常規(guī)島系統(tǒng)水錘現(xiàn)象分析

孫偉生

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

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(guò)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(lái)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(guò)冷的疏水。當(dāng)液位控制閥有小的開(kāi)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(guò)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(guò)冷水疏凈，同樣也會(huì)發(fā)生水錘，主要原因是管道處于過(guò)冷狀態(tài)且管線太長(zhǎng)。在后來(lái)的操作中采用在機(jī)組并網(wǎng)后先打開(kāi)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(kāi)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(kāi)始開(kāi)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(kāi)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(guò)一、二分鐘再開(kāi)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(lái)判斷一級(jí)再熱器疏水箱疏水總隔離閥的開(kāi)啟速率。以這種方式投運(yùn)MSR一級(jí)再熱器疏水后沒(méi)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(guò)冷。2.液位控制閥的截流和下游管道的過(guò)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(lái)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(kāi)、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(guò)冷狀態(tài)，只是過(guò)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(kāi)狀態(tài)。某臺(tái)機(jī)組大/小修期間如果這臺(tái)機(jī)組沒(méi)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(guò)冷凝結(jié)水。在這臺(tái)機(jī)組檢修借宿啟動(dòng)時(shí)，打開(kāi)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(guò)這樣的過(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)一個(gè)混合器與海水冷卻系統(tǒng)混合冷卻后，再通過(guò)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(guò)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(kāi)，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(kāi)后，凝結(jié)水流量太大，在閥門(mén)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(mén)通流量1/2的新閥門(mén)所替換。改造后，另一臺(tái)機(jī)組曾發(fā)生過(guò)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(shuō)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(mén)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(mén)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(kāi)的閥門(mén)突然關(guān)閉，水流對(duì)閥門(mén)及管壁，主要是閥門(mén)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(mén)在突然打開(kāi)后，也會(huì)產(chǎn)生水錘，叫負(fù)水錘，也有一定的破壞力，但沒(méi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(mén)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(kāi)引起的負(fù)水錘問(wèn)題，從系統(tǒng)及設(shè)計(jì)上分析控制閥的通流流量是否過(guò)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(wèn)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(guò)冷的凝結(jié)水在蒸汽管道內(nèi)積聚。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)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(wèn)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。

［1］汽輪機(jī)運(yùn)行技術(shù)問(wèn)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.