常規島系統水錘現象分析

孫偉生

【摘 要】本文分析某核電廠常規島系統管道發生過的水錘現象，對常見的水錘現象進行了實際分析，為了消除水錘產生或限制水錘后果，提出改進建議。

【關鍵詞】水錘；振動

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 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

常規島的許多蒸汽系統及相關管道如兩臺機組輔助蒸汽連通管道、蒸汽發生器排污系統、凝結水系統、汽水分離再熱器疏水系統等已發生過多起或大或小的水錘現象。還有些管道由于支架設計及管線的布局不合理等原因而引起管道的振動。這些水錘現象有的擊壞管線及其相關設備；有的使管線振動且發出很大的響聲，造成許多破壞性的缺陷。按其發生的時期，可分為兩大類：第一類發生在機組啟動的時候；第二類發生在機組正常運行的時候。

1 水錘實例

（1）機組冷態啟動時的水錘

如汽水分離再熱系統一級再熱器到6#高加的疏水管線

在機組并網投運汽水分離再熱系統時，一級再熱器疏水箱的疏水管線振動嚴重并發出很響的錘擊聲，也引發相連的管道振動，由于疏水管線很長，導致汽輪機廠房多個房間有很大的錘擊聲，并多次造成墻體結構及相鄰管線的損壞。同時對廠房工作人員產生很大的心里壓力，尤其是不清楚原由的工作人員，產生恐懼。從現場實際管線走向布置上來講這根管線有一段七、八米長的水平管道且標高最低，兩側為垂直管道，垂直管道一側垂直高度約12米，另一側垂直高度約5米。

當機組停運后，這段管道內聚積一些過冷的疏水。當液位控制閥有小的開度時，上游高溫、高壓的飽和水突然降溫、降壓發生閃蒸，蒸汽遇到下游的過冷水迅速冷凝，引發冷凝水誘導水錘。即使在投運前將管道的過冷水疏凈，同樣也會發生水錘，主要原因是管道處于過冷狀態且管線太長。在后來的操作中采用在機組并網后先打開液位控制閥前疏水閥對上游管道進行疏水暖管，同時全開液位控制閥下游疏水閥，疏水結束后關閉疏水箱疏水管道總隔離閥。待機組負荷到15%滿功率時液位控制閥開始開啟，再根據主控室在線實時流量指示（一級再熱器到6#高加疏水流量）微開再熱器疏水箱疏水管道總隔離閥對管道進行暖管，同時全關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關閉，過一、二分鐘再開啟該閥疏水至出水量較小時關閉，反復這樣操作直到下游管道放汽閥燙手后全關該疏水閥，同時根據管道的振動及聲音來判斷一級再熱器疏水箱疏水總隔離閥的開啟速率。以這種方式投運MSR一級再熱器疏水后沒有發生嚴重的水錘現象，但卻增加了機組的啟動時間，浪費人力，降低了電站的經濟性。

造成水錘現象的原因主要有以下幾點：1.機組并網后疏水首先排到凝汽器，在機組負荷15%滿功率后才轉而排向6#高壓加熱器。此時疏水溫度和壓力已經很高，溫度達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，暖管段不斷發生變化，隨著機組功率的提升，疏水溫度和壓力不斷升高，汽液兩相流也發生變化，影響也越來越大。3.液位控制閥受一級再熱器疏水箱液位控制，機組在很低負荷下的疏水量少，液位控制閥反復開、關，管道內液體受環境溫度及管道和管道內的水反復處于過冷狀態，只是過冷程度變小，導致下游管道暖管時間增加。4.液位控制閥距離6#高加之間管道長，而且液位控制閥比6#高加標高低11米左右，不利于暖管。

又如某核電站兩臺機組間的輔助蒸汽連通管道

某核電站兩臺機組輔助蒸汽集管之間設有一根連通管道，連通管道長約五、六十米，這段管道為倒U型管線布置。在這跟連通管道上設置一個手動連通閥，兩臺機組正常運行期間，輔助蒸汽連通閥處于長開狀態。某臺機組大/小修期間如果這臺機組沒有輔助蒸汽用戶，輔助蒸汽連通閥將處于長期關閉狀態，在連通閥至1#機組軸封系統管道內將會積聚大量過冷凝結水。在這臺機組檢修借宿啟動時，打開輔助蒸汽連通閥，運行機組的高溫高壓的高品質蒸汽進入輔助蒸汽連通管道，汽水迅速混合，產生凝結水誘導水錘，引起管道振動。另外，經過這樣的過程，供給到剛啟動機組的輔助蒸汽品質變差，還會導致這臺機組的軸封壓力控制不穩定，甚至會導致汽輪機潤滑油系統進水等非預期的工況。

在兩臺機組正常運行期間，在需要使用另一臺機組的輔助蒸汽時，也曾經發生過水錘現象。這主要是因為兩臺機組正常運行期間，輔助蒸汽的參數基本相同，輔助蒸汽管道內沒有蒸汽流動，由于受廠房環境溫度影響，這么長的管道內同樣會積聚一定量的冷凝水。另外值得關注的是，類似這么長的管線布置，即使在暖管充分的情況下，如果間隔一定時間不投入負荷，這段管道內蒸汽因管道受環境溫度影響而冷凝，管道內蒸汽品質大大下降，因此運行人員要特別關注，如果暖管時間過久后投入負荷前，需要重新進行暖管操作。

（2）機組正常運行期間的水錘

如蒸發器排污混合箱管線

某核電站蒸汽發生器排污混合管線長期存在強烈振動，并且頻繁造成相關設備損壞。蒸汽發生器排污，是通過一個混合器與海水冷卻系統混合冷卻后，再通過海水冷卻系統排放到大海中。其中海水冷卻系統設計流量為14.6L/s；蒸發器排污流量在1～6L/s。管道發生錘擊的主要原因在于蒸發器排污高溫水在經過排污箱液位控制閥節流后部分汽化，形成汽液兩相流，然后在與低溫的海水進行混合時，汽體迅速冷卻，從而形成水錘現象。

又如凝結水系統

某年11月，某核電站一臺機組二回路已經啟動了部分設備，為汽輪機首次沖轉做準備，突然現場有很大的響聲，很多管道振動劇烈且振動幅度很大。事件的發生主要是由于凝結水再循環閥的供氣管線脫落而失氣全開，引起負水錘效應。正常情況下負水錘的破壞力比正水錘小的多。此次負水錘效應如此嚴重主要有以下幾個原因：第一，凝結水泵出口到再循環管線入口管段有多處拐角，凝結水流量、流速突然增加對管道造成了很大的沖擊和拉伸；第二，最主要的是再循環閥設計通流量太大。再循環閥全開后，凝結水流量太大，在閥門前后產生很大的壓差導致嚴重的負水錘效應。

目前該核電站兩臺機組的凝結水再循環閥已經改造，由通流量是原閥門通流量1/2的新閥門所替換。改造后，另一臺機組曾發生過類似事件，該事件凝結水管道的負水錘效應遠比之前發生時的效應小的多，說明改造是成功的。

在此提請機組運行人員，在機組正常運行期間，系統突然發生水錘現象要首先關注控制類閥門的狀態是否正常。管道破口也可能引起負水錘效應。準確地判斷故障點，能為故障的處理爭取到寶貴的時間，同時能大大減少電站的經濟損失。

2 水錘原理

為了便于大家理解水錘和應對，下面對水錘原理進行簡單介紹。 由于蒸汽管線的排水不良、保溫的不完全、蒸汽供應的不平衡等原因，都會造成管路中有凝結水及水膜的生成。這些凝結水積聚在管路底部，會產生水錘現象；在電站正常運行期間，突然停電或者閥門關閉太快時，也會產生水錘現象。在水管內部，管內壁光滑，水流動自如，當打開的閥門突然關閉，水流對閥門及管壁，主要是閥門會產生一個壓力。由于管壁光滑，后續水流在慣性的作用下，迅速達到最大，并產生破壞作用，這就就是正水錘。相反，關閉的閥門在突然打開后，也會產生水錘，叫負水錘，也有一定的破壞力，但沒有前者大。在蒸汽系統中發生的水錘有兩種：蒸汽驅動水錘和凝結水誘導水錘。 蒸汽驅動水錘是凝結水上方快速流動的蒸汽導致水波的形成，蒸汽和水的相互作用，使水變成了一個個堅硬的水實體封住了管道，且以蒸汽的速度前進，會以很大的力撞擊管路內的障礙物和它所遇到的第一個拐角的管壁。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“凝結水誘導水錘” 。這是由于在一個完全充滿水的管子里產生或被壓入了一個汽泡，當汽泡被吸收了自身的熱量時，它就會坍塌，四周的水立即涌到了這里，會產生很大的壓強。由冷凝水誘導產生的超壓水錘，能夠比蒸汽驅動水錘大10到100倍。

3 電站運行中操作注意事項

運行操作人員要注意以下幾點：

（1）高壓蒸汽和過冷的凝結水相接觸就是一個不穩定的潛在的易爆混合物。

（2）不可以讓蒸汽進入充滿過冷凝結水的管道。如果你不能確認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）讓過冷的凝結水進入蒸汽充滿的管線要比讓蒸汽進入過冷的凝結水的管線還要危險。

（4）在實際操作中發生蒸汽進入過冷的凝結水管線時，要立即關閉入口蒸汽閥，然后將凝結水排空再慢慢暖管。如果是閥門內漏，要盡快處理缺陷。

4 改進建議

針對水錘原理和實際機組產生水錘的機理提出以下建議：

（1）針對較長且曾倒U型管線的蒸汽管道，盡早疏水和暖管，同時要保證暖管后及時投運；對于有大液位控制閥控制的此類管線，增加一個小的旁路閥，可以提前暖管，這樣既能消除水錘現象，又為機組啟動爭取時間。

（2）針對大控制閥誤開引起的負水錘問題，從系統及設計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，如可以則更換內徑小且滿足系統流量設計要求的控制閥。

（3）針對類似蒸汽發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，也不會對相關設備造成有影響的沖擊。

（4）針對在系統工況變化等容易產生凝結水的蒸汽管道，可以在合適的位置設置自動捕水裝置，確保不會有凝結水甚至過冷的凝結水在蒸汽管道內積聚。

5 結束語

通過對水錘現象的分析，提醒生產運行人員、設計人員關注水錘現象的產生原理和破壞力，為了保護設備，保護人員安全，需要認真分析反饋現場的水錘問題，采取必要的補救措施和設計改造，從而保證機組設備的安全穩定運行。

【參考文獻】

[1]汽輪機運行技術問答，中國電力出版社，華東電業管理局編，1997年.

[2]供熱工程，中國建筑工業出版社，哈爾濱建筑工程學院等，1985年.

[3]蒸發器排污系統設計手冊（某核電廠）T.M.S.2000年.