常規(guī)島系統(tǒng)水錘現(xiàn)象分析

孫偉生

【摘 要】本文分析某核電廠常規(guī)島系統(tǒng)管道發(fā)生過的水錘現(xiàn)象，對(duì)常見的水錘現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)際分析，為了消除水錘產(chǎn)生或限制水錘后果，提出改進(jìn)建議。

【關(guān)鍵詞】水錘；振動(dòng)

中圖分類號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）02-0154-002

【Abstract】In this paper，the phenomenon of water hammer occurred in the conventional island system of a nuclear power plant is analyzed.The common phenomenon of water hammer is analyzed.In order to eliminate the water hammer or restrict the water hammer，some suggestions for improvement are put forward.

【Key words】Water hammer；Vibration

0 前言

常規(guī)島的許多蒸汽系統(tǒng)及相關(guān)管道如兩臺(tái)機(jī)組輔助蒸汽連通管道、蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、汽水分離再熱器疏水系統(tǒng)等已發(fā)生過多起或大或小的水錘現(xiàn)象。還有些管道由于支架設(shè)計(jì)及管線的布局不合理等原因而引起管道的振動(dòng)。這些水錘現(xiàn)象有的擊壞管線及其相關(guān)設(shè)備；有的使管線振動(dòng)且發(fā)出很大的響聲，造成許多破壞性的缺陷。按其發(fā)生的時(shí)期，可分為兩大類：第一類發(fā)生在機(jī)組啟動(dòng)的時(shí)候；第二類發(fā)生在機(jī)組正常運(yùn)行的時(shí)候。

1 水錘實(shí)例

（1）機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)的水錘

如汽水分離再熱系統(tǒng)一級(jí)再熱器到6#高加的疏水管線

在機(jī)組并網(wǎng)投運(yùn)汽水分離再熱系統(tǒng)時(shí)，一級(jí)再熱器疏水箱的疏水管線振動(dòng)嚴(yán)重并發(fā)出很響的錘擊聲，也引發(fā)相連的管道振動(dòng)，由于疏水管線很長(zhǎng)，導(dǎo)致汽輪機(jī)廠房多個(gè)房間有很大的錘擊聲，并多次造成墻體結(jié)構(gòu)及相鄰管線的損壞。同時(shí)對(duì)廠房工作人員產(chǎn)生很大的心里壓力，尤其是不清楚原由的工作人員，產(chǎn)生恐懼。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際管線走向布置上來講這根管線有一段七、八米長(zhǎng)的水平管道且標(biāo)高最低，兩側(cè)為垂直管道，垂直管道一側(cè)垂直高度約12米，另一側(cè)垂直高度約5米。

當(dāng)機(jī)組停運(yùn)后，這段管道內(nèi)聚積一些過冷的疏水。當(dāng)液位控制閥有小的開度時(shí)，上游高溫、高壓的飽和水突然降溫、降壓發(fā)生閃蒸，蒸汽遇到下游的過冷水迅速冷凝，引發(fā)冷凝水誘導(dǎo)水錘。即使在投運(yùn)前將管道的過冷水疏凈，同樣也會(huì)發(fā)生水錘，主要原因是管道處于過冷狀態(tài)且管線太長(zhǎng)。在后來的操作中采用在機(jī)組并網(wǎng)后先打開液位控制閥前疏水閥對(duì)上游管道進(jìn)行疏水暖管，同時(shí)全開液位控制閥下游疏水閥，疏水結(jié)束后關(guān)閉疏水箱疏水管道總隔離閥。待機(jī)組負(fù)荷到15%滿功率時(shí)液位控制閥開始開啟，再根據(jù)主控室在線實(shí)時(shí)流量指示（一級(jí)再熱器到6#高加疏水流量）微開再熱器疏水箱疏水管道總隔離閥對(duì)管道進(jìn)行暖管，同時(shí)全關(guān)液位控制閥上游管道疏水閥。液位控制閥下游管道疏水閥出水量很小時(shí)關(guān)閉，過一、二分鐘再開啟該閥疏水至出水量較小時(shí)關(guān)閉，反復(fù)這樣操作直到下游管道放汽閥燙手后全關(guān)該疏水閥，同時(shí)根據(jù)管道的振動(dòng)及聲音來判斷一級(jí)再熱器疏水箱疏水總隔離閥的開啟速率。以這種方式投運(yùn)MSR一級(jí)再熱器疏水后沒有發(fā)生嚴(yán)重的水錘現(xiàn)象，但卻增加了機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間，浪費(fèi)人力，降低了電站的經(jīng)濟(jì)性。

造成水錘現(xiàn)象的原因主要有以下幾點(diǎn)：1.機(jī)組并網(wǎng)后疏水首先排到凝汽器，在機(jī)組負(fù)荷15%滿功率后才轉(zhuǎn)而排向6#高壓加熱器。此時(shí)疏水溫度和壓力已經(jīng)很高，溫度達(dá)140多度，壓力約320多千帕，而疏水管線過冷。2.液位控制閥的截流和下游管道的過冷水及低壓導(dǎo)致疏水閃蒸而形成汽液兩相流，液位控制閥下游管道垂直高度十幾米，暖管段不斷發(fā)生變化，隨著機(jī)組功率的提升，疏水溫度和壓力不斷升高，汽液兩相流也發(fā)生變化，影響也越來越大。3.液位控制閥受一級(jí)再熱器疏水箱液位控制，機(jī)組在很低負(fù)荷下的疏水量少，液位控制閥反復(fù)開、關(guān)，管道內(nèi)液體受環(huán)境溫度及管道和管道內(nèi)的水反復(fù)處于過冷狀態(tài)，只是過冷程度變小，導(dǎo)致下游管道暖管時(shí)間增加。4.液位控制閥距離6#高加之間管道長(zhǎng)，而且液位控制閥比6#高加標(biāo)高低11米左右，不利于暖管。

又如某核電站兩臺(tái)機(jī)組間的輔助蒸汽連通管道

某核電站兩臺(tái)機(jī)組輔助蒸汽集管之間設(shè)有一根連通管道，連通管道長(zhǎng)約五、六十米，這段管道為倒U型管線布置。在這跟連通管道上設(shè)置一個(gè)手動(dòng)連通閥，兩臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行期間，輔助蒸汽連通閥處于長(zhǎng)開狀態(tài)。某臺(tái)機(jī)組大/小修期間如果這臺(tái)機(jī)組沒有輔助蒸汽用戶，輔助蒸汽連通閥將處于長(zhǎng)期關(guān)閉狀態(tài)，在連通閥至1#機(jī)組軸封系統(tǒng)管道內(nèi)將會(huì)積聚大量過冷凝結(jié)水。在這臺(tái)機(jī)組檢修借宿啟動(dòng)時(shí)，打開輔助蒸汽連通閥，運(yùn)行機(jī)組的高溫高壓的高品質(zhì)蒸汽進(jìn)入輔助蒸汽連通管道，汽水迅速混合，產(chǎn)生凝結(jié)水誘導(dǎo)水錘，引起管道振動(dòng)。另外，經(jīng)過這樣的過程，供給到剛啟動(dòng)機(jī)組的輔助蒸汽品質(zhì)變差，還會(huì)導(dǎo)致這臺(tái)機(jī)組的軸封壓力控制不穩(wěn)定，甚至?xí)?dǎo)致汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)進(jìn)水等非預(yù)期的工況。

在兩臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行期間，在需要使用另一臺(tái)機(jī)組的輔助蒸汽時(shí)，也曾經(jīng)發(fā)生過水錘現(xiàn)象。這主要是因?yàn)閮膳_(tái)機(jī)組正常運(yùn)行期間，輔助蒸汽的參數(shù)基本相同，輔助蒸汽管道內(nèi)沒有蒸汽流動(dòng)，由于受廠房環(huán)境溫度影響，這么長(zhǎng)的管道內(nèi)同樣會(huì)積聚一定量的冷凝水。另外值得關(guān)注的是，類似這么長(zhǎng)的管線布置，即使在暖管充分的情況下，如果間隔一定時(shí)間不投入負(fù)荷，這段管道內(nèi)蒸汽因管道受環(huán)境溫度影響而冷凝，管道內(nèi)蒸汽品質(zhì)大大下降，因此運(yùn)行人員要特別關(guān)注，如果暖管時(shí)間過久后投入負(fù)荷前，需要重新進(jìn)行暖管操作。

（2）機(jī)組正常運(yùn)行期間的水錘

如蒸發(fā)器排污混合箱管線

某核電站蒸汽發(fā)生器排污混合管線長(zhǎng)期存在強(qiáng)烈振動(dòng)，并且頻繁造成相關(guān)設(shè)備損壞。蒸汽發(fā)生器排污，是通過一個(gè)混合器與海水冷卻系統(tǒng)混合冷卻后，再通過海水冷卻系統(tǒng)排放到大海中。其中海水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為14.6L/s；蒸發(fā)器排污流量在1～6L/s。管道發(fā)生錘擊的主要原因在于蒸發(fā)器排污高溫水在經(jīng)過排污箱液位控制閥節(jié)流后部分汽化，形成汽液兩相流，然后在與低溫的海水進(jìn)行混合時(shí)，汽體迅速冷卻，從而形成水錘現(xiàn)象。

又如凝結(jié)水系統(tǒng)

某年11月，某核電站一臺(tái)機(jī)組二回路已經(jīng)啟動(dòng)了部分設(shè)備，為汽輪機(jī)首次沖轉(zhuǎn)做準(zhǔn)備，突然現(xiàn)場(chǎng)有很大的響聲，很多管道振動(dòng)劇烈且振動(dòng)幅度很大。事件的發(fā)生主要是由于凝結(jié)水再循環(huán)閥的供氣管線脫落而失氣全開，引起負(fù)水錘效應(yīng)。正常情況下負(fù)水錘的破壞力比正水錘小的多。此次負(fù)水錘效應(yīng)如此嚴(yán)重主要有以下幾個(gè)原因：第一，凝結(jié)水泵出口到再循環(huán)管線入口管段有多處拐角，凝結(jié)水流量、流速突然增加對(duì)管道造成了很大的沖擊和拉伸；第二，最主要的是再循環(huán)閥設(shè)計(jì)通流量太大。再循環(huán)閥全開后，凝結(jié)水流量太大，在閥門前后產(chǎn)生很大的壓差導(dǎo)致嚴(yán)重的負(fù)水錘效應(yīng)。

目前該核電站兩臺(tái)機(jī)組的凝結(jié)水再循環(huán)閥已經(jīng)改造，由通流量是原閥門通流量1/2的新閥門所替換。改造后，另一臺(tái)機(jī)組曾發(fā)生過類似事件，該事件凝結(jié)水管道的負(fù)水錘效應(yīng)遠(yuǎn)比之前發(fā)生時(shí)的效應(yīng)小的多，說明改造是成功的。

在此提請(qǐng)機(jī)組運(yùn)行人員，在機(jī)組正常運(yùn)行期間，系統(tǒng)突然發(fā)生水錘現(xiàn)象要首先關(guān)注控制類閥門的狀態(tài)是否正常。管道破口也可能引起負(fù)水錘效應(yīng)。準(zhǔn)確地判斷故障點(diǎn)，能為故障的處理爭(zhēng)取到寶貴的時(shí)間，同時(shí)能大大減少電站的經(jīng)濟(jì)損失。

2 水錘原理

為了便于大家理解水錘和應(yīng)對(duì)，下面對(duì)水錘原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 由于蒸汽管線的排水不良、保溫的不完全、蒸汽供應(yīng)的不平衡等原因，都會(huì)造成管路中有凝結(jié)水及水膜的生成。這些凝結(jié)水積聚在管路底部，會(huì)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象；在電站正常運(yùn)行期間，突然停電或者閥門關(guān)閉太快時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。在水管內(nèi)部，管內(nèi)壁光滑，水流動(dòng)自如，當(dāng)打開的閥門突然關(guān)閉，水流對(duì)閥門及管壁，主要是閥門會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力。由于管壁光滑，后續(xù)水流在慣性的作用下，迅速達(dá)到最大，并產(chǎn)生破壞作用，這就就是正水錘。相反，關(guān)閉的閥門在突然打開后，也會(huì)產(chǎn)生水錘，叫負(fù)水錘，也有一定的破壞力，但沒有前者大。在蒸汽系統(tǒng)中發(fā)生的水錘有兩種：蒸汽驅(qū)動(dòng)水錘和凝結(jié)水誘導(dǎo)水錘。 蒸汽驅(qū)動(dòng)水錘是凝結(jié)水上方快速流動(dòng)的蒸汽導(dǎo)致水波的形成，蒸汽和水的相互作用，使水變成了一個(gè)個(gè)堅(jiān)硬的水實(shí)體封住了管道，且以蒸汽的速度前進(jìn)，會(huì)以很大的力撞擊管路內(nèi)的障礙物和它所遇到的第一個(gè)拐角的管壁。就像用錘子錘打一樣。蒸汽空泡潰滅水錘在某些情況下也叫做“凝結(jié)水誘導(dǎo)水錘” 。這是由于在一個(gè)完全充滿水的管子里產(chǎn)生或被壓入了一個(gè)汽泡，當(dāng)汽泡被吸收了自身的熱量時(shí)，它就會(huì)坍塌，四周的水立即涌到了這里，會(huì)產(chǎn)生很大的壓強(qiáng)。由冷凝水誘導(dǎo)產(chǎn)生的超壓水錘，能夠比蒸汽驅(qū)動(dòng)水錘大10到100倍。

3 電站運(yùn)行中操作注意事項(xiàng)

運(yùn)行操作人員要注意以下幾點(diǎn)：

（1）高壓蒸汽和過冷的凝結(jié)水相接觸就是一個(gè)不穩(wěn)定的潛在的易爆混合物。

（2）不可以讓蒸汽進(jìn)入充滿過冷凝結(jié)水的管道。如果你不能確認(rèn)管線中的冷凝水被完全的排空，那么在操作中一定要緩慢。

（3）讓過冷的凝結(jié)水進(jìn)入蒸汽充滿的管線要比讓蒸汽進(jìn)入過冷的凝結(jié)水的管線還要危險(xiǎn)。

（4）在實(shí)際操作中發(fā)生蒸汽進(jìn)入過冷的凝結(jié)水管線時(shí)，要立即關(guān)閉入口蒸汽閥，然后將凝結(jié)水排空再慢慢暖管。如果是閥門內(nèi)漏，要盡快處理缺陷。

4 改進(jìn)建議

針對(duì)水錘原理和實(shí)際機(jī)組產(chǎn)生水錘的機(jī)理提出以下建議：

（1）針對(duì)較長(zhǎng)且曾倒U型管線的蒸汽管道，盡早疏水和暖管，同時(shí)要保證暖管后及時(shí)投運(yùn)；對(duì)于有大液位控制閥控制的此類管線，增加一個(gè)小的旁路閥，可以提前暖管，這樣既能消除水錘現(xiàn)象，又為機(jī)組啟動(dòng)爭(zhēng)取時(shí)間。

（2）針對(duì)大控制閥誤開引起的負(fù)水錘問題，從系統(tǒng)及設(shè)計(jì)上分析控制閥的通流流量是否過大，是否可以減小通流流量，如可以則更換內(nèi)徑小且滿足系統(tǒng)流量設(shè)計(jì)要求的控制閥。

（3）針對(duì)類似蒸汽發(fā)生器排污管線水錘問題，建議將此類排水管線連接到比較大混合器，且流量也非常大，即熱容量很大。這樣既可以保證足夠的冷卻，也不會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)備造成有影響的沖擊。

（4）針對(duì)在系統(tǒng)工況變化等容易產(chǎn)生凝結(jié)水的蒸汽管道，可以在合適的位置設(shè)置自動(dòng)捕水裝置，確保不會(huì)有凝結(jié)水甚至過冷的凝結(jié)水在蒸汽管道內(nèi)積聚。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)水錘現(xiàn)象的分析，提醒生產(chǎn)運(yùn)行人員、設(shè)計(jì)人員關(guān)注水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生原理和破壞力，為了保護(hù)設(shè)備，保護(hù)人員安全，需要認(rèn)真分析反饋現(xiàn)場(chǎng)的水錘問題，采取必要的補(bǔ)救措施和設(shè)計(jì)改造，從而保證機(jī)組設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

【參考文獻(xiàn)】

[1]汽輪機(jī)運(yùn)行技術(shù)問答，中國(guó)電力出版社，華東電業(yè)管理局編，1997年.

[2]供熱工程，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，哈爾濱建筑工程學(xué)院等，1985年.

[3]蒸發(fā)器排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)（某核電廠）T.M.S.2000年.