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摘要：分析了压水堆核电厂主蒸汽管道疏水设计不当造成的危害，结合美国针对轻水堆核电厂制定的国家标准《防止水对发电用汽轮机造成损失的导则》（ANSI/ASME TDP-2-1985）及轻水堆用户要求文件，分析了主蒸汽管道疏水设计的注意事项，继而对管道疏水量进行分析计算，并给出了工程应用实例。
关键词：压水堆核电厂；主蒸汽管道；疏水设计
作者简介：胡娜（1984-），女，山东临沂人，国核电力规划设计研究院，助理工程师。（北京 100094）
中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）24-0136-02
作为重大恶性事故之一，电厂汽轮机发生大轴弯曲事故时有发生。有数据表明，70%的弯曲事故是在热态启动时发生的，而究其原因，大多与疏水系统的设计和操作不合理密切相关。现代发电厂单机容量的增大和主系统的单元化，滑参数快速启停普遍化，对实现疏水系统的自动化水平要求也越来越高，因而对电厂疏水系统的设计提出了特殊的要求。疏水系统设计得好坏直接影响到机组的安全运行，它已成为设计中不得不慎重考虑的一个重要方面。与常规电厂相比，压水堆核电厂容量大、参数低，主蒸汽为含有一定湿度的湿蒸汽，对主蒸汽管道疏水进行合理设计显得更加重要。
一、主蒸汽管道疏水设计不当的危害
电力生产过程中，无论输送管道的保温多么有效，也会有少量热量散失，因而会有相应的凝结水产生。压水堆核电厂采用湿蒸汽作为传热介质，对于湿蒸汽管道，经常疏水量除应考虑管道散热而引起的疏水，还应考虑湿蒸汽本身所含水分引起的疏水量。这两方面的凝结水要么沉积在管道底部与蒸汽一起移动，要么被蒸汽夹带着快速前进，从而产生以下危害。
（1）凝结水快速运动时，当遇到弯头、阀体等管件时，会产生撞击，即所谓的水锤现象。水锤产生的动量很大，轻则使管件疲劳以致产生漏水，并有噪声污染；重则使管件破裂、阀体损坏。当蒸汽夹带凝结水流过阀件时，有可能将阀体击坏，这已成为阀门损坏的主要原因之一。
（2）若疏水不能畅快排出或疏水控制不当，有可能使水经主蒸汽管道进入汽轮机，造成高温下的金属部件产生很大的热应力和热变形，致使汽轮机由于胀缩不均匀而发生强烈震动。而过大的热应力和热变形将使汽缸产生裂纹、引起汽缸结合面漏汽、大轴弯曲、胀差负值过大，以及汽轮机动静部分发生严重磨损等事故。
有效将蒸汽管道中产生的疏水排净，可以消除上述危害，提高用汽品质，保护汽轮机重要部件，延长阀门及管件的使用寿命。以下对合理设计主蒸汽管道疏水展开分析。
二、主蒸汽管道疏水设置分析
汽轮机防进水保护是压水堆核电厂设计的一个重要考虑因素，系统的设置应提供这些保护措施以防止汽机损坏并提高机组可靠性和可利用率。
疏水点的设置应能保证：启动时排出暖机、暖管过程中形成的疏水；连续运行时排出沿蒸汽流动方向分离出的水；瞬态过程中排出饱和蒸汽形成的水。
美国针对轻水堆核电厂制定的国家标准《防止水对发电用汽轮机造成损失的导则》（ANSI/ASME TDP-2-1985），[1]对轻水堆核电厂主蒸汽管道疏水系统设计提出了非常具体的要求。具体要求如下。
（1）在机组启动、停机、正常运行中，主蒸汽管道上的各个低位点，均应设置疏水点。确定低位点时，应对管系冷态和热态分别考虑，防止管道热态时热位移引发管系低位点位置变化。
（2）当没有明确的低位点时（例如一段较长的水平管段），应在该水平段靠近汽轮机的管端设置疏水点。
（3）若从主管道引出几条支管分别引入汽轮机，则应在各路支管、主管上分别设置疏水点；且当某段管道中被关断阀隔离开时，应视为两段考虑，并分别装设疏水点。
（4）各主汽门前的蒸汽管道应分别设置疏水点。
（5）疏水管道内径应不小于1英寸，确保机组启动初期的大量疏水可以排净。
（6）每一疏水点一般应串联两道阀门，其中至少有一个应可在主控室内操作，并配备开度指示器，使运行人员能够掌握每个动力操作疏水阀的开度。如果另外一个阀门是手动阀，应处于常开位置，并采取措施使其不关闭。
（7）旁路部分的疏水设计与主蒸汽管道类似，疏水管道应连续运行，带有节流孔板，或者采用液位触发的自动疏水阀。
美国轻水堆用户要求文件中针对主蒸汽疏水还有以下规定：[2]
（1）疏水流速不应大于10 ft/s（3m/s）。
（2）低位点疏水应包括一个疏水罐，疏水罐直径不应小于12”（DN300）。
（3）主蒸汽系统应尽量避免低位点，从而减少疏水点的设置。
（4）主蒸汽系统疏水不可与主汽阀后疏水并入一根母管，避免高压疏水倒流入低压疏水管道。
三、对主蒸汽管道疏水量的分析计算
影响系统中形成疏水量的因素包括以下几项：保温效率；系统压力降，随着机组的老化而增加；汽轮机中的机械和热力性能，随着设备的老化而增加；管道的几何形状，诸如弯管的数量和位置；蒸汽流速。
影响疏水量的因素很多，精确的疏水量计算比较复杂。在实际工程应用中，我们可以抓住主要影响因素，对计算进行简化。
正常运行过程中的疏水主要由管道中蒸汽冷凝及蒸汽的湿度产生。相比正常运行阶段，机组启动过程中的疏水量较大，因此疏水管道管径主要根据启动工况来确定。对于暖管时钢管的温升速率，一般推荐为2~3℃/分钟，最高不得超过5℃/分钟，因此计算疏水量时可选用暖管速率5℃/分钟。
首先应参照管道布置，明确每个疏水点为哪一段管道中的疏水进入的，继而利用传热学原理进行分析，算得疏水量。主要计算原理如下：
蒸汽放热量Q=L×（C管·△t管·W管+C保温△t保温·W保温）（单位：kJ） 公式（1）
其中 L：管道长度，m；
C管：管道比热，k J/kg.℃；
C保温：保温材料比热，k J/kg.℃；
△t管：管道温升，稳态蒸汽温度与环境温度之差，℃；
△t保温：保温材料温升，保温材料平均温度与环境温度之差，℃；
W管：每米管道长度，kg/m；
W保温：每米保温材料长度，kg/m；
疏水管道流量g=Q·/[12·△t管·（h汽-h水）]（单位：kg/s）
公式（2）
其中h汽：稳态蒸汽焓值，k J/kg；
h水：相同压力下饱和水焓值，k J/kg；
考虑机组刚刚启动时，凝结水量和压力都在变化，还有一些不可定的影响因素，因此在实际计算疏水管道及疏水阀通径时，还应依据不同情况和经验来确定，若不可定因素较多，可在以上算得的疏水管道流量基础上乘以1.5~2的安全系数。由于机组启动过程中，主蒸汽管道的压力为逐渐变化的，因此不宜根据压差进行疏水管道、阀门通径的计算，可根据规程规范推荐的流速进行通径计算。
四、工程应用实例
以下介绍一压水堆核电厂主蒸汽疏水的工程应用实例。
为了最大程度地减少汽轮机进水的可能性，该工程在主蒸汽管道所有可能聚集疏水的低位点设置了疏水点，机组正常运行时疏水经由疏水集管排至凝汽器。疏水系统设置由用于连续导出疏水的疏水器、用于自动疏水的气动疏水阀旁路等组成，每一个疏水点都设置了疏水罐，用于疏水的自动控制。详见图1。
气动疏水阀的开关通过疏水集管上的水位控制装置来完成自动控制。为保护汽轮机，气动疏水阀还会在汽机跳闸时联锁打开。在正常运行时，疏水集管中的疏水由疏水器连续导出，在负荷瞬变时疏水量的增加可能超出疏水器通流能力，此时通过疏水集管上的水位控制装置联锁打开气动疏水阀，排放多余的疏水。
所有气动疏水阀可由运行人员远程控制。疏水装置在高水位时报警并将各自动阀的阀位信息提供给运行人员。
疏水器的选择保证各种运行过程中产生的疏水能顺利排出，疏水器进出口设置隔离阀。疏水系统携带的热量会不可避免地排往凝汽器。连续疏水系统的设置应能在热能损失最小的情况下疏出蒸汽管线的疏水。
布置方面，考虑疏水可以自流入凝汽器，至凝汽器壳体处的疏水接口应高于最高热阱水位，并且疏水管的任何部分不得低于该接口位置。各疏水管线通过疏水集管接至凝汽器。为了避免将主汽门旁通，来自汽机主汽门上游的疏水不得与汽机主汽门下游疏水管道合并。系统中阀门附近应保留适当的空间用于阀门测试、维护。对于低点气动疏水阀，为了尽量减少阀前存储的疏水量，应靠近疏水点或蒸汽管线布置。
五、结束语
目前国内针对压水堆核电厂的规程规范还不是很健全。对于压水堆核电厂主蒸汽管道的疏水设计，我们应该充分吸收国内外的先进经验，认真总结运行电厂的经验及教训，结合我国实际，改进我们的设计，确保疏水能够连续、通畅排出，保证机组安全、稳定、高效运行。
参考文献：
[1]American Society of Mechanical Engineers.Recommended Practices for the Prevention of Water Damage to Steam Turbines Used for Electric Power Generation,ANSI/ASME TDP-2-1985.
[2]Electric Power Research Institute.Advanced Light Water Reactor Utility Requirements Document[Z].
[3]火力发电厂汽轮机防进水和冷蒸汽导则DL/T 834-2003[S].
[4]火力发电厂汽水管道设计技术规定DL/T 5054-1996[S].
[5]压水堆核电厂主蒸汽系统设计要求EJ/T 1189-2005[S].
（责任编辑：麻剑飞）
关键词：压水堆核电厂；主蒸汽管道；疏水设计
作者简介：胡娜（1984-），女，山东临沂人，国核电力规划设计研究院，助理工程师。（北京 100094）
中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）24-0136-02
作为重大恶性事故之一，电厂汽轮机发生大轴弯曲事故时有发生。有数据表明，70%的弯曲事故是在热态启动时发生的，而究其原因，大多与疏水系统的设计和操作不合理密切相关。现代发电厂单机容量的增大和主系统的单元化，滑参数快速启停普遍化，对实现疏水系统的自动化水平要求也越来越高，因而对电厂疏水系统的设计提出了特殊的要求。疏水系统设计得好坏直接影响到机组的安全运行，它已成为设计中不得不慎重考虑的一个重要方面。与常规电厂相比，压水堆核电厂容量大、参数低，主蒸汽为含有一定湿度的湿蒸汽，对主蒸汽管道疏水进行合理设计显得更加重要。
一、主蒸汽管道疏水设计不当的危害
电力生产过程中，无论输送管道的保温多么有效，也会有少量热量散失，因而会有相应的凝结水产生。压水堆核电厂采用湿蒸汽作为传热介质，对于湿蒸汽管道，经常疏水量除应考虑管道散热而引起的疏水，还应考虑湿蒸汽本身所含水分引起的疏水量。这两方面的凝结水要么沉积在管道底部与蒸汽一起移动，要么被蒸汽夹带着快速前进，从而产生以下危害。
（1）凝结水快速运动时，当遇到弯头、阀体等管件时，会产生撞击，即所谓的水锤现象。水锤产生的动量很大，轻则使管件疲劳以致产生漏水，并有噪声污染；重则使管件破裂、阀体损坏。当蒸汽夹带凝结水流过阀件时，有可能将阀体击坏，这已成为阀门损坏的主要原因之一。
（2）若疏水不能畅快排出或疏水控制不当，有可能使水经主蒸汽管道进入汽轮机，造成高温下的金属部件产生很大的热应力和热变形，致使汽轮机由于胀缩不均匀而发生强烈震动。而过大的热应力和热变形将使汽缸产生裂纹、引起汽缸结合面漏汽、大轴弯曲、胀差负值过大，以及汽轮机动静部分发生严重磨损等事故。
有效将蒸汽管道中产生的疏水排净，可以消除上述危害，提高用汽品质，保护汽轮机重要部件，延长阀门及管件的使用寿命。以下对合理设计主蒸汽管道疏水展开分析。
二、主蒸汽管道疏水设置分析
汽轮机防进水保护是压水堆核电厂设计的一个重要考虑因素，系统的设置应提供这些保护措施以防止汽机损坏并提高机组可靠性和可利用率。
疏水点的设置应能保证：启动时排出暖机、暖管过程中形成的疏水；连续运行时排出沿蒸汽流动方向分离出的水；瞬态过程中排出饱和蒸汽形成的水。
美国针对轻水堆核电厂制定的国家标准《防止水对发电用汽轮机造成损失的导则》（ANSI/ASME TDP-2-1985），[1]对轻水堆核电厂主蒸汽管道疏水系统设计提出了非常具体的要求。具体要求如下。
（1）在机组启动、停机、正常运行中，主蒸汽管道上的各个低位点，均应设置疏水点。确定低位点时，应对管系冷态和热态分别考虑，防止管道热态时热位移引发管系低位点位置变化。
（2）当没有明确的低位点时（例如一段较长的水平管段），应在该水平段靠近汽轮机的管端设置疏水点。
（3）若从主管道引出几条支管分别引入汽轮机，则应在各路支管、主管上分别设置疏水点；且当某段管道中被关断阀隔离开时，应视为两段考虑，并分别装设疏水点。
（4）各主汽门前的蒸汽管道应分别设置疏水点。
（5）疏水管道内径应不小于1英寸，确保机组启动初期的大量疏水可以排净。
（6）每一疏水点一般应串联两道阀门，其中至少有一个应可在主控室内操作，并配备开度指示器，使运行人员能够掌握每个动力操作疏水阀的开度。如果另外一个阀门是手动阀，应处于常开位置，并采取措施使其不关闭。
（7）旁路部分的疏水设计与主蒸汽管道类似，疏水管道应连续运行，带有节流孔板，或者采用液位触发的自动疏水阀。
美国轻水堆用户要求文件中针对主蒸汽疏水还有以下规定：[2]
（1）疏水流速不应大于10 ft/s（3m/s）。
（2）低位点疏水应包括一个疏水罐，疏水罐直径不应小于12”（DN300）。
（3）主蒸汽系统应尽量避免低位点，从而减少疏水点的设置。
（4）主蒸汽系统疏水不可与主汽阀后疏水并入一根母管，避免高压疏水倒流入低压疏水管道。
三、对主蒸汽管道疏水量的分析计算
影响系统中形成疏水量的因素包括以下几项：保温效率；系统压力降，随着机组的老化而增加；汽轮机中的机械和热力性能，随着设备的老化而增加；管道的几何形状，诸如弯管的数量和位置；蒸汽流速。
影响疏水量的因素很多，精确的疏水量计算比较复杂。在实际工程应用中，我们可以抓住主要影响因素，对计算进行简化。
正常运行过程中的疏水主要由管道中蒸汽冷凝及蒸汽的湿度产生。相比正常运行阶段，机组启动过程中的疏水量较大，因此疏水管道管径主要根据启动工况来确定。对于暖管时钢管的温升速率，一般推荐为2~3℃/分钟，最高不得超过5℃/分钟，因此计算疏水量时可选用暖管速率5℃/分钟。
首先应参照管道布置，明确每个疏水点为哪一段管道中的疏水进入的，继而利用传热学原理进行分析，算得疏水量。主要计算原理如下：
蒸汽放热量Q=L×（C管·△t管·W管+C保温△t保温·W保温）（单位：kJ） 公式（1）
其中 L：管道长度，m；
C管：管道比热，k J/kg.℃；
C保温：保温材料比热，k J/kg.℃；
△t管：管道温升，稳态蒸汽温度与环境温度之差，℃；
△t保温：保温材料温升，保温材料平均温度与环境温度之差，℃；
W管：每米管道长度，kg/m；
W保温：每米保温材料长度，kg/m；
疏水管道流量g=Q·/[12·△t管·（h汽-h水）]（单位：kg/s）
公式（2）
其中h汽：稳态蒸汽焓值，k J/kg；
h水：相同压力下饱和水焓值，k J/kg；
考虑机组刚刚启动时，凝结水量和压力都在变化，还有一些不可定的影响因素，因此在实际计算疏水管道及疏水阀通径时，还应依据不同情况和经验来确定，若不可定因素较多，可在以上算得的疏水管道流量基础上乘以1.5~2的安全系数。由于机组启动过程中，主蒸汽管道的压力为逐渐变化的，因此不宜根据压差进行疏水管道、阀门通径的计算，可根据规程规范推荐的流速进行通径计算。
四、工程应用实例
以下介绍一压水堆核电厂主蒸汽疏水的工程应用实例。
为了最大程度地减少汽轮机进水的可能性，该工程在主蒸汽管道所有可能聚集疏水的低位点设置了疏水点，机组正常运行时疏水经由疏水集管排至凝汽器。疏水系统设置由用于连续导出疏水的疏水器、用于自动疏水的气动疏水阀旁路等组成，每一个疏水点都设置了疏水罐，用于疏水的自动控制。详见图1。
气动疏水阀的开关通过疏水集管上的水位控制装置来完成自动控制。为保护汽轮机，气动疏水阀还会在汽机跳闸时联锁打开。在正常运行时，疏水集管中的疏水由疏水器连续导出，在负荷瞬变时疏水量的增加可能超出疏水器通流能力，此时通过疏水集管上的水位控制装置联锁打开气动疏水阀，排放多余的疏水。
所有气动疏水阀可由运行人员远程控制。疏水装置在高水位时报警并将各自动阀的阀位信息提供给运行人员。
疏水器的选择保证各种运行过程中产生的疏水能顺利排出，疏水器进出口设置隔离阀。疏水系统携带的热量会不可避免地排往凝汽器。连续疏水系统的设置应能在热能损失最小的情况下疏出蒸汽管线的疏水。
布置方面，考虑疏水可以自流入凝汽器，至凝汽器壳体处的疏水接口应高于最高热阱水位，并且疏水管的任何部分不得低于该接口位置。各疏水管线通过疏水集管接至凝汽器。为了避免将主汽门旁通，来自汽机主汽门上游的疏水不得与汽机主汽门下游疏水管道合并。系统中阀门附近应保留适当的空间用于阀门测试、维护。对于低点气动疏水阀，为了尽量减少阀前存储的疏水量，应靠近疏水点或蒸汽管线布置。
五、结束语
目前国内针对压水堆核电厂的规程规范还不是很健全。对于压水堆核电厂主蒸汽管道的疏水设计，我们应该充分吸收国内外的先进经验，认真总结运行电厂的经验及教训，结合我国实际，改进我们的设计，确保疏水能够连续、通畅排出，保证机组安全、稳定、高效运行。
参考文献：
[1]American Society of Mechanical Engineers.Recommended Practices for the Prevention of Water Damage to Steam Turbines Used for Electric Power Generation,ANSI/ASME TDP-2-1985.
[2]Electric Power Research Institute.Advanced Light Water Reactor Utility Requirements Document[Z].
[3]火力发电厂汽轮机防进水和冷蒸汽导则DL/T 834-2003[S].
[4]火力发电厂汽水管道设计技术规定DL/T 5054-1996[S].
[5]压水堆核电厂主蒸汽系统设计要求EJ/T 1189-2005[S].
（责任编辑：麻剑飞）