核電再熱系統(tǒng)開式安全閥排放管道參數(shù)的計(jì)算方法

秦重陽(yáng) 陳 林 鐘 鼎 曹 林 李 堯

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

核電再熱系統(tǒng)開式安全閥排放管道參數(shù)的計(jì)算方法

秦重陽(yáng) 陳 林 鐘 鼎 曹 林 李 堯

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

文章綜合 ASME B31.1 和國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)中的介紹， 給出了一種 核電再熱系 統(tǒng)開式安全 閥排放管道 熱力參數(shù)及 排汽反力的計(jì)算方法，并給出了此計(jì)算方法的應(yīng)用示例，以期對(duì)相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員提供一定的指導(dǎo)作用。

安全閥；排汽管；放空管；臨界流動(dòng)；亞臨界流動(dòng)；排汽反力

0 引言

在電廠及石油化工設(shè)備中，安全閥是系統(tǒng)中重要的防超壓安全附件。在系統(tǒng)發(fā)生超壓的情況下，若安全閥系統(tǒng)不能將蒸汽安全排出，將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。安全閥系統(tǒng)分為開式和閉式兩種。在開式安全閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，安全閥排放管的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常重要的工作。若安全閥排放管設(shè)計(jì)不當(dāng)，則有可能導(dǎo)致蒸汽不能順利排出，而從排放管下端疏水盤處反噴出來(lái)，造成較大的危害。并且安全閥在排汽過(guò)程中對(duì)管道和支撐結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生多種附加作用力，若對(duì)這些力估計(jì)不足，則會(huì)導(dǎo)致管道支架損壞甚至對(duì)土建結(jié)構(gòu)造成危害。由于對(duì)這些作用力的估計(jì)不足或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，國(guó)內(nèi)外許多電廠都出現(xiàn)過(guò)安全閥接管座或進(jìn)、排汽管道損壞的嚴(yán)重事故。

核電再熱系統(tǒng)與常規(guī)火電相比，蒸汽參數(shù)低，流量大，對(duì)安全閥系統(tǒng)要求高。由于再熱系統(tǒng)的復(fù)雜性以及廠房土建結(jié)構(gòu)方面的影響，安全閥排放管道有時(shí)設(shè)置得比較長(zhǎng)，導(dǎo)致安全閥排放管道出口處于亞臨界流動(dòng)狀態(tài)， 而在 ASME B31.1 中，安全閥排放管參數(shù)的計(jì)算方法是基于臨界流動(dòng)狀態(tài)的，無(wú)法適用于亞臨界流動(dòng)的情況。因此，需要一種較為通用的安全閥排放管道參數(shù)的計(jì)算方法，能夠分別對(duì)臨界流動(dòng)和亞臨界流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，以滿足核電再熱系統(tǒng)安全閥排放管道的設(shè)計(jì)需求。本文綜合 ASME B31.1 以及國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范文獻(xiàn)中的介紹，給出了一種核電再熱系統(tǒng)開式安全閥排汽管道熱力參數(shù)及排汽反力的計(jì)算方法。

1 開式排放系統(tǒng)特點(diǎn)

所謂安全閥開式排放系統(tǒng)是指安全閥開啟時(shí)，氣體直接排放到大氣或排放到與安全閥不相連的放空管。圖1是典型的開式排放系統(tǒng)。對(duì)于圖1所示的開式系統(tǒng)， ASME B31.1 規(guī)范中在幾何上有如下要求： l≤4D0， m≤6D0， D0指排汽管的外徑。

圖1 開式排放系統(tǒng)

2 計(jì)算方法

開式安全閥排放管道參數(shù)的求解，就是求解圖2中點(diǎn)1、 點(diǎn)2和點(diǎn)3處的蒸汽壓力、 流速， 進(jìn)而得到各點(diǎn)處的排汽反力。

圖2 排汽參數(shù)的確定

2.1 開式系統(tǒng)排放管設(shè)置要求

在圖2所示的開式安全閥排放管道設(shè)計(jì)中，如果放空管設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)反噴現(xiàn)象，也就是蒸汽沿放空管入口處反向噴出。為了防止反噴， 放空管的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足式（1）。

式中：

W—介質(zhì)質(zhì)量流量， kg/s；

V1—點(diǎn) 1 處流速， m/s；

V2—點(diǎn) 2 處流速， m/s；

P1—點(diǎn) 1 處壓力 （絕壓）， MPa；

P2—點(diǎn) 2 處壓力 （絕壓）， MPa；

A1—點(diǎn) 1 處出口通流面積， mm2；

A2—點(diǎn) 2 處出口通流面積， mm2；

Pa—大氣壓力。

2.2 放空管出口點(diǎn) 3 處參數(shù)的求解

在 ASME B31.1 中， 并未提到排放管出口的流動(dòng)狀態(tài)， 而在國(guó)內(nèi)的相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)[1-6]中， 幾乎都提到了排放管出口的流動(dòng)狀態(tài)，包括臨界流動(dòng)和亞臨界流動(dòng)。確定流動(dòng)狀態(tài)，首先得求解臨界參數(shù)。 本文在求解臨界參數(shù)時(shí)采用了 ASME B31.1 中的 方 法 ， 根 據(jù) 滯止 焓 來(lái) 求 解 ； 而 在 DL/T 5054-1996 《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》 中是根據(jù)滯止壓力和滯止比容來(lái)求解。 文獻(xiàn)[2]和[4]中對(duì)兩種方法進(jìn)行了對(duì)比， 認(rèn)為ASME B31.1 中的方法更加合理，因此本文也采用了此方法來(lái)求解臨界參數(shù)。放空管出口點(diǎn)3處的臨界參數(shù)可根據(jù)式（2）和式（3）求得。

式中：

Pcr—臨界壓力 （絕壓）， MPa；

Vcr—臨界流速， m/s；

W—介質(zhì)質(zhì)量流量， kg/s；

A—管道通流面積， mm2；

h0—安全閥入口滯止氣體焓， J/kg。參數(shù)a和 b的取值見表1。

表1 參數(shù)a和b取值

對(duì)于安全閥入口滯止氣體焓值，可根據(jù)安全閥前滯止壓力和滯止溫度并通過(guò)水蒸汽表查得。安全閥前滯止壓力應(yīng)該取安全閥的排放壓力，切勿取整定壓力；滯止溫度應(yīng)該取蒸汽在排放壓力下可能達(dá)到的最高溫度。對(duì)于介質(zhì)質(zhì)量流量，應(yīng)取安全閥的最大排量或 1.11 倍的安全閥額定排量[3]。

如果臨界壓力大于或等于放空管出口環(huán)境壓力， 則放空管出口為臨界流動(dòng)， 此時(shí) P3=Pcr、 V3= Vcr， P3和 V3分別為點(diǎn) 3 處的壓力和流速； 若臨界壓力小于出口環(huán)境壓力，則為亞臨界流動(dòng)，此時(shí)P3=Pa， Pa為 環(huán)境 壓 力 ， 而 V3則 需 根 據(jù) 虛 段 法 求得。

虛段比容比和虛段阻力系數(shù)見式（4）、式（5）。

式中：

β'—虛段比容比；

k—介質(zhì)的絕熱指數(shù)， 對(duì)于過(guò)熱蒸汽， 取 k= 1.3； 對(duì)于飽和蒸汽， 取 k=1.1；

ξ'—虛段阻力系數(shù)。

求得虛段比容比后，則點(diǎn)3處的流速見式（6）。

2.3 放空管進(jìn)口點(diǎn) 2 處參數(shù)的求解

求得點(diǎn) 3 處的壓力和流速后， 可根據(jù) ASME B31.1 中的圖表法求得點(diǎn) 2 處的壓力和流速。

圖3 可壓縮流動(dòng)分析

為了利用圖3 可壓縮流動(dòng)分析［7］， 首先得計(jì)算f （L/D）， f是 Darcy-Weibach 摩擦系數(shù) （對(duì)于蒸汽，由于在管道紊流時(shí)變化很小，作為估算可取為 0.013）； L 是管段的長(zhǎng)度 （mm）； D 是管道內(nèi)徑（mm）。 求得 f （L/D）后， 再根據(jù)介質(zhì)的絕熱指數(shù)k， 即可在圖3 中 查到 P/P＊和 V/V＊的 數(shù)值。 點(diǎn) 2處的壓力和流速見式（7）、 式（8）。

然而，采用圖表法求解比較繁瑣，人為誤差也較大， 因此也可根據(jù)式（9）、 式（10）求得點(diǎn) 2 處的壓力和流速。

式中，β為介質(zhì)比容比。

式中：

ζ—管道總阻力系數(shù)；

式（11）中，β 值可采用試算迭代法求得，為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算，也可根據(jù)式（13）～（17）近似求得[8]。

對(duì)于過(guò)熱蒸汽：ζ=0.1～1.0 時(shí)，

2.4 排汽管出口點(diǎn) 1 處參數(shù)的求解

排汽管出口點(diǎn)1處蒸汽參數(shù)的求解與點(diǎn) 3處類似，這里就不再一一贅述。求出點(diǎn)1處的參數(shù)后， 即可根據(jù) 2.1 節(jié)中方法進(jìn)行反噴校核。 若可能會(huì)發(fā)生反噴，則需要重新選擇放空管的規(guī)格。

2.5 排汽反力的計(jì)算

求得各點(diǎn)處的壓力與流速后，排汽反力可根據(jù)式（18）計(jì)算。

式中：

Fi—i點(diǎn)處的排汽反力， N；

Vi—i點(diǎn)處的介質(zhì)流速， m/s；

Pi—i點(diǎn)處的介質(zhì)壓力 （絕壓）， MPa；

Pa—環(huán)境壓力；

Ai—i點(diǎn)處的排汽通流面積， mm2。

在安全閥突然開啟時(shí)，由于排放管道瞬間收到的作用力一般大于穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的作用力，考慮瞬態(tài)沖擊效應(yīng)的排汽反作用力見式（19）。

式中：

Fdi—考慮瞬態(tài)效應(yīng)的 i點(diǎn)處排汽反力， N；

fd—?jiǎng)虞d因子。

動(dòng)載因子的確定方法如下：

（1）確定安全閥裝置的周期 T， 見式 （20）；安全閥裝置見圖4；

式中：

T—安全閥裝置的自振周期， s；

M—安全閥裝置的質(zhì)量 （包括閥門、 管道、 法蘭和附件等）， kg；

h—主管至出口管中心線的距離， mm；

E—設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)口管道材料的彈性模量，MPa；

I—進(jìn)口管道的截面慣性矩， mm4。

圖4 安全閥裝置 （開式排放系統(tǒng)）

（2）計(jì)算安全閥開啟時(shí)間與裝置周期的比值t0/T， t0是安全閥從全閉到全開的時(shí)間， s；

（3）根據(jù) t0/T 從圖5 中查出動(dòng)載因子 fd。

國(guó)外也有些文獻(xiàn)規(guī)定根據(jù)管道的不同等級(jí)來(lái)選擇動(dòng)載因子：對(duì)于核電站的一、二、三級(jí)管道，取 fd=2.0； 對(duì)于火電廠設(shè)計(jì)， 則根據(jù)上述方法選用fd值[5]。 若需得到更加精確的動(dòng)載效應(yīng)， 則可采用更加精確的計(jì)算方法或試驗(yàn)獲得。

圖5 開式排放系統(tǒng)動(dòng)載因子

3 計(jì)算示例

以上核電再熱系統(tǒng)開式安全閥排放管道參數(shù)的計(jì)算方法，可以用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。下面以核電再熱系統(tǒng)某安全閥排放管為例，計(jì)算排放管各點(diǎn)處的參數(shù)。

某系統(tǒng)中安全閥的排放介質(zhì)為飽和蒸汽，排放 量 為 4.5kg/s。 安 全 閥 前 滯 止 壓 力 為 3.37MPa，滯止溫度為 229.7℃， 垂直放空管長(zhǎng)度為 10m。 安全閥排汽管出口管為 Φ88.9mm×5.49mm， 放空管為 Φ219.1mm×6.35mm， 如圖6 所示。

圖6 某系統(tǒng)安全閥排放管道示意圖

首先計(jì)算點(diǎn)3處參數(shù)。根據(jù)滯止壓力和滯止溫度， 由水蒸汽表查得滯止焓為 2802826J/kg。 臨界壓力為：

臨界流速為：

由于臨界壓力小于大氣壓力，因此為亞臨界流動(dòng)，點(diǎn)3處的參數(shù)按亞臨界流動(dòng)狀態(tài)計(jì)算。則：

P3=Pa=0.1013MPa

虛段比容比為：

虛段阻力系數(shù)為：

點(diǎn)3處的流速為：

V3=Vcr/β'=483.77/1.96=246.82m/s

點(diǎn) 2 處參數(shù)根據(jù) 2.3 節(jié)中方法， 首先求得管道總的阻力系數(shù)為：

然后， 根據(jù)式（11）試算求得介質(zhì)比容比為：

則點(diǎn)2處壓力和流速為：

=0.1128MPa

排汽管出口點(diǎn)1處的壓力和流速計(jì)算方法與放空管出口點(diǎn)3處相同， 點(diǎn)1處的壓力和流速為：

根據(jù) 2.1 節(jié)中反噴校核條件有：

因此，放空管設(shè)計(jì)滿足不反噴條件。

各點(diǎn)處的排汽反力根據(jù)式（18）可求得。

由于暫無(wú)安全閥裝置的詳細(xì)信息，因此無(wú)法確切計(jì)算動(dòng)載因子，出于安全性考慮，取動(dòng)載因子為 2.0。 各點(diǎn)處考慮瞬態(tài)沖擊效應(yīng)的排汽反力即可得出。

4 結(jié)論

安全閥系統(tǒng)在核電廠中是重要的安全附件。合理地設(shè)計(jì)安全閥排放管道是安全閥系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是安全閥能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的保障。

本文綜合 ASME B31.1 以及國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)中的方法，提出了一種適用于核電再熱系統(tǒng)開式安全閥排汽管道蒸汽參數(shù)及排汽反力計(jì)算的方法。該方法適用于排放管出口為臨界流動(dòng)和亞臨界流動(dòng)的情況， 突破了 ASME B31.1 《動(dòng)力管道》僅適用于出口為臨界流動(dòng)的局限性；采用滯止焓并引入實(shí)際水蒸汽圖表的修正來(lái)計(jì)算蒸汽參數(shù)，較之 DL/T 5054-1996 《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中采用理想氣體性質(zhì)來(lái)計(jì)算更加合理。

[1]DL/T 5054-1996,火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S],1996

[2] 李晉鵬, 胡念蘇. 火電廠安全閥排汽管道參數(shù)計(jì)算方法的討論[J].熱力發(fā)電,2003(1):22-26

[3] 陳波,楊春.330MW 機(jī)組鍋爐安全閥排汽管道強(qiáng)度核算及探討[J].廣西電力,2009(5):83-87

[4] 張建中, 陸錫琛. 鍋爐安全閥排汽管道的熱力參數(shù)及反力的計(jì)算方法[J].中國(guó)電力,1985(10):39-45

[5] 陳紅. 安全閥排放管道支架設(shè)計(jì) [J].化工設(shè)計(jì),2005,15 (4):30-35

[6] 詹世平, 李志義. 安全閥的背壓及其排放管道的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].中國(guó)鍋爐壓力容器安全,1991,7(4):21-24

[7]ASME B31.1-2007， Pow er Piping[S],2007

[8] 金采赤,閻洪環(huán),馬東飛.安全閥排汽管道計(jì)算方法初探[J].東北電力技術(shù),1997(11):38-41

Calculation Method of Parameters of Open Safety Valve Vent Pipe in Reheat System of Nuclear Power Plant

Qin Chongyang， Chen Lin， Zhong Ding， Cao Lin， Li Yao
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

Based on the introductions in ASME B31.1 and domestic related literatures,a calculation method of thermal parameters and reaction forces of open safety valve vent pipe in the reheat system of nuclear power plantwere recommended in this paper.An example for this calculationmethod was given to provide some guidance to the designers.

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秦重陽(yáng) （1986-）， 男， 碩士， 2010 年畢業(yè)于西安交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程熱物理專業(yè)， 現(xiàn)從事核電管道設(shè)計(jì)工作。