某核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱增設(shè)溢流管改造設(shè)計(jì)

胡煒亮 方文治 朱志偉 蘇 成（上海核工程研究設(shè)計(jì)院）

某核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱增設(shè)溢流管改造設(shè)計(jì)

胡煒亮 方文治 朱志偉 蘇 成
（上海核工程研究設(shè)計(jì)院）

摘 要：本文介紹了某核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱增設(shè)溢流管改造方案的設(shè)計(jì)過程、方案選擇、流動(dòng)計(jì)算以及防爆區(qū)域改造施工方案。可以作為國(guó)內(nèi)同類電站的相關(guān)系統(tǒng)改造和設(shè)計(jì)的參考。

關(guān)鍵詞：核電廠；備用柴油發(fā)電機(jī)；日用油箱溢流管；流阻計(jì)算；防爆區(qū)域支吊架改造

0　引言

某核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)燃油系統(tǒng)由燃油貯存罐、日用油箱、燃油輸送泵、燃油過濾器等設(shè)備組成。燃油貯存罐位于室外防火堤中，日用油箱位于柴油機(jī)廠房2樓防火堤中，燃油輸送泵和燃油過濾器位于柴油機(jī)廠房1樓。在正常情況下備用柴油發(fā)電機(jī)從日用油箱中獲取燃油，當(dāng)日用油箱中燃油高度下降到低液位設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)燃油輸送泵，燃油輸送泵將燃油從燃油貯存罐抽出，經(jīng)過過濾器輸送到日用油箱中，當(dāng)日用油箱液位達(dá)到高液位設(shè)定值時(shí)燃油輸送泵自動(dòng)停泵。

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋情況，曾經(jīng)發(fā)生過燃油輸送泵停泵控制邏輯故障，日用油箱滿溢，溢出的燃油從日用油箱呼吸口噴出的事件。為避免此類事件引發(fā)更嚴(yán)重的事故后果（如火災(zāi)事故），考慮增設(shè)溢流管線。

1　增設(shè)溢流管的設(shè)計(jì)方案

國(guó)內(nèi)外在役和正在建設(shè)的核電廠中，備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱溢流通常采用兩種方式，重力溢流和壓力溢流。所謂重力溢流，即日用油箱的安裝高度高于燃油貯存罐安裝高度，在發(fā)生溢流時(shí)，燃油通過重力流回燃油貯存罐，采用這種溢流方式時(shí)，燃油貯存罐往往鄰近或位于柴油發(fā)電機(jī)廠房?jī)?nèi)，日用油箱與燃油貯存罐之間有足夠的高度差保證溢流。而所謂壓力溢流，主要用于日用油箱的安裝高度低于燃油貯存罐的安裝高度或高度接近的情況，日用油箱通氣管內(nèi)安裝浮球式通氣閥，在日用油箱內(nèi)燃油液位接近滿液位時(shí)，浮球通氣閥的浮球在浮力作用下堵住日用油箱通氣管，日用油箱此刻變成承壓密閉容器，如果此時(shí)燃油輸送泵繼續(xù)供油則會(huì)增加日用油箱內(nèi)壓力，當(dāng)壓力增大到足以克服燃油貯存罐到日用油箱的靜壓差與管道阻力之和時(shí)，開始發(fā)生壓力溢流，所以這種溢流方式要求日用油箱有一定承壓能力。

方案選擇的第一步首先是確定日用油箱溢流方式。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，燃油貯存罐頂部到其防火堤底板的距離為7.35m，而防火堤底板標(biāo)高等于廠平面標(biāo)高為0m。日用油箱安裝樓板標(biāo)高為7.5m，日用油箱頂部到底板距離為2.739m，所以日用油箱頂部與燃油貯存罐頂部的高差為2.889m，基本符合重力溢流的條件。而由于該電廠日用油箱為常壓容器，所以排除使用壓力溢流的可能性，鑒于燃油系統(tǒng)的上述實(shí)際情況，增設(shè)溢流管采用“重力溢流”。

下面進(jìn)一步討論重力溢流的接管方案。日用油箱頂部有一處2.5′備用管口，其尺寸和位置符合作為溢流口的要求。燃油貯存罐頂部和底部側(cè)面各有一個(gè)備用管口，尺寸均為4′。表1為兩種管口選擇方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

通過表1的分析決定采用日用油箱頂部的管道作為溢流口，日用油箱溢流出的柴油通過燃油貯存罐頂部的備用管口回到燃油貯存罐。圖1為燃油系統(tǒng)供油和溢流的示意圖。

接管方案確定后，接下來進(jìn)行管道布置設(shè)計(jì)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，最終確定了室內(nèi)部分管道敷設(shè)的走向。一號(hào)堆備用柴油發(fā)電機(jī)廠房與輔助鍋爐廠房、樹脂處理廠房連體，油罐區(qū)在樹脂廠房邊，所以大部分溢流管都在廠房?jī)?nèi)布置。一號(hào)堆1#機(jī)的溢流管穿過1#和2#柴油發(fā)電機(jī)房之間的防火墻到達(dá)2#備用柴油發(fā)電機(jī)間，與2#機(jī)溢流管并行，溢流管道到2#機(jī)日用油箱旁豎直橋架要留出適當(dāng)?shù)木嚯x，以方便檢修。1# 和2#機(jī)溢流管道并列穿過輔助鍋爐廠房和樹脂處理廠房，最后從樹脂處理廠房穿出。溢流管位于日用油箱防火堤上方的管道局部高點(diǎn)需設(shè)置放氣點(diǎn)。

表1　接管方案比較

圖1　燃油系統(tǒng)流程示意圖

室外管道布置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況決定采用架空布置，兩根溢流管從廠房?jī)?nèi)穿出，降低高度到2m標(biāo)高之后（流出人行通道）水平進(jìn)入防火堤，之后下降到0.5m標(biāo)高，水平延伸到油罐后分開，分別連接各自的燃油貯存罐。溢流管采用公稱直徑DN80的無縫碳鋼管道，管系需要做等電位連接和防靜電接地，室外管道需要設(shè)置保溫層。圖2為一號(hào)堆備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱溢流管布置方案。圖3為一號(hào)堆改造后效果。

圖2　一號(hào)堆備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱溢流管布置方案

圖3　一號(hào)堆備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱溢流管改造效果

二號(hào)堆1#機(jī)的溢流管穿越防火墻到達(dá)2#柴油發(fā)電機(jī)廠房，與2#機(jī)溢流管并行穿出柴油發(fā)電機(jī)廠房。溢流管位于日用油箱防火堤上方的管道高點(diǎn)需設(shè)置放氣點(diǎn)。

二號(hào)堆室外管道布置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況擬定三種布置方案分別是架空布置、埋地套管布置、埋地管溝布置。下面分別描述這三種方案，方案示意圖見圖4。

圖4　二號(hào)堆室外管道布置方案示意圖

1）架空布置。管道從柴油機(jī)廠房穿出降低到距地面2m高度后繞過CO2廠房進(jìn)入防火堤，在防火堤中延伸到油罐側(cè)面分別連接到各自的油罐上。架空布置的管道和支架要需考慮風(fēng)、雪荷載，防火堤外面的支架根部安裝在混凝土支墩上，防火堤內(nèi)部的支架根部直接打膨脹螺栓固定在防火堤底板上。管道在防火堤內(nèi)外各有一個(gè)低點(diǎn)，需要分別設(shè)置放油閥，防火堤外的低點(diǎn)放油時(shí)不可直接排放到環(huán)境中，要排到含油廢水處理系統(tǒng)中。架空布置的裸露的室外管道需要做保溫處理。

2）埋地套管布置。管道從廠房穿出后下降高度到0.5m左右水平進(jìn)入套管（便于密封）之后進(jìn)入地下，繞過CO2廠房到達(dá)防火堤旁邊，穿出地面進(jìn)入防火堤，在防火堤中延伸到油罐后分別連接到各自的油罐上。埋地管道安裝在金屬套管之中，套管外表面須作防腐處理，套管埋藏在地下0.8m處，在低點(diǎn)設(shè)置放油人井。預(yù)制的套管系統(tǒng)安裝的管道僅僅需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接的接頭部分進(jìn)行水壓試驗(yàn)。在水壓試驗(yàn)之后，開口的套管管接頭應(yīng)采用供貨商提供的特殊擋板進(jìn)行封堵，之后再進(jìn)行氣密性試驗(yàn)以檢查是否泄漏。低點(diǎn)放油閥門布置在套管中，在放油時(shí)需要打開套管端蓋。裸露的室外管道需要作保溫處理，保溫層的厚度和材料須與該系統(tǒng)的其他室外燃油管道相同。

3）埋地管溝布置。管道從廠房穿出后下降高度進(jìn)入管溝，繞過CO2廠房到達(dá)防火堤旁邊，穿出地面進(jìn)入防火堤，在防火堤中延伸到油罐后分別連接到各自的油罐上。管溝需設(shè)置排水和排油裝置，管溝中的水不能直接排放到環(huán)境中，須經(jīng)過油水分離處理。管溝內(nèi)的管道要進(jìn)行防腐處理，在管道的低點(diǎn)需設(shè)置放油的閥門和管道。裸露的室外管道需要作保溫處理，保溫層的厚度和材料須與該系統(tǒng)的其他室外燃油管道相同。

通過表2的方案比較，埋地套管方案兼顧了較低的施工難度和最好的環(huán)保效果，而且不破壞電廠主干道景觀，經(jīng)過仔細(xì)比較決定采用埋地套管方案。

表2　二號(hào)堆室外管道布置方案比較

圖5　二號(hào)堆備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱溢流管布置方案

二號(hào)堆溢流管仍采用公稱直徑DN80的無縫碳鋼管道，管系需要做等電位連接和防靜電接地。圖5為二號(hào)堆備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱溢流管布置方案，二號(hào)堆備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱溢流管改造效果參見圖6。

圖6　二號(hào)堆備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱溢流管改造效果

2　溢流計(jì)算

溢流計(jì)算的目的是檢驗(yàn)增設(shè)的備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱溢流管的流動(dòng)阻力，以驗(yàn)證按照現(xiàn)有的管路布置，柴油從日用油箱溢流口流至燃油貯存罐回油口時(shí)的壓力損失是否小于靜壓頭。計(jì)算的設(shè)計(jì)輸入如表3所示。

表3　溢流管流動(dòng)參數(shù)

式（1）為雷諾數(shù)計(jì)算公式

將設(shè)計(jì)輸入代入式（1），求得此流動(dòng)狀態(tài)下的雷諾數(shù)Re為4921。

即2100＜Re＜10000，此時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)為湍流過渡區(qū)，無法使用層流和湍流流阻計(jì)算方程或曲線來計(jì)算該流動(dòng)。

對(duì)于2100＜Re＜10000的流動(dòng)，采用湍流過渡區(qū)摩擦阻力系數(shù)f的專用式

對(duì)于碳鋼管道，相對(duì)粗糙度(ε /d )為0.0009，而絕對(duì)粗糙度ε為0.0017。通過式（2）計(jì)算得出管道的摩擦阻力系數(shù)f為0.000243。式中，V為管內(nèi)液體流動(dòng)速度；d為管道內(nèi)徑。

通過式（3）可以計(jì)算得出每英尺（ft）直管道在目前流動(dòng)狀態(tài)下的流動(dòng)阻力為0.00891ft（壓頭損失）。

采用折算長(zhǎng)度法計(jì)算溢流管的管道阻力，所謂折算長(zhǎng)度即求出每個(gè)管件等效的直管段長(zhǎng)度，進(jìn)而求出每臺(tái)機(jī)組溢流管的等效長(zhǎng)度，再乘以每ft管道的阻力，求出整個(gè)溢流管的壓力損失。表4列出了四根溢流管直管段長(zhǎng)度及管件數(shù)量。

表4　四根溢流管直管段長(zhǎng)度及管件數(shù)量

結(jié)合相關(guān)公式，求出各種管件的折算長(zhǎng)度，其中90度彎頭（DN80）的折算長(zhǎng)度為3.4ft/只，三通（DN80）的折算長(zhǎng)度為5.1ft/只，漸擴(kuò)異徑管2.5′× 3′的折算長(zhǎng)度為2.6ft/只，漸擴(kuò)異徑管3′×4′的折算長(zhǎng)度為22.1ft/只，管道入口的折算長(zhǎng)度為7.3ft/只，管道出口的折算長(zhǎng)度為14.6ft/只。

計(jì)算時(shí)考慮適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)余量（＞10%），求得每根溢流管的壓頭損失依次為1.34m、1.10m、1.49m和1.25m。而通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，管道進(jìn)出口高差約為2.5m。2.5m＞1.49m，管系的靜壓頭大于管線的沿程阻力損失，可以實(shí)現(xiàn)重力溢流。

3　防爆區(qū)域改造施工設(shè)計(jì)

核電站處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱和燃油貯存罐中充滿輕柴油，所以日用油箱防火堤及燃油貯存罐防火堤屬于防爆區(qū)域。在防爆區(qū)域應(yīng)避免使用明火，在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時(shí)需要采用一些特殊手段盡可能避免在防爆區(qū)域進(jìn)行焊接等明火作業(yè)。

日用油箱頂部、樹脂處理廠房酸堿罐上方等室內(nèi)防爆區(qū)域的吊架根部采用“梁夾”式根部，吊架主體為特殊槽鋼結(jié)構(gòu)，槽鋼上等距鉆孔，利用角連接件固定橫擔(dān)槽鋼，橫擔(dān)槽鋼也有等距鉆孔，可采用螺桿固定管束，這種吊架在安裝時(shí)無需焊接，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　防爆區(qū)域支吊架設(shè)計(jì)方案

燃油貯存罐頂部到其防火堤底板的距離為7.35m，溢流管出口聯(lián)接到燃油貯存罐頂部備用管口，也就是說在連接到頂部管口前溢流管至少有7m的上升段，需要至少三個(gè)限位支架。但是燃油貯存罐中充滿燃油無法在罐體上進(jìn)行焊接作業(yè)，所以只能采用特殊的支架結(jié)構(gòu)。燃油貯存罐之前裝有連接灌頂部管口的管道，在設(shè)計(jì)溢流管支架時(shí)考慮借用這段管道作為支架生根的基礎(chǔ)。特殊限位支架采用兩套管束中間由螺桿連接的支架型式，溢流管的鋪設(shè)須靠近燃油貯存罐原有管道，其間距在螺桿長(zhǎng)度范圍之內(nèi)。管束分別夾緊兩根管道，從而達(dá)到限制溢流管水平方向位移的目的。同時(shí)考慮到此支架不能承受豎直方向的力以及避免增加原有管道支架的受力，在溢流管鄰近上升段處的水平段上設(shè)置一個(gè)限位支架，以承受整個(gè)上升段管道的重量。圖8為防爆區(qū)域支吊架改造效果圖。

圖8　防爆區(qū)域支吊架改造效果

此外，溢流管采用分段加工，靠近日用油箱處精確測(cè)量之后整體工廠預(yù)制，安裝時(shí)與日用油箱進(jìn)行法蘭連接。防爆區(qū)域以外的溢流管可采用現(xiàn)場(chǎng)焊接。

4　結(jié)束語

本文分三部分介紹了某核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)日用油箱溢流管的改造施工設(shè)計(jì)方案、采用的特殊施工手段以及改造的效果。增設(shè)溢流管改造的成功實(shí)施從根本上消除了日用油箱溢流時(shí)燃油從油箱呼吸口噴出導(dǎo)致火災(zāi)的隱患。增設(shè)溢流管改造的設(shè)計(jì)方案、計(jì)算過程以及防爆區(qū)域改造施工設(shè)計(jì)的思路可為國(guó)內(nèi)同類電站的改造和設(shè)計(jì)提供參考。

收稿日期：（2015-05-13）