某核电机组湿蒸汽管道疏水系统改进设计研究

某核电机组湿蒸汽管道疏水系统改进设计研究

杨建军，宋庆国，刘银玲

中国核电工程有限公司河北分公司，河北 石家庄 050021

摘要：本文以某压水堆核电机组抽汽管道疏水系统疏水袋频繁高液位报警导致疏水管线振动、焊缝破裂及阀门故障为例，对湿蒸汽管道疏水系统设计改进措施进行了研究，经现场验证实施后，取得了预期效果。本文研究给出的湿蒸汽管道疏水系统设计4条原则及疏水系统改造经验反馈，可以为同行开展新电厂设计和现有电厂技术改造提供借鉴。

某百万等级压水堆核电机组从调试阶段开始，就发现了抽汽管道疏水系统存在问题。由于疏水袋频繁液位高报警，疏水系统的气动应急疏水阀AHP520VV动作频率为52s，ADG163VV动作频率高达47s。气动疏水阀过度频繁动作引发阀门填料漏水、膜片破裂、反馈杆断裂、气动杆断裂、电磁阀损毁、阀杆卡涩等诸多缺陷，如果阀杆卡死，紧急工况下无法实现全开功能，可能造成汽机进水。此外，由于启动疏水阀频繁动作，导致疏水阀下游管道发生振动，在机组换料大修时，对抽汽管道疏水系统的焊缝进行了排查，发现疏水管线存在焊缝开裂问题，且失效位置主要集中在疏水器下游弯头和三通处焊缝，判断为疏水管线疲劳失效共性问题。相关管线焊缝大量产生裂纹甚至开裂，威胁运行巡检人员安全。

为解决上述疏水袋液位高/高高报警及其带来的疏水阀频繁开启、疏水管线焊缝开裂问题，避免发生汽轮机进水现象，保证运行巡检人员安全，本文对抽汽管道的疏水系统设计进行了研究，提出了改造措施。上述疏水系统改造措施经验反馈，可以为同行开展新电厂设计和现有电厂技术该在提供借鉴。

1、原疏水系统设计

以7号高压加热器抽汽管道疏水为例，原疏水系统流程图如图1所示，疏水器采用倒置桶型疏水器，在疏水器旁路上设置了疏水阀，当疏水袋液位高时，通过联锁控制打开疏水阀排水，避免汽轮机进水事故的发生。疏水器前后管道规格为DN40，疏水管道布置时，疏水阀所在管线布置在主路，疏水器所在管线布置在辅路，且疏水器和疏水阀并联布置在凝汽器疏水扩容器附近。

图1 原疏水系统流程图       图2 改造后疏水系统流程图

2、系统运行存在问题分析

2.1 疏水器选型分析

原设计中，选择了倒置桶型疏水器。通过倒置桶型疏水器内部结构及其疏水原理可知，当疏水器内部水位高时，排水阀开启，疏水流出；当疏水液位下降时，疏水阀关闭。倒置桶型疏水器为间断疏水设备。由疏水袋图纸资料可知，疏水器前管线从疏水袋中部接出，当疏水器间断排水时，可能导致疏水器前管线内并非充满水，会有部分蒸汽进入疏水管线，随着疏水流入疏水器内部，如果这部分蒸汽不能及时排除，会在疏水器内集聚导致疏水器上游存在气阻，影响疏水及时排出。为解决此问题，拟采用连续疏水的杠杆浮球式疏水器，避免疏水器上游管线进入蒸汽产生气阻，保证疏水及时连续排出。

经核实，原设计确定疏水器排量时，安全系数选择在1～1.5之间（如表1所示），如果疏水器下游的背压发生变化，会导致疏水器排量与设计值相比发生变差，因此，会频繁发生疏水不畅现象，疏水袋液位高报警进而打开疏水旁路阀。

根据《蒸汽供热系统凝结水回收及蒸汽疏水阀技术管理要求》（GB/T 12712-91），疏水量确定时建议按照抽汽管道湿度的10%析出为凝结水进行考虑，并乘以3倍的安全系数。

表1 原设计疏水器相关参数数据

2.2 疏水系统设计分析

原设计中，疏水器上下游管道规格为DN40，经核实，疏水阀下游管道介质流速在110m/s-120m/s范围内，流速最大的一根管道内为150m/s。两相流介质设计流速过大，可能带来管道振动、疏水不畅等问题，根据《火力发电厂汽轮机防进水和冷蒸汽导则》（DL/T834-2003）及《核电厂常规岛汽水管道设计技术规范》（NB/T 20193-2012）关于管道疏水的最小管道规格及加热器疏水阀下游管道流速的推荐范围，对疏水器上下游管道规格进行了调整，控制疏水器上游饱和水流速小于2m/s，下游两相流介质的流速小于80m/s，疏水器上游管道规格调整为DN50，疏水器上游管道规格调整为DN80，加大了疏水器下游疏水管道壁厚。

此外，为避免疏水器后管道内介质流速过高导致管道振动，在疏水器下游靠近凝汽器的位置设置了节流孔板，降低疏水气化率，减少管道振动的激振源。

2.3 疏水管道布置分析

原设计中，疏水器及疏水阀并联靠近凝汽器布置，疏水器所在管线布置在支路，疏水阀布置在主路，疏水管道应顺着流向放坡，管道坡度为0.5%。

经与疏水器厂家沟通讨论，结合《蒸汽疏水阀的设置》（HGT20570.21-1995）中关于疏水器前管道放坡的规定及《核电厂常规岛汽水管道设计技术规范》（NB/T 20193-2012）中关于汽轮机本体疏水管道放坡的规定，为避免疏水器前管道蒸汽聚积产生气阻，建议疏水器靠近抽汽管道布置，且疏水器上游管道坡度增大至4%，下游管道坡度增大至2%，在疏水器下游管线设置限位或固定支架，避免管线刚度不足导致疏水阀开启时引起振动。

根据《火力发电厂汽水管道设计规范》（DL/T5054-2016），管道布置不宜使介质的主流在三通内变换方向，将疏水器所在管线布置在主路，疏水阀布置在辅路，将节流孔板靠近凝汽器疏水扩容器布置。

3、改造措施

综上所述，为避免疏水系统因疏水不畅导致疏水袋液位高，进而频繁打开气动疏水阀引起管道振动、焊缝开裂和汽轮机进水等一系列风险，提出如下改进措施：

（1）疏水器选型方面：选择浮球式疏水器，确定疏水量时，考虑3倍的安全系数；

（2）系统拟定方面：增大疏水器上下游管道规格，控制疏水器上游饱和水流速小于2m/s，下游两相流介质的流速小于80m/s；疏水器下游管道规格比进口至少大一个等级，疏水器下游采用厚壁管；为避免疏水器和疏水阀同时打开时互相影响，将疏水器和疏水阀下游管道分别接至凝汽器附近的疏水集管；

（3）管线布置方面：疏水器和疏水阀靠近抽汽管道布置，靠近凝汽器的管线上设置节流孔板；疏水器所在管线布置在主路，疏水阀布置在辅路；疏水器上游管道坡度增大至0.04，下游管道坡度增大至0.02，在疏水器下游管线设置限位或固定支架，避免管线刚度不足导致疏水阀开启时引起振动。

（4）设计院在设计时，针对DN50及以上规格的疏水管道开展应力计算，确保一次应力和二次应力满足要求，并根据应力计算情况出版管道和支吊架安装图，避免施工单位现场根据经验安装的不确定性。

根据上述研究结果修改后的疏水系统图如图2所示，现场利用机组换料大修周期的窗口开展了疏水系统改造工作，取得了预期效果。上述疏水系统改造措施经验反馈，可以为同行开展新电厂设计和现有电厂技术改造提供借鉴。

参考文献

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