核電廠應急柴油機燃油系統(tǒng)虹吸問題分析及處理

周振棟，蔡茜婭，金 戈，譚 勇

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦山一期核電工程是我國國內(nèi)設計建造相對較早的核電工程，由于當初設計理念相對落后，部分系統(tǒng)沒有考慮虹吸效應的影響，沒有采取相應的技術(shù)措施來規(guī)避和應對可能存在的虹吸現(xiàn)象。下面將結(jié)合結(jié)合秦一廠柴油機燃油系統(tǒng)由于虹吸原理引發(fā)的缺陷，分析原因及相應處理對策，為故障的解決提供思路。

1 虹吸現(xiàn)象研究現(xiàn)狀

虹吸現(xiàn)象是指由于液位差的存在和大氣壓的作用，處于高液位的液體會通過充滿液體且插入液面以下的管道自發(fā)且持續(xù)地流向低液位處。這種虹吸現(xiàn)象在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用，例如：煤礦綜采工作面在開采過程中突水的情況，根據(jù)運輸巷起伏不平的特點以及復雜的現(xiàn)場環(huán)境，利用虹吸原理實現(xiàn)自然疏水，達到高效排水目的[1]；在原有屋面排水的基礎上，應用虹吸效應設計虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)，不僅改善了建筑物屋面實際排水成效，還提高了建筑物本身建設質(zhì)量[2-3]；核電廠通過設置虹吸井，使得凝汽器水室內(nèi)循環(huán)水能夠在負壓狀態(tài)持續(xù)流動，從而降低幾何供水高程、減小循環(huán)水泵揚程需求，利用虹吸原理重力排水，減少廠用電的消耗[4-5]。

2 虹吸原理基礎

將低液位容器液面定義為a，高液位容器液面為b，管道AB、BC、CD 的最高位置為c，ab 液面差為h，bc 高度差為H。當管道內(nèi)部充滿液體時，高液位容器內(nèi)的液體就會自發(fā)且持續(xù)地流向低液位容器，直到ab 液面齊平或管道A 端高于液面b，這就是虹吸現(xiàn)象（圖1）。

圖1 虹吸原理

虹吸效應是大氣壓、液位差和重力的共同作用，CD 段液體由于重力作用，流入低液位容器，并在BC 段形成真空區(qū)域，由于大氣壓作用，將AB 段液體填補該真空區(qū)域，如此持續(xù)作用下形成虹吸現(xiàn)象。

虹吸現(xiàn)象剛開始時，CD 段液體由于自重向下流動，ABC 段液體運動狀態(tài)相對滯后，可以認為b 平面液體速度vb為0，壓力Pb為大氣壓P0，a 平面液體速度為va，壓力Pa為大氣壓P0，根據(jù)伯努利方程可得：

ABC 段液體是在該管段形成真空后由大氣壓的共同作用產(chǎn)生的流動，因此vb=vc，由伯努利方程可得：

根據(jù)上述分析可以得出發(fā)生虹吸現(xiàn)象需要有3 個基本條件：①條件1，存在液位差，保證虹吸管兩端均在最高液位面以下；②條件2，虹吸管道的最高點不得高于標準大氣壓所能支持的液柱高度，且需保證液體不發(fā)生汽化；③條件3，虹吸管道內(nèi)貫通且充滿液體。

3 缺陷實例分析及處理

在秦一廠大修期間，進行2#應急柴油機日用燃油箱溢流管旁路閥進行定期更換操作，期間需打開該旁路閥，將日用燃油箱內(nèi)燃油通過出油管—旁路閥流回油罐，在排空燃油箱后拆下旁路閥，發(fā)現(xiàn)燃油從該閥門與油罐連接段法蘭持續(xù)流出且無法排空。

應急柴油機燃油系統(tǒng)的日用油箱處于絕對高度5.0 m 處，旁路閥的絕對高度為1.0 m，油罐液面b 的絕對高度為2.2 m且管道AB 插入油罐液面以下（圖2）。

圖2 應急柴油機燃油系統(tǒng)布置

當油箱內(nèi)燃油流回油罐后，出油管內(nèi)燃油的最大高度基本于B端齊平。燃油系統(tǒng)中油罐-旁路閥回路滿足發(fā)生虹吸現(xiàn)象的3 個基本條件：油罐與旁路閥存在液位差，且虹吸管兩端均在液面b 以下；B 端僅高于液面約2 m；虹吸管內(nèi)貫通且充滿燃油。于是，油罐內(nèi)燃油回流到旁路閥，虹吸現(xiàn)象將在b 液面低于管道A 端才會停止，按照技術(shù)規(guī)格書要求，油罐油位低于2.05 m將直接判定柴油機不可用，使得6 kV 安全I/II 段失去備用電源，兩臺應急柴油機發(fā)生該情況，將造成電廠停堆。

（1）針對虹吸現(xiàn)象發(fā)生的基本條件1，制定方案1：截短AB管伸入油罐深度，使得A 端高于最高液面，但是該方案實施前需要放空油罐內(nèi)的燃油，工作窗口限制大。

（2）針對基本條件2，制定方案2：將B 端向上延伸至距b液面10 m 處，使得標準大氣壓無法支持燃油達到虹吸管道的最高點，且在最高位置燃油發(fā)生部分汽化，但是該方案需占據(jù)大量空間，現(xiàn)場不具備可實施性。

（3）針對基本條件3，提出方案3——在旁路閥至油罐的管道間安裝逆止閥，使得虹吸管道內(nèi)不貫通，以及方案4——松開管道B 端法蘭螺栓，使得管內(nèi)燃油分別回落到油罐和旁路閥處，管道內(nèi)未充滿燃油。方案3 需要采購設備、安裝施工、維護保養(yǎng)等一系列流程，成本較高，方案4 具備可實施性，且實施成本和后期維護成本低，僅需更換該法蘭處墊片。

通過對比，選取方案4 處理上述虹吸現(xiàn)象?，F(xiàn)場對旁路閥—油罐法蘭進行臨時封堵后，松開油罐頂部的B 端法蘭螺栓（圖3），期間用容器收集從法蘭處流出的燃油，待燃油流盡后更換法蘭墊片，并回裝螺栓。隨后，拆下旁路閥法蘭處臨時封堵，用容器收集管道內(nèi)剩余燃油，從而完成旁路閥的更換工作。

圖3 油罐連接法蘭螺栓位置

4 總結(jié)及建議

應急柴油機燃油系統(tǒng)相應管路在低液位處發(fā)生虹吸現(xiàn)象的主要原因是，管道插入高位容器的液面以下且未安裝放氣閥或逆止閥等虹吸破壞設備。該柴油機機油系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)均存在高位容器且均未安裝放氣閥或逆止閥，后續(xù)可安排對相應高位油箱和水箱的排查工作，對于管道插入高位容器液面以下的設計缺陷可擇機采取割短插入管道的預防措施。

針對性的排查可以定位有可能發(fā)生虹吸的位置，但是對于無法隨時排查或無法立即從根本上處理的情況，可以通過以下3 個措施來預防及處理：

（1）實時監(jiān)測高位容器液位和管道流量變化，及時發(fā)現(xiàn)已發(fā)生的虹吸現(xiàn)象。發(fā)生虹吸現(xiàn)象時高位容器液位往往快速下降，管道內(nèi)出現(xiàn)液體倒流，及時監(jiān)測可以保證第一時間快速發(fā)現(xiàn)并定位虹吸問題，從而進行后續(xù)針對性的處理。

（2）通過采取根本措施杜絕虹吸效應。根本性的措施主要是針對虹吸效應發(fā)生的3 個基本條件，一般是破壞基本條件1 和條件3，主要手段分別對應：①截短高位容器的管道插入深度；②安裝放氣閥、逆止閥或者虹吸防止器等設備。

（3）通過采取臨時措施處理虹吸現(xiàn)象。由于高位容器無法打開、未安裝放氣閥等防虹吸設備的現(xiàn)場情況，往往通過破壞虹吸基本條件3 進行處理，如松開虹吸管道上的高位法蘭螺栓、工藝堵頭、外接儀表等部件引入大氣防止虹吸。

消除3 種虹吸基本條件是預防和解決虹吸問題的根本方法，在設計、運行和維護的過程中可以參照這3 個基本條件分別制定對策，再根據(jù)現(xiàn)場實際和成本進行方案優(yōu)選，從而采用最佳的方案來預防和處理虹吸問題。