兰；2、缸体；3、双头螺栓；41、上压力平衡通道；42、下压力平衡通道；5、上活塞；6、上调节手轮；7、上弹簧组；8、端盖；9、下活塞；10、底盖；11、下弹簧；12、弹簧座；13、下调节手轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为本发明提供的一种用于主蒸汽阀站开启过程的压力波动缓冲装置，该压力波动缓冲装置包括法兰1、缸体2、螺栓3、上压力平衡通道41、下压力平衡通道42、上活塞5、上调节手轮6、上弹簧组7、端盖8、下活塞9、底盖10、下弹簧11、弹簧座12和下调节手轮13，其中，缸体2、端盖8和底盖10共同构成封闭的缓冲主体，下面对各部件的结构及部件之间的连接关系进行具体说明。

缸体2的进口和出口分别通过法兰1外接主蒸汽阀站中不同的阀门，且进口和出口之间通过缸体2内部的流道连通。以缸体2中轴线为界，靠近进口处的流道为上游流道，靠近出口处的流道为下游流道。流道为两端高于中部的圆滑弯曲结构，不仅增大了入口流体的流动速度，能够防止中间部分的节流造成流体流动的不连续和断流等问题，同时减小出口部分的流体流动速度，一定程度上降低了压力波动，防止流体出现回流，保证流体流动的连续性。位于缸体2中间处的顶部开设向外扩大且与流道连通的上台阶式通孔，上台阶式通孔的外部可拆卸式罩设有端盖8，端盖8与上台阶式通孔之间构成上腔室。位于缸体2中间处的底部开设向外扩大且与流道连通的下台阶式通孔，下台阶式通孔的外部可拆卸式罩设有底盖10，底盖10与下台阶式通孔之间构成下腔室。上腔室和下腔室对称分布在流道中间的上下两侧。在本实施例中，缸体2的顶部与端盖8之间通过双头螺栓3连接固定，缸体2的底部与底盖10之间通过相同的双头螺栓3连接固定。

上腔室内包括上活塞5和上弹簧组7，上活塞5包括从下至上依次连接的上头部、上竖直段和上固定端。其中，上头部的水平方向横截面为从下至上逐渐增大、随后不变、最后缩小的异型结构；上竖直段为柱形结构且其横截面直径与上头部末端的直径相同；上固定端的横截面大于上台阶式通孔的最大横截面，以防止整个上活塞5从上腔室中脱落，同时，还可以放大上活塞5顶部受到的压差引起的作用力。上弹簧组7包括多个竖直设置在上活塞5周向的上弹簧。所有上弹簧均始终处于压缩状态，上弹簧的一端固定于上腔室内，上弹簧的另一端与上固定端连接。在压力波动缓冲装置不工作的初始状态下，上活塞5整体内嵌于上台阶式通孔与上腔室中，且上活塞5的上头部能将上台阶式通孔封闭，上活塞5能通过上弹簧组7的作用在竖直方向上移动，使上头部能伸入流道中。

在本实施例中，上弹簧组7中的所有上弹簧沿上活塞5周向等角度均匀分布，且所有上弹簧的初始压缩量和刚度均相同。上弹簧组7与上活塞5之间接触连接。上腔室内还设有上调节手轮6，上调节手轮6的一端与上固定端的顶部接触连接，上调节手轮6另一端穿过端盖8并位于缓冲主体的外部。通过从缓冲主体的外部调节上调节手轮6，能改变上弹簧组7的初始预紧力(即初始压缩量)，进而调节上活塞5受力状态。事实上，也可以使上调节手轮6与上固定端的顶部固定连接，上弹簧组7与上活塞5之间固定连接，从而使各部件之间的接触更为稳固紧密。

下腔室内包括下活塞9和下弹簧11。如图2所示，下活塞9的结构与上活塞5相同，包括圆形下头部、下竖直段和下固定端。其中，下头部的水平方向横截面为从上至下逐渐增大后不变最后缩小的结构；下竖直段为柱形结构且其横截面直径与下头部末端的直径相同；下固定端的横截面大于下台阶式通孔的最大横截面，以防止整个下活塞9从下腔室中顶出，同时，还可以放大下活塞9底部受到的压差引起的作用力。下弹簧11始终处于压缩状态，其初始预紧力与上弹簧组7的初始预紧力相同。下弹簧11的一端固定于下腔室内，另一端与下固定端连接。在压力波动缓冲装置不工作的初始状态下，下活塞9整体内嵌于下台阶式通孔中且下头部能将下台阶式通孔封闭，下活塞9能通过下弹簧11的作用在竖直方向上移动，使下头部能伸入流道中。

在本实施例中，下腔室内还设有下调节手轮13，下调节手轮13的一端与下固定端的底部接触连接，下调节手轮13的另一端穿过底盖10并位于缓冲主体的外部。通过上调节手轮6和下调节手轮13能分别改变上弹簧组7与下弹簧11的初始预紧力(即初始压缩量)，进而调节上活塞5和下活塞9的受力状态。下弹簧11与下活塞9之间接触连接，下弹簧11通过弹簧座12与下腔室连接。事实上，也可以使下弹簧11与下活塞9之间固定连接，下调节手轮13与下固定端的底部固定连接，从而使各部件之间的接触更为稳固紧密。

为了加强本发明缓冲装置的缓冲效果，使得介质在上升过程更加均匀，从而对阀瓣的不平衡力作用最小，可以使上调节手轮6、上活塞5、下活塞9、下弹簧11和下调节手轮13的中轴线均与缓冲主体的中轴线重合。实际应用时，对弹簧参数的选择应当使上活塞初始时刻受到的合力值较小，方向向下；同样，应当使下活塞初始时刻受到的合力值较小，方向向上。

缓冲主体中还开设有上压力平衡通道41和下压力平衡通道42。上压力平衡通道41的一端连通靠近进口处的流道，另一端连通上腔室且位于上固定端的上部。下压力平衡通道42的一端连通靠近进口处的流道，另一端连通下腔室且位于下固定端的下部。通过上压力平衡通道41和下压力平衡通道42的设置，使进口处流道中的气压与上固定端上部和下固定端下部的气压保持一致。

在本实施例中，可以将上压力平衡通道41和下压力平衡通道42的直径设置为相同的，而且每条通道中各处的直径也都一样，从而使得压力更加均衡。

除此之外，在实际应用时，应当使上头部和下头部的竖直高度设置为所在流道高度的一半。也就是说，上活塞和下活塞向中间流道移动的极限位置为上头部和下头部相接触，接触时的上竖直段和下竖直段仍未进入流道内，而是分别处于上腔室和下腔室中。本发明通过该种尺寸的设计，结合上活塞和下活塞的特殊结构，能够实现流体流道截面的非线性变化。

在本实施例中，上弹簧组7中弹簧的数量为四个，且上弹簧组7中的上弹簧沿上活塞5周向等角度均匀分布。下弹簧11与上弹簧组7中弹簧的初始预紧力相同，保证上活塞和下活塞受到的合力较小且方向向下，在系统压力下降时能迅速反应，且上弹簧组7的各个弹簧初始压缩量和刚度均相同；上调节手轮6和下调节手轮13均能改变上弹簧组7与下弹簧11的初始预紧力，进而调节上活塞5和下活塞9的受力状态。上活塞5顶部和下活塞9底部的面积大于与流道流体接触的面积，以放大上活塞5顶部和下活塞9受到的压差引起的作用力。

利用上述装置缓冲主蒸汽阀站开启过程中压力波动的方法，具体如下：

S1：当主蒸汽阀站的压力未产生波动时，上活塞5和下活塞9分别在上弹簧组7和下弹簧11的作用下，将上台阶式通孔和下台阶式通孔密封，流体在流道内的流动状态保持不变。

S2：当出口处外接的阀门打开时，主蒸汽阀站的压力会产生波动，靠近出口处的下游流道压力下降，随后压力波动通过流道传播至上头部底端和下头部顶端，使上头部底端和下头部顶端处的压力降低。由于上压力平衡通道41和下压力平衡通道42的设置，上固定端上部和下固定端下部的气压与进口处流道中未产生波动的气压保持一致。此时的上固定端上部和下固定端下部的气压分别高于上头部和下头部处的气压，上活塞5和下活塞9的受力平衡被打破。在压差的作用下，上活塞5向下移动，下活塞9向上移动，通过非线性地减小流道的流通面积来实现缓冲，且上活塞5和下活塞9的移动幅度根据下游流道压力的下降幅度进行自适应调整。也就是说，上活塞5和下活塞9的移动幅度不是一个特定的值，而是以实际下游流道压力的下降幅度来确定的。

本发明采用过流面积的非线性变化是根据实际的使用情况来确定的，由于下游阀门在开启时所造成的压力下降是一个过程，所以缓冲装置中间处的流体压力也是在逐渐下降的，将上活塞设置成下凸结构是为了在压力下降初期，活塞向下移动，所造成的节流效果是逐渐变大的，这有助于在流体压力逐渐下降的过程中，节流效果也在逐渐加快变化。如果节流效果不变，那么流体压力下降的速度越来越大会造成节流效果“不够”。同样，上活塞在下凸之后保持直线是为了固定节流效果。之后压力下降的速度也会逐渐变慢，同时活塞的节流面积也在逐渐下降。也就是说，使流体流动面积呈非线性变化，是为了能匹配真实的流体压力下降过程。

当下游流道压力下降幅度未超过设定值时，上活塞5的最大移动范围是从上头部靠近流道的端部至上头部中间直径最大处，下活塞9的最大移动范围是从下头部靠近流道的端部至下头部中间直径最大处。在上活塞5和下活塞9朝流道内移动过程中，流道中流体流动面积的减小速度逐渐增大，缓冲效果也逐渐增加，从而使上游流体得压力下降速度逐渐变小。

当下游流道压力下降幅度超过设定值时，上活塞5的最大移动范围是从上头部靠近流道的端部至上竖直段的末端，下活塞9的最大移动范围是从下头部靠近流道的端部至下竖直段的末端。在上活塞5和下活塞9朝流道内移动过程中，流体流动面积的减小速度先增大后不变最后减小，缓冲效果也是先增大后不变最后减小，实现流体在中间处流道中流动面积的非线性变化，从而匹配流体的压力下降过程。

需要说明的是，这里的设定值是指“使上头部和下头部的中间直径最大处刚好要进入流道中且依然保持台阶孔密闭”时的下游流道压力下降幅度。

S3：在S22的基础上，当主蒸汽阀站的压力不再波动并逐渐恢复正常值时，上头部和下头部处的压力值逐渐升高至初始状态，在压差的作用下，上活塞5和下活塞9逐渐回到初始位置，中间处流道中流体的流动面积也逐渐增大至初始状态，流体在流道内的流动不再受到上活塞5和下活塞9的阻碍。

当系统压力再次升高，且超出安全范围时，本发明的缓冲装置会根据实际状态重复上述过程。

本发明利用上弹簧组和下弹簧构成对上活塞和下活塞的初始预紧力，在下游阀门开启让流体压力迅速下降时，上活塞和下活塞的受力平衡被打破，同时往流道中心移动，根据系统压力下降的幅度来非线性地减小流通面积，能适应不同的工况，有效缓解了压力降低的速度，保证其余阀门正常运行。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。