01概述

进口气动调节阀作为主给水系统的重要阀门，是核电机组的关键设备之一。介绍了主给水气动调节阀的技术要求，结合阀门的功能要求，解决了高压差、高调节精度、高稳定性、高使用寿命等设计难点，并通过试验验证了产品设计的合理性，为气动调节阀的设计及试验验证提供了思路和经验。

核电站用主给水气动调节阀作为主给水系统重要阀门之一，以进口设备为主。根据在役核电站用主给水调节阀的使用经验反馈，目前进口的主给水调节阀存在一些弊端，如阀门整体重心偏高，执行机构的膜片易破损，设备采购和现场维修成本较高，供货周期较长。针对这些问题，在设计过程中专门进行了优化，采用了多弹簧的执行机构和滚动膜片的设计，使该阀门具有更好的抗振性能和使用寿命。核电站主给气动水调节阀主要包括满负荷、低负荷和低低负荷 ３种型号，本文将以满负荷调节阀设计为例进行说明。
02 应用系统

核电站主给水调节阀主要包括满负荷调节阀（FLCV）、低负荷调节阀（LLCV）、低低负荷调节阀（VLLCV）组成。
2.1　满负荷调节阀（FLCV）
机组负荷低于20%FP （满功率）时，保持关闭。大于20%FP时，开启调节给水流量，保持蒸汽发生器液位在整定值。其调节特性主要为大调节范围要求、高调节精度、稳定性要求、高关闭压差和高使用寿命。
2.2　低负荷调节阀（LLCV）
机组负荷低于20%FP时，用于给水流量调节。在20%~100%FP时保持全开，通过满负荷调节阀（FLCV）调节给水流量。其调节特性主要为大调节范围要求、高调节精度及高关闭压差。
2.3　低低负荷调节阀（VLLCV）
用于机组启动和停堆阶段的给水流量调节。额定功率运行期间阀门保持关闭，其调节特性主要为大调节范围和高调节精度，用于小流量、高工作压差和高气蚀工况。
03 结构设
3.1　技术参数
核电站主给水调节阀的国产化研发需要解决高气蚀、高压差、高调节精度等技术难点，实现小流量调节性能，提高系统稳定性，完成多弹簧气动执行器设计，提高调节稳定性和调节精度，提高气控部件及整机抗振性能，同时还需解决气动膜片寿命问题，实现阀门 ４万次循环要求，达到产品的技术指标（表１）。

3.2　关键技术
（１）调节控制性能的实现执行机构采用高刚度输出的弹簧，匹配响应精度高膜片，利用执行机构的输出特性，降低阀门摩擦和阀门介质对控制响应的干扰，提高阀门的响应和控制精度。
（２）流量控制的稳定性通过采用打小孔的节流方式，能够均匀的将介质细分，使介质在节流过程中均匀的分布在阀芯内，减少涡轮现象的发生，降低介质间的干扰，提高流体控制的稳定性。
（３）抗气蚀大流量的阀芯设计和制造迷宫碟片和打孔组合的阀芯结构，使其具备小流量高压差抗气蚀特性，大流量打小孔节流提高控制稳定性的特点。
3.3　设计方案
（１）整体结构设计
主给水进口气动调节阀主要由阀体、阀盖、阀杆、套筒、阀芯、填料组件、支架、气动执行机构等零部件组成。由气动执行机构通过阀杆螺母带动阀杆、阀笼上下运动，实现流量调节功能。
ARE满负荷调节阀包括阀门本体，执行机构及附件，阀门具体结构见图 １。阀门整体结构简单、易于拆卸、检查和维护。阀内件采用套筒式 ＋节流小孔 ＋迷宫片，允许压差大，控制稳，噪声小。套筒浮动预紧设计，减少热膨胀影响，提高密封性。金属硬密封设计，增加耐磨性，提高寿命。填料采用核级柔性石墨垫片，密封性好，减少热膨胀影响。

                          图 １　满负荷调节阀
（２）气动执行机构设计
执行机构设计要点为推力、摩擦力、不平衡力、行程。
多弹簧执行机构优势：体积更小、质量轻、操作维修方便。其膜盖盘、限制件等零件均采用切削加工成型。多弹簧形式改善了弹簧制造的工艺性，有利于不同弹簧范围的组配。可调零功能则提高了线性精度。具有受力均匀、稳定性好。
膜片具有响应快及摩擦力小的特性。
执行机构为气动薄膜多弹簧执行机构（图 ２）。采用高刚度输出的弹簧，匹配响应精度高膜片，利用执行机构的输出特性，降低阀门摩擦和阀门介质对控制响应的干扰，提高了阀门响应和控制精度。具有结构紧凑、体积轻巧、调节精度高，受力均匀，稳定性高，拆卸方便，便于维修等特点。

                 图 ２　气动机构
（３）气控回路设计
电气元件整体采用面板式固定，提高抗振性，具有结构简单，便于更换，可靠性高
（４）阀内件设计
满负荷 ／低负荷采用套筒结构，分别采用 ２种套筒设计，６个 Ｖ形窗口 ／节流小孔。小孔设计（图 ３）的特点为降噪、控制稳定性、应力均匀，抗流体干扰能力强。阀芯采用平衡型机构，允许压差大，套筒导向面积大，抗振性和耐磨性好。满负荷调节阀流量测试数据详见表 ２。

               图 ３　满负荷调节阀节流小孔
低负荷阀门采用多级降压及节流孔设计（图４、图 ５），确保小流量调节，提高了阀门小流量开度、降低压差、消除气蚀。
节流孔 ＋迷宫片的结构节流小孔受力均匀，流通稳定，可调性强。迷宫盘设计可多级降压，适用高压差，降噪。流量特性曲线成线性调节，可调范围广，便于阀门的控制（图 ６）。

            图 ４　多级降压的迷宫片

       图 ５　多级降压抗气蚀结构

图 ６　满负荷调节阀流量特性曲线
（５）填料浮动预紧设计
填料设计要点为高温高压、寿命长、可维修性好。采用柔性石墨保证高温高压要求，浮动预紧设计保证使用寿命长，设置了吹出机构方便维修（图 ７）。
（５）填料浮动预紧设计
填料设计要点为高温高压、寿命长、可维修性好。采用柔性石墨保证高温高压要求，浮动预紧设计保证使用寿命长，设置了吹出机构方便维修（图 ７）。

                        图 ７　填料设计

（６）金属硬密封设计
采用具有自润滑性的金属密封圈。套筒和阀芯之间的密封采用自润滑性好的金属密封圈，可降低磨损提高使用寿命。
（７）设计方案的优化
主要进行了提高结构稳定性、减少热态影响和提高流量控制特性及定位响应精度等方面的优化（表 ３）。

04 技术创新
4.1　结构性能
（１）满负荷 ／低负荷采用套筒结构，分别采用 ２种套筒设计（６个 Ｖ形窗口 ／节流小孔），抗流体干扰能力强。阀芯采用平衡型机构，允许压差大，套筒导向面积大，抗振性和耐磨性好。低低负荷阀门采用多级降压及节流孔设计，确保小流量调节，提高了阀门小流量开度、降低压差、消除气蚀。
（２）进行了 ＦＭＥＣＡ分析和运行经验分析，为阀门的设计改进提供了理论依据。
（３）节流面与密封面分开，提高了使用寿命。
（４）选用多弹簧薄膜式气动执行机构，稳定性好、体积小、质量轻、操作维修方便。
（５）开发出碟簧预紧式套筒结构，避免了因温差而造成的阀门内件形变，防止卡塞。
（６）套筒和阀芯之间的密封采用具有自润滑性的金属密封圈，可降低磨损和提高使用寿命。
4.2　实施效果
大型先进压水堆核电技术是我国核电建设的主要方向。核电站主给水调节阀自主化研发成功，实现了此类阀门首次完全自主化，并同步推广至其他在建及在运机组，有助于进口阀门替代，实现产业化。
（１）目前进口阀门制造成本普遍高于国内。初步估计，受到资源、人力成本、运输成本等的影响，国内的生产成本为国外的 ６０％ ～７０％，所以从成本角度来考虑，有很大的优势。
（２）实现了自主化、国产化目标，降低采购成本，支持核电“走出去”战略。
（３）促进了产学研结合和创新人才队伍的培养壮大，建设核电持续发展的一流技术人才队伍。阀门所有设计全部自主完成，部分设计、校核与国内高校合作。原材料及成品零部件采购，全部国内化，试验项目也全部依托国内进行。此设备研发，带动了产业链的共同发展。
05 结语
主给水气动调节阀解决了高气蚀、高压差、高调节精度技术难点，实现小流量调节性能，提高系统稳定性。完成多弹簧气动执行器设计，提高调节稳定性和调节精度，解决气控部件的整机抗振问题。同时还需解决气动膜片寿命问题，实现阀门 ４万次循环要求。通过研发具有自主知识产权的三代压水堆核电站主给水气动调节阀，掌握了三代 ＡＲＥ主给水调节阀核心技术，满足国内核电发展和核电走出去战略的需求。