孙伟生
【摘 要】本文分析某核电厂常规岛系统管道发生过的水锤现象，对常见的水锤现象进行了实际分析，为了消除水锤产生或限制水锤后果，提出改进建议。
【关键词】水锤；振动
中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 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
常规岛的许多蒸汽系统及相关管道如两台机组辅助蒸汽连通管道、蒸汽发生器排污系统、凝结水系统、汽水分离再热器疏水系统等已发生过多起或大或小的水锤现象。还有些管道由于支架设计及管线的布局不合理等原因而引起管道的振动。这些水锤现象有的击坏管线及其相关设备；有的使管线振动且发出很大的响声，造成许多破坏性的缺陷。按其发生的时期，可分为两大类：第一类发生在机组启动的时候；第二类发生在机组正常运行的时候。
1 水锤实例
（1）机组冷态启动时的水锤
如汽水分离再热系统一级再热器到6#高加的疏水管线
在机组并网投运汽水分离再热系统时，一级再热器疏水箱的疏水管线振动严重并发出很响的锤击声，也引发相连的管道振动，由于疏水管线很长，导致汽轮机厂房多个房间有很大的锤击声，并多次造成墙体结构及相邻管线的损坏。同时对厂房工作人员产生很大的心里压力，尤其是不清楚原由的工作人员，产生恐惧。从现场实际管线走向布置上来讲这根管线有一段七、八米长的水平管道且标高最低，两侧为垂直管道，垂直管道一侧垂直高度约12米，另一侧垂直高度约5米。
当机组停运后，这段管道内聚积一些过冷的疏水。当液位控制阀有小的开度时，上游高温、高压的饱和水突然降温、降压发生闪蒸，蒸汽遇到下游的过冷水迅速冷凝，引发冷凝水诱导水锤。即使在投运前将管道的过冷水疏净，同样也会发生水锤，主要原因是管道处于过冷状态且管线太长。在后来的操作中采用在机组并网后先打开液位控制阀前疏水阀对上游管道进行疏水暖管，同时全开液位控制阀下游疏水阀，疏水结束后关闭疏水箱疏水管道总隔离阀。待机组负荷到15%满功率时液位控制阀开始开启，再根据主控室在线实时流量指示（一级再热器到6#高加疏水流量）微开再热器疏水箱疏水管道总隔离阀对管道进行暖管，同时全关液位控制阀上游管道疏水阀。液位控制阀下游管道疏水阀出水量很小时关闭，过一、二分钟再开启该阀疏水至出水量较小时关闭，反复这样操作直到下游管道放汽阀烫手后全关该疏水阀，同时根据管道的振动及声音来判断一级再热器疏水箱疏水总隔离阀的开启速率。以这种方式投运MSR一级再热器疏水后没有发生严重的水锤现象，但却增加了机组的启动时间，浪费人力，降低了电站的经济性。
造成水锤现象的原因主要有以下几点：1.机组并网后疏水首先排到凝汽器，在机组负荷15%满功率后才转而排向6#高压加热器。此时疏水温度和压力已经很高，温度达140多度，压力约320多千帕，而疏水管线过冷。2.液位控制阀的截流和下游管道的过冷水及低压导致疏水闪蒸而形成汽液两相流，液位控制阀下游管道垂直高度十几米，暖管段不断发生变化，随着机组功率的提升，疏水温度和压力不断升高，汽液两相流也发生变化，影响也越来越大。3.液位控制阀受一级再热器疏水箱液位控制，机组在很低负荷下的疏水量少，液位控制阀反复开、关，管道内液体受环境温度及管道和管道内的水反复处于过冷状态，只是过冷程度变小，导致下游管道暖管时间增加。4.液位控制阀距离6#高加之间管道长，而且液位控制阀比6#高加标高低11米左右，不利于暖管。
又如某核电站两台机组间的辅助蒸汽连通管道
某核电站两台机组辅助蒸汽集管之间设有一根连通管道，连通管道长约五、六十米，这段管道为倒U型管线布置。在这跟连通管道上设置一个手动连通阀，两台机组正常运行期间，辅助蒸汽连通阀处于长开状态。某台机组大/小修期间如果这台机组没有辅助蒸汽用户，辅助蒸汽连通阀将处于长期关闭状态，在连通阀至1#机组轴封系统管道内将会积聚大量过冷凝结水。在这台机组检修借宿启动时，打开辅助蒸汽连通阀，运行机组的高温高压的高品质蒸汽进入辅助蒸汽连通管道，汽水迅速混合，产生凝结水诱导水锤，引起管道振动。另外，经过这样的过程，供给到刚启动机组的辅助蒸汽品质变差，还会导致这台机组的轴封压力控制不稳定，甚至会导致汽轮机润滑油系统进水等非预期的工况。
在两台机组正常运行期间，在需要使用另一台机组的辅助蒸汽时，也曾经发生过水锤现象。这主要是因为两台机组正常运行期间，辅助蒸汽的参数基本相同，辅助蒸汽管道内没有蒸汽流动，由于受厂房环境温度影响，这幺长的管道内同样会积聚一定量的冷凝水。另外值得关注的是，类似这幺长的管线布置，即使在暖管充分的情况下，如果间隔一定时间不投入负荷，这段管道内蒸汽因管道受环境温度影响而冷凝，管道内蒸汽品质大大下降，因此运行人员要特别关注，如果暖管时间过久后投入负荷前，需要重新进行暖管操作。
（2）机组正常运行期间的水锤
如蒸发器排污混合箱管线
某核电站蒸汽发生器排污混合管线长期存在强烈振动，并且频繁造成相关设备损坏。蒸汽发生器排污，是通过一个混合器与海水冷却系统混合冷却后，再通过海水冷却系统排放到大海中。其中海水冷却系统设计流量为14.6L/s；蒸发器排污流量在1～6L/s。管道发生锤击的主要原因在于蒸发器排污高温水在经过排污箱液位控制阀节流后部分汽化，形成汽液两相流，然后在与低温的海水进行混合时，汽体迅速冷却，从而形成水锤现象。
又如凝结水系统
某年11月，某核电站一台机组二回路已经启动了部分设备，为汽轮机首次冲转做准备，突然现场有很大的响声，很多管道振动剧烈且振动幅度很大。事件的发生主要是由于凝结水再循环阀的供气管线脱落而失气全开，引起负水锤效应。正常情况下负水锤的破坏力比正水锤小的多。此次负水锤效应如此严重主要有以下几个原因：第一，凝结水泵出口到再循环管线入口管段有多处拐角，凝结水流量、流速突然增加对管道造成了很大的冲击和拉伸；第二，最主要的是再循环阀设计通流量太大。再循环阀全开后，凝结水流量太大，在阀门前后产生很大的压差导致严重的负水锤效应。
目前该核电站两台机组的凝结水再循环阀已经改造，由通流量是原阀门通流量1/2的新阀门所替换。改造后，另一台机组曾发生过类似事件，该事件凝结水管道的负水锤效应远比之前发生时的效应小的多，说明改造是成功的。
在此提请机组运行人员，在机组正常运行期间，系统突然发生水锤现象要首先关注控制类阀门的状态是否正常。管道破口也可能引起负水锤效应。准确地判断故障点，能为故障的处理争取到宝贵的时间，同时能大大减少电站的经济损失。
2 水锤原理
为了便于大家理解水锤和应对，下面对水锤原理进行简单介绍。 由于蒸汽管线的排水不良、保温的不完全、蒸汽供应的不平衡等原因，都会造成管路中有凝结水及水膜的生成。这些凝结水积聚在管路底部，会产生水锤现象；在电站正常运行期间，突然停电或者阀门关闭太快时，也会产生水锤现象。在水管内部，管内壁光滑，水流动自如，当打开的阀门突然关闭，水流对阀门及管壁，主要是阀门会产生一个压力。由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用，这就就是正水锤。相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，也有一定的破坏力，但没有前者大。在蒸汽系统中发生的水锤有两种：蒸汽驱动水锤和凝结水诱导水锤。 蒸汽驱动水锤是凝结水上方快速流动的蒸汽导致水波的形成，蒸汽和水的相互作用，使水变成了一个个坚硬的水实体封住了管道，且以蒸汽的速度前进，会以很大的力撞击管路内的障碍物和它所遇到的第一个拐角的管壁。就像用锤子锤打一样。蒸汽空泡溃灭水锤在某些情况下也叫做“凝结水诱导水锤” 。这是由于在一个完全充满水的管子里产生或被压入了一个汽泡，当汽泡被吸收了自身的热量时，它就会坍塌，四周的水立即涌到了这里，会产生很大的压强。由冷凝水诱导产生的超压水锤，能够比蒸汽驱动水锤大10到100倍。
3 电站运行中操作注意事项
运行操作人员要注意以下几点：
（1）高压蒸汽和过冷的凝结水相接触就是一个不稳定的潜在的易爆混合物。
（2）不可以让蒸汽进入充满过冷凝结水的管道。如果你不能确认管线中的冷凝水被完全的排空，那幺在操作中一定要缓慢。
（3）让过冷的凝结水进入蒸汽充满的管线要比让蒸汽进入过冷的凝结水的管线还要危险。
（4）在实际操作中发生蒸汽进入过冷的凝结水管线时，要立即关闭入口蒸汽阀，然后将凝结水排空再慢慢暖管。如果是阀门内漏，要尽快处理缺陷。
4 改进建议
针对水锤原理和实际机组产生水锤的机理提出以下建议：
（1）针对较长且曾倒U型管线的蒸汽管道，尽早疏水和暖管，同时要保证暖管后及时投运；对于有大液位控制阀控制的此类管线，增加一个小的旁路阀，可以提前暖管，这样既能消除水锤现象，又为机组启动争取时间。
（2）针对大控制阀误开引起的负水锤问题，从系统及设计上分析控制阀的通流流量是否过大，是否可以减小通流流量，如可以则更换内径小且满足系统流量设计要求的控制阀。
（3）针对类似蒸汽发生器排污管线水锤问题，建议将此类排水管线连接到比较大混合器，且流量也非常大，即热容量很大。这样既可以保证足够的冷却，也不会对相关设备造成有影响的冲击。
（4）针对在系统工况变化等容易产生凝结水的蒸汽管道，可以在合适的位置设置自动捕水装置，确保不会有凝结水甚至过冷的凝结水在蒸汽管道内积聚。
5 结束语
通过对水锤现象的分析，提醒生产运行人员、设计人员关注水锤现象的产生原理和破坏力，为了保护设备，保护人员安全，需要认真分析反馈现场的水锤问题，采取必要的补救措施和设计改造，从而保证机组设备的安全稳定运行。
【参考文献】
[1]汽轮机运行技术问答，中国电力出版社，华东电业管理局编，1997年.
[2]供热工程，中国建筑工业出版社，哈尔滨建筑工程学院等，1985年.
[3]蒸发器排污系统设计手册（某核电厂）T.M.S.2000年.
