虹吸原理在秦山第二核電廠的應(yīng)用分析

樊鵬飛　何國軍

【摘 要】本文介紹了流體力學(xué)中虹吸原理的基本現(xiàn)象和產(chǎn)生的必要條件，核電廠設(shè)計中應(yīng)用了虹吸原理的重要虹吸管線功能，并對核電廠實際運行中因忽略了虹吸而引發(fā)的實際異常案例進(jìn)行了分析總結(jié)，提出了避免虹吸事件的應(yīng)對措施。

【關(guān)鍵詞】虹吸原理；倒流；破壞虹吸；案例

0 引言

核電廠中一回路反應(yīng)堆熱量導(dǎo)出，二回路汽輪發(fā)電機汽水循環(huán)，三回路對凝汽器冷卻及排水，三個回路均涉及了大量液態(tài)流體的傳輸與儲存，電廠中存在著眾多流體管線和液體儲存水箱。因此流體系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生的虹吸現(xiàn)象就成為了核電廠運行中必然要面對的問題。虹吸管線及虹吸現(xiàn)象廣泛存在于核電站日常運行之中，如何充分利用虹吸現(xiàn)象帶來的益處以及避免由于虹吸而產(chǎn)生的事故就成為了核電運行重要課題和技術(shù)問題。

1 虹吸原理介紹

虹吸現(xiàn)象是指液體通過管道從液位高的一端經(jīng)過高出液面的管道自動（靜壓差）流向液位低的另一端，所用管道叫虹吸管。為了形象的說明虹吸原理，下面以最簡單的虹吸情況作為說明。如下圖1所示，A容器水位較高，B容器水位較低，一充滿水的皮管，同時分別放入A、B容器內(nèi)并浸沒水中，保持皮管中是充滿水的狀態(tài)，當(dāng)松開兩端時就會看到容器A中的水在沒有外加條件的情況下自動向容器B中流，直至兩容器液位平齊。

虹吸現(xiàn)象是液態(tài)分子間引力與位能差所造成的，即利用水柱壓力差，使水上升后再流到低處。根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，加在密閉容器里液體上的壓強，處處都相等。虹吸管里灌滿水，沒有氣，來水端水位高，封閉出水口，管內(nèi)處處等壓。打開出水口時，雖然兩邊的大氣壓相等，但虹吸管的最高點到低液面的液體借助于重力往下流動，在吸管最高點處形成一定的真空，即較高液面到吸管最高處液體兩端產(chǎn)生壓力差，該壓差克服該段水流重力使水柱被向上提吸，在壓差作用下形成連續(xù)水流。

虹吸作用并不完全是由大氣壓力所產(chǎn)生的，在真空里也能產(chǎn)生虹吸。此時使液體向上升的力是液體間分子的內(nèi)聚力。只是在工業(yè)中的虹吸現(xiàn)象普遍是在氣壓作用下產(chǎn)生的，這種氣壓作用下的虹吸是本文討論要點。在虹吸原理示意圖中，以截面1所在高度為參考截面，以截面1和截面3為對象，因高位水池的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于虹吸管截面，V1近似為零，根據(jù)伯努利方程有：

根據(jù)上面的公式得出虹吸關(guān)鍵是從截面1到截面2的壓力差使水流越過最高點。因此虹吸管道的最高點距離上容器的水面距離必須小于大氣壓支持的最高水柱即hmax，理論值為10米。虹吸管最高點處的真空越高，流速越快，同時最高處的壓強須小于液體溫度下的飽和壓強，否則液體會汽化，破壞了真空無法形成虹吸。一般大氣環(huán)境中，虹吸管道的吸水高度（最高點到較高液面的高度）不超過8.5米。通過上面的分析得出產(chǎn)生虹吸的三個基本條件：

1）虹吸管道必須充滿水；

2）虹吸管最高點距高位容器的水面高度必須小于大氣壓支持的水柱高度；

3）虹吸管出水口高度必須低于高位容器的水面高度，保證出水口液面向下壓強大于向上的大氣壓。

2 核電廠中應(yīng)用虹吸原理的重要管線

2.1 海水循環(huán)水系統(tǒng)（CRF）中凝汽器排水虹吸管線、虹吸破壞閥

循環(huán)水泵的作用是給循環(huán)水升壓使循環(huán)水能克服管道的阻力和高差，形成穩(wěn)定的流動狀態(tài)。此高差就是循環(huán)水系統(tǒng)的幾何供水高程，即泵房進(jìn)水水面與循環(huán)水系統(tǒng)最高處（凝汽器水室頂）的高度差。虹吸井結(jié)構(gòu)如一個帶隔墻的水池，水通過管道從池底進(jìn)入到水池，翻過隔墻溢流到出水池，如不設(shè)虹吸井，必須使凝汽器水室壓強要大于零才能使系統(tǒng)中循環(huán)水流動。設(shè)置虹吸井后，利用虹吸作用使凝汽器水室處于負(fù)壓狀態(tài)持續(xù)流動，降低了的幾何供水高程，從而使循環(huán)水泵揚程降低，節(jié)約電耗。即保持循環(huán)水出水管中負(fù)壓，利用水流形成的適當(dāng)真空，利用虹吸原理重力排水，減少廠用電的消耗。

循環(huán)水系統(tǒng)（CRF）通過真空破壞閥即破壞虹吸斷流，優(yōu)點是斷流可靠。每條循環(huán)水回路裝有三個虹吸破壞閥，通過公用集管與回路出口水室最高點連接，閥門是先導(dǎo)電磁閥控制的氣動隔膜閥，開啟時間小于0.4秒。CRF泵停運時，自動聯(lián)鎖打開虹吸破壞閥，大氣進(jìn)入管道破，管內(nèi)壓力等與大氣等壓，破壞真空即虹吸，在重力作用下，水流分別流向進(jìn)口和出口水段，達(dá)到迅速切斷水流，防止出口段水流倒灌的目的。

2.2 發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)（GST）虹吸破壞管線

發(fā)電機與定子冷卻水箱存在10m位差，突然斷水時，發(fā)電機出口段管道的水在重力作用下繼續(xù)流動，使定子線棒內(nèi)形成真空，發(fā)電機定子線棒內(nèi)的水迅速被拉空，將發(fā)電機斷水事故擴大化。為避免此虹吸事故，設(shè)計上采取措施破壞虹吸。發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)（GST）在定冷水箱與發(fā)電機進(jìn)出水環(huán)管之間設(shè)置防虹吸管，即發(fā)電機定子冷水進(jìn)出水環(huán)管最高點與定冷水箱上部氣空間通過小口徑管路聯(lián)通；使進(jìn)出水管頂部與定冷水箱氣壓一致，防止發(fā)電機斷水時定子線棒內(nèi)的冷水倒流至定冷水箱。

該虹吸管線的設(shè)計使得在定冷水中斷、泵停止的情況下，定子線圈中的水不會被會快速抽回定冷水箱，從而保證定子線圈內(nèi)始終處于滿水狀態(tài)，避免定子線棒、繞組及相關(guān)水冷部件的超溫?fù)p壞。GST虹吸破壞管道的另一個重要作用是能夠排出定子冷卻水中的頂部積氣，避免積累氣影響導(dǎo)熱。

2.3 乏燃料冷卻系統(tǒng)（PTR）乏燃料水池虹吸破壞管線

乏燃料冷卻系統(tǒng)（PTR）主要作用對貯存乏燃料進(jìn)行持續(xù)冷卻，只要儲存有乏燃料，乏池必須滿水且不能排空，確保對乏燃料的冷卻。因此池底沒有任何可排水的管道，為了防止浸在水池水面下管道的池外部分發(fā)生破裂所產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象導(dǎo)致乏燃料池意外排空，設(shè)計上在浸入水池管道均設(shè)有防止虹吸的破壞管，僅深水水面以下10cm，不會擾動水面和影響能見度。當(dāng)跑水時，水位降低10cm時虹吸破壞管管口露出水面，空氣通過破壞管進(jìn)入主管段破壞虹吸，切斷虹吸跑水，保證乏燃料水池水裝量和冷卻。

3 核電廠虹吸導(dǎo)致的異常實例分析

虹吸現(xiàn)象在流體管道系統(tǒng)是一個常見的現(xiàn)象，在電廠生產(chǎn)運行過程中，卻因忽略虹吸現(xiàn)象而導(dǎo)致異常事件，不僅增加了運行人員工作量，也給電廠造成一定的經(jīng)濟損失。以下是生產(chǎn)中出現(xiàn)的虹吸實際案例分析。

3.1 輔助蒸汽（SVA）冷凝水箱到凝汽器的排水管線水封工作異常

汽輪機的凝汽器接收了相關(guān)子系統(tǒng)的疏水回收，為了保持凝汽器的真空度及連接管道的存水不被異常抽干排空，部分管線在進(jìn)入凝汽器前專門設(shè)計了倒U型水封管段。倒U型管段設(shè)計時高度已經(jīng)考慮到兩側(cè)壓差及可能的虹吸現(xiàn)象。如蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)（APG）在停用期間中高于大氣壓力，水封的高差達(dá)12m以上，考慮到凝汽器真空狀態(tài)運行時APG隔離，實際水封高度達(dá)到了 26.85m；汽機軸封系統(tǒng)冷凝水返回凝汽器管線，其U型水封管高度確保不影響凝汽器真空。

輔助蒸汽系統(tǒng)的冷凝貯存箱（8SVA001BA）和排水泵（8SVA001/002PO）位于核輔助廠房NB280房間0m層，貯存箱收集SVA、TEP、TEU系統(tǒng)的輔助蒸汽冷凝水，通過倒U 型水封排向凝汽器。運行中多次發(fā)生8SVA001BA水位偏低的異常情況，需要人工向貯存箱補充水。經(jīng)過長時間的分析排查，查明了原因為U型管的高度過低導(dǎo)致虹吸。凝汽器負(fù)壓，每次在排水泵自動停運之后會出現(xiàn)虹吸，將001BA中水吸入凝汽器，導(dǎo)致水箱液位下降。通過技改提高倒U型水封5m，從17m改為22m，保證水封避免虹吸效應(yīng)。

3.2 安全殼噴淋系統(tǒng)（EAS）氫氧化鈉管線虹吸跑堿

在執(zhí)行PT RPA030定期試驗過程中（安噴泵EAS001PO運行，閥門EAS145VR開啟），若隔離閥EAS125VR內(nèi)漏，會使氫氧化鈉貯存罐EAS001BA的堿進(jìn)入到安噴管線中，導(dǎo)致?lián)Q料水箱（PTR001BA）中硼水鈉離子超標(biāo)。因此擴建機組設(shè)計時在EAS125VR上游增加了手動閥門EAS909VR，并在EAS001BA到EAS125VR的水平高位母管上增加虹吸破壞管和閥門。根據(jù)運行實踐，設(shè)計上對防止虹吸的考慮還不充分：在一次大修過程中，為了檢修NaOH儲罐循環(huán)泵，執(zhí)行泵本體的隔離和排空操作時，因為忽略了一根26.7mm的流量計管線造成虹吸，使得在疏排堿液時，殘夜始終無法排盡；經(jīng)現(xiàn)場檢查分析確定流量計管線產(chǎn)生虹吸將儲罐內(nèi)的堿液連續(xù)排放。

3.3 安全廠用水系統(tǒng)（SEC）疏水無法排盡

安全廠用水系統(tǒng)（SEC）在大修時SEC/RRI板式熱交換器隔離、排空解體檢修。機組安全廠用水SEC正常排水是通過各自的溢流井翻越溢流堰之后流向公用的跌落井的，兩臺機組的溢流井之間設(shè)有聯(lián)通管道。正常一臺機組大修時，另一臺處于功率運行狀態(tài)，因此溢流井內(nèi)在大修時也是滿水的。在大修時隔離疏水時曾出現(xiàn)過熱交換器疏水不盡，水量原大于設(shè)備容積，經(jīng)現(xiàn)場檢查分析確定為熱交換器排水管線將溢流井中的水虹吸至位置較低的熱交換器疏水閥處。通過技術(shù)改造在熱交換器管道高點增加排氣閥，隔離時開啟通大氣破壞虹吸。

4 虹吸事件的應(yīng)對策略

為了解決諸多的虹吸陷阱，避免引發(fā)異常運行工況，分析總結(jié)了核電廠實際運行中的實例，從以下幾個方面來應(yīng)對電廠系統(tǒng)中的虹吸問題。

4.1 確保已有虹吸管線功能正常實現(xiàn)

4.1.1 做好投運前的準(zhǔn)備工作

對于海水循環(huán)系統(tǒng)（CRF），在系統(tǒng)啟動前，虹吸破壞閥前的手動截止閥必須提前手動開啟，虹吸破壞閥應(yīng)該保持關(guān)閉狀態(tài)，而且閥門的開、關(guān)邏輯、動作時間必須進(jìn)行試驗驗證。定子冷卻水系統(tǒng)（GST）虹吸破壞管線上手動閥在線階段要提前開啟，并確認(rèn)該管線無堵塞的情況。對于CET軸封加熱器冷凝水回流水封管道，須提前充注一定液位的水量，已避免影響凝汽器真空。通過啟動文件優(yōu)化保證設(shè)計的功能實現(xiàn)。

4.1.2 做好事故預(yù)案處理突發(fā)事件

循環(huán)水泵CRF停運時，在虹吸破壞閥處安排現(xiàn)場操作員，如果虹吸破壞閥未按照預(yù)先設(shè)定邏輯開啟，立即手動開啟虹吸破壞閥。并做好閥門卡死時，虹吸未及時破壞，出現(xiàn)海水倒灌時應(yīng)對預(yù)案；乏池冷卻系統(tǒng) PTR管道破口出現(xiàn)虹吸后，流失至少10cm高度的水量對于乏池的冷卻及放射性屏蔽影響大小，如何隔離漏點、實施應(yīng)急補水，都應(yīng)體現(xiàn)在應(yīng)急預(yù)案中（事故處理規(guī)程），也需要運行人員對虹吸原理有充分的理解。

4.2 對設(shè)計中未考慮虹吸的管線應(yīng)對措施

4.2.1 加強對水箱液位、管線流量等參數(shù)監(jiān)測

意外虹吸的產(chǎn)生必然引起相關(guān)物理參數(shù)的改變，虹吸的典型現(xiàn)象是停泵后依然有持續(xù)的水流量、流量計依然有讀數(shù)、排水側(cè)有持續(xù)水流注入，導(dǎo)致的液位繼續(xù)上漲或下降，液位參數(shù)同向變化。反向意外虹吸時，虹吸管道中流向相反，流量計反轉(zhuǎn)或工作異常，兩側(cè)水箱液位變化趨勢異常，甚至反向變化。虹吸會導(dǎo)致流量計，壓力表等參數(shù)變化，只要對這些參數(shù)給予足夠的重視，就能在第一時間發(fā)現(xiàn)異常虹吸。

對于流體系統(tǒng)進(jìn)行過大的在線改動后，或者對于執(zhí)行頻率很低的操作，及實際管線布置與流程圖不符，實際閥門管線高差、位置圖紙上體現(xiàn)不出來的時候，出現(xiàn)異常跑水時，虹吸是分析問題的一個重要角度。

4.2.2 巧用臨時措施

正如上文中安全廠用水系統(tǒng)SEC隔離疏水出現(xiàn)虹吸的案例，核電廠中有大量的需要疏排水的工作。如何避免意外的虹吸，既要把水排空，又不能出現(xiàn)串水多排放水，實際生產(chǎn)中通過一些臨時措施應(yīng)對。例如：拆卸儀表接頭、拆裝臨時堵頭來連通大氣破壞虹吸，部分管線也可以采用虹吸管兩側(cè)分段疏水來減小虹吸發(fā)生的概率，部分管道實現(xiàn)壓空加壓吹掃排水。根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取合理科學(xué)的臨時措施可以有效避免意外虹吸。

4.3 通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計從根源杜絕事故隱患

4.3.1 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計完善系統(tǒng)功能

以上文中提到的輔助蒸汽貯存箱SVA001BA案例的實際解決方法說明，虹吸導(dǎo)致水箱不斷補水，浪費了大量除鹽除氧水，破壞了二回路的汽水平衡，增加了人員的工作量，有經(jīng)濟也有人力的損失。SVA水封管線的總高度為17米，凝汽器位于-7米，水箱位于0米。所以如果從水箱水位開始計算到水封（位置在常規(guī)島）最高處只有9米的高差，處在破壞虹吸的理論位置（虹吸管最大真空高度一般不超過8.5m），設(shè)計上還需考慮水溫高，密度小，且下游凝汽器負(fù)壓，對水封高度的影響，根據(jù)現(xiàn)場實際通過技改增加水封高度（倒U型管）增加到13-14米，大概增加5米，確保水封有效，避免虹吸。

對于系統(tǒng)疏水管線發(fā)生的一類虹吸、倒流事故，在管線的高點設(shè)置對空的排氣閥，使虹吸管的頂部高點氣壓升高到大氣壓從而使兩端水流分別流向兩端，是終止虹吸連續(xù)水流最直接有效的方法。

4.3.2 應(yīng)用新的方法和設(shè)備解決問題

對于主要預(yù)防虹吸產(chǎn)生的流體反向倒流的工藝系統(tǒng)，安裝逆止閥是最為簡單實用的解決方法。逆止閥只允許液流正向流動，可以有效抑制虹吸產(chǎn)生的倒流。單逆止閥應(yīng)用卻受到了限制，例如SVA水箱虹吸現(xiàn)象，虹吸流向與正常排水方向一致，因此就不能采用；逆止閥的安全性、可靠性較差，一旦閥瓣或密封件損壞，完全失去防止倒流的作用。

倒流防止器作為預(yù)防倒流，抑制反向虹吸水流的有效裝置之一，由兩個止回閥和安全泄水閥組合而成的閥門裝置，具有結(jié)構(gòu)合理、零件不易磨損、安全可靠，維修周期長的特點。

圖8

如上圖所示，正常運行時進(jìn)口壓力大于閥腔壓力，泄水閥關(guān)閉；當(dāng)逆止閥失效出現(xiàn)逆流時，閥腔壓力大于進(jìn)口管道壓力，泄水閥打開，泄水閥與大氣連通空氣進(jìn)入，虹吸終止。如果乏池冷卻系統(tǒng)（PTR）應(yīng)用倒流防止解決虹吸問題，能夠避免原設(shè)計中10厘米高度的水量流失及對水面的擾動，前提是倒流器的可靠性必須高。

5 總結(jié)

虹吸原理是流體工藝系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛、常見的物理現(xiàn)象，正因為其簡單、常見，容易被忽略，造成工藝系統(tǒng)運行異常，對電廠運行穩(wěn)定性、經(jīng)濟性都有影響。本文通過對核電廠利用虹吸原理的重要系統(tǒng)、管線和由虹吸引發(fā)的實際異常案例進(jìn)行了分析總結(jié)，提出了優(yōu)化設(shè)計、完善規(guī)程，做好預(yù)案等針對性措施減少虹吸事件。

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[責(zé)任編輯：曹明明]