虹吸原理在秦山第二核电厂的应用分析

樊鹏飞　何国军

【摘 要】本文介绍了流体力学中虹吸原理的基本现象和产生的必要条件，核电厂设计中应用了虹吸原理的重要虹吸管线功能，并对核电厂实际运行中因忽略了虹吸而引发的实际异常案例进行了分析总结，提出了避免虹吸事件的应对措施。

【关键词】虹吸原理；倒流；破坏虹吸；案例

0 引言

核电厂中一回路反应堆热量导出，二回路汽轮发电机汽水循环，三回路对凝汽器冷却及排水，三个回路均涉及了大量液态流体的传输与储存，电厂中存在着众多流体管线和液体储存水箱。因此流体系统中经常发生的虹吸现象就成为了核电厂运行中必然要面对的问题。虹吸管线及虹吸现象广泛存在于核电站日常运行之中，如何充分利用虹吸现象带来的益处以及避免由于虹吸而产生的事故就成为了核电运行重要课题和技术问题。

1 虹吸原理介绍

虹吸现象是指液体通过管道从液位高的一端经过高出液面的管道自动（静压差）流向液位低的另一端，所用管道叫虹吸管。为了形象的说明虹吸原理，下面以最简单的虹吸情况作为说明。如下图1所示，A容器水位较高，B容器水位较低，一充满水的皮管，同时分别放入A、B容器内并浸没水中，保持皮管中是充满水的状态，当松开两端时就会看到容器A中的水在没有外加条件的情况下自动向容器B中流，直至两容器液位平齐。

虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成的，即利用水柱压力差，使水上升后再流到低处。根据流体力学的基本原理，加在密闭容器里液体上的压强，处处都相等。虹吸管里灌满水，没有气，来水端水位高，封闭出水口，管内处处等压。打开出水口时，虽然两边的大气压相等，但虹吸管的最高点到低液面的液体借助于重力往下流动，在吸管最高点处形成一定的真空，即较高液面到吸管最高处液体两端产生压力差，该压差克服该段水流重力使水柱被向上提吸，在压差作用下形成连续水流。

虹吸作用并不完全是由大气压力所产生的，在真空里也能产生虹吸。此时使液体向上升的力是液体间分子的内聚力。只是在工业中的虹吸现象普遍是在气压作用下产生的，这种气压作用下的虹吸是本文讨论要点。在虹吸原理示意图中，以截面1所在高度为参考截面，以截面1和截面3为对象，因高位水池的面积远远大于虹吸管截面，V1近似为零，根据伯努利方程有：

根据上面的公式得出虹吸关键是从截面1到截面2的压力差使水流越过最高点。因此虹吸管道的最高点距离上容器的水面距离必须小于大气压支持的最高水柱即hmax，理论值为10米。虹吸管最高点处的真空越高，流速越快，同时最高处的压强须小于液体温度下的饱和压强，否则液体会汽化，破坏了真空无法形成虹吸。一般大气环境中，虹吸管道的吸水高度（最高点到较高液面的高度）不超过8.5米。通过上面的分析得出产生虹吸的三个基本条件：

1）虹吸管道必须充满水；

2）虹吸管最高点距高位容器的水面高度必须小于大气压支持的水柱高度；

3）虹吸管出水口高度必须低于高位容器的水面高度，保证出水口液面向下压强大于向上的大气压。

2 核电厂中应用虹吸原理的重要管线

2.1 海水循环水系统（CRF）中凝汽器排水虹吸管线、虹吸破坏阀

循环水泵的作用是给循环水升压使循环水能克服管道的阻力和高差，形成稳定的流动状态。此高差就是循环水系统的几何供水高程，即泵房进水水面与循环水系统最高处（凝汽器水室顶）的高度差。虹吸井结构如一个带隔墙的水池，水通过管道从池底进入到水池，翻过隔墙溢流到出水池，如不设虹吸井，必须使凝汽器水室压强要大于零才能使系统中循环水流动。设置虹吸井后，利用虹吸作用使凝汽器水室处于负压状态持续流动，降低了的几何供水高程，从而使循环水泵扬程降低，节约电耗。即保持循环水出水管中负压，利用水流形成的适当真空，利用虹吸原理重力排水，减少厂用电的消耗。

循环水系统（CRF）通过真空破坏阀即破坏虹吸断流，优点是断流可靠。每条循环水回路装有三个虹吸破坏阀，通过公用集管与回路出口水室最高点连接，阀门是先导电磁阀控制的气动隔膜阀，开启时间小于0.4秒。CRF泵停运时，自动联锁打开虹吸破坏阀，大气进入管道破，管内压力等与大气等压，破坏真空即虹吸，在重力作用下，水流分别流向进口和出口水段，达到迅速切断水流，防止出口段水流倒灌的目的。

2.2 发电机定子冷却水系统（GST）虹吸破坏管线

发电机与定子冷却水箱存在10m位差，突然断水时，发电机出口段管道的水在重力作用下继续流动，使定子线棒内形成真空，发电机定子线棒内的水迅速被拉空，将发电机断水事故扩大化。为避免此虹吸事故，设计上采取措施破坏虹吸。发电机定子冷却水系统（GST）在定冷水箱与发电机进出水环管之间设置防虹吸管，即发电机定子冷水进出水环管最高点与定冷水箱上部气空间通过小口径管路联通；使进出水管顶部与定冷水箱气压一致，防止发电机断水时定子线棒内的冷水倒流至定冷水箱。

该虹吸管线的设计使得在定冷水中断、泵停止的情况下，定子线圈中的水不会被会快速抽回定冷水箱，从而保证定子线圈内始终处于满水状态，避免定子线棒、绕组及相关水冷部件的超温损坏。GST虹吸破坏管道的另一个重要作用是能够排出定子冷却水中的顶部积气，避免积累气影响导热。

2.3 乏燃料冷却系统（PTR）乏燃料水池虹吸破坏管线

乏燃料冷却系统（PTR）主要作用对贮存乏燃料进行持续冷却，只要储存有乏燃料，乏池必须满水且不能排空，确保对乏燃料的冷却。因此池底没有任何可排水的管道，为了防止浸在水池水面下管道的池外部分发生破裂所产生虹吸现象导致乏燃料池意外排空，设计上在浸入水池管道均设有防止虹吸的破坏管，仅深水水面以下10cm，不会扰动水面和影响能见度。当跑水时，水位降低10cm时虹吸破坏管管口露出水面，空气通过破坏管进入主管段破坏虹吸，切断虹吸跑水，保证乏燃料水池水装量和冷却。

3 核电厂虹吸导致的异常实例分析

虹吸现象在流体管道系统是一个常见的现象，在电厂生产运行过程中，却因忽略虹吸现象而导致异常事件，不仅增加了运行人员工作量，也给电厂造成一定的经济损失。以下是生产中出现的虹吸实际案例分析。

3.1 辅助蒸汽（SVA）冷凝水箱到凝汽器的排水管线水封工作异常

汽轮机的凝汽器接收了相关子系统的疏水回收，为了保持凝汽器的真空度及连接管道的存水不被异常抽干排空，部分管线在进入凝汽器前专门设计了倒U型水封管段。倒U型管段设计时高度已经考虑到两侧压差及可能的虹吸现象。如蒸汽发生器排污系统（APG）在停用期间中高于大气压力，水封的高差达12m以上，考虑到凝汽器真空状态运行时APG隔离，实际水封高度达到了 26.85m；汽机轴封系统冷凝水返回凝汽器管线，其U型水封管高度确保不影响凝汽器真空。

辅助蒸汽系统的冷凝贮存箱（8SVA001BA）和排水泵（8SVA001/002PO）位于核辅助厂房NB280房间0m层，贮存箱收集SVA、TEP、TEU系统的辅助蒸汽冷凝水，通过倒U 型水封排向凝汽器。运行中多次发生8SVA001BA水位偏低的异常情况，需要人工向贮存箱补充水。经过长时间的分析排查，查明了原因为U型管的高度过低导致虹吸。凝汽器负压，每次在排水泵自动停运之后会出现虹吸，将001BA中水吸入凝汽器，导致水箱液位下降。通过技改提高倒U型水封5m，从17m改为22m，保证水封避免虹吸效应。

3.2 安全壳喷淋系统（EAS）氢氧化钠管线虹吸跑碱

在执行PT RPA030定期试验过程中（安喷泵EAS001PO运行，阀门EAS145VR开启），若隔离阀EAS125VR内漏，会使氢氧化钠贮存罐EAS001BA的碱进入到安喷管线中，导致换料水箱（PTR001BA）中硼水钠离子超标。因此扩建机组设计时在EAS125VR上游增加了手动阀门EAS909VR，并在EAS001BA到EAS125VR的水平高位母管上增加虹吸破坏管和阀门。根据运行实践，设计上对防止虹吸的考虑还不充分：在一次大修过程中，为了检修NaOH储罐循环泵，执行泵本体的隔离和排空操作时，因为忽略了一根26.7mm的流量计管线造成虹吸，使得在疏排碱液时，残夜始终无法排尽；经现场检查分析确定流量计管线产生虹吸将储罐内的碱液连续排放。

3.3 安全厂用水系统（SEC）疏水无法排尽

安全厂用水系统（SEC）在大修时SEC/RRI板式热交换器隔离、排空解体检修。机组安全厂用水SEC正常排水是通过各自的溢流井翻越溢流堰之后流向公用的跌落井的，两台机组的溢流井之间设有联通管道。正常一台机组大修时，另一台处于功率运行状态，因此溢流井内在大修时也是满水的。在大修时隔离疏水时曾出现过热交换器疏水不尽，水量原大于设备容积，经现场检查分析确定为热交换器排水管线将溢流井中的水虹吸至位置较低的热交换器疏水阀处。通过技术改造在热交换器管道高点增加排气阀，隔离时开启通大气破坏虹吸。

4 虹吸事件的应对策略

为了解决诸多的虹吸陷阱，避免引发异常运行工况，分析总结了核电厂实际运行中的实例，从以下几个方面来应对电厂系统中的虹吸问题。

4.1 确保已有虹吸管线功能正常实现

4.1.1 做好投运前的准备工作

对于海水循环系统（CRF），在系统启动前，虹吸破坏阀前的手动截止阀必须提前手动开启，虹吸破坏阀应该保持关闭状态，而且阀门的开、关逻辑、动作时间必须进行试验验证。定子冷却水系统（GST）虹吸破坏管线上手动阀在线阶段要提前开启，并确认该管线无堵塞的情况。对于CET轴封加热器冷凝水回流水封管道，须提前充注一定液位的水量，已避免影响凝汽器真空。通过启动文件优化保证设计的功能实现。

4.1.2 做好事故预案处理突发事件

循环水泵CRF停运时，在虹吸破坏阀处安排现场操作员，如果虹吸破坏阀未按照预先设定逻辑开启，立即手动开启虹吸破坏阀。并做好阀门卡死时，虹吸未及时破坏，出现海水倒灌时应对预案；乏池冷却系统 PTR管道破口出现虹吸后，流失至少10cm高度的水量对于乏池的冷却及放射性屏蔽影响大小，如何隔离漏点、实施应急补水，都应体现在应急预案中（事故处理规程），也需要运行人员对虹吸原理有充分的理解。

4.2 对设计中未考虑虹吸的管线应对措施

4.2.1 加强对水箱液位、管线流量等参数监测

意外虹吸的产生必然引起相关物理参数的改变，虹吸的典型现象是停泵后依然有持续的水流量、流量计依然有读数、排水侧有持续水流注入，导致的液位继续上涨或下降，液位参数同向变化。反向意外虹吸时，虹吸管道中流向相反，流量计反转或工作异常，两侧水箱液位变化趋势异常，甚至反向变化。虹吸会导致流量计，压力表等参数变化，只要对这些参数给予足够的重视，就能在第一时间发现异常虹吸。

对于流体系统进行过大的在线改动后，或者对于执行频率很低的操作，及实际管线布置与流程图不符，实际阀门管线高差、位置图纸上体现不出来的时候，出现异常跑水时，虹吸是分析问题的一个重要角度。

4.2.2 巧用临时措施

正如上文中安全厂用水系统SEC隔离疏水出现虹吸的案例，核电厂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，又不能出现串水多排放水，实际生产中通过一些临时措施应对。例如：拆卸仪表接头、拆装临时堵头来连通大气破坏虹吸，部分管线也可以采用虹吸管两侧分段疏水来减小虹吸发生的概率，部分管道实现压空加压吹扫排水。根据现场实际情况采取合理科学的临时措施可以有效避免意外虹吸。

4.3 通过优化系统设计从根源杜绝事故隐患

4.3.1 优化系统设计完善系统功能

以上文中提到的辅助蒸汽贮存箱SVA001BA案例的实际解决方法说明，虹吸导致水箱不断补水，浪费了大量除盐除氧水，破坏了二回路的汽水平衡，增加了人员的工作量，有经济也有人力的损失。SVA水封管线的总高度为17米，凝汽器位于-7米，水箱位于0米。所以如果从水箱水位开始计算到水封（位置在常规岛）最高处只有9米的高差，处在破坏虹吸的理论位置（虹吸管最大真空高度一般不超过8.5m），设计上还需考虑水温高，密度小，且下游凝汽器负压，对水封高度的影响，根据现场实际通过技改增加水封高度（倒U型管）增加到13-14米，大概增加5米，确保水封有效，避免虹吸。

对于系统疏水管线发生的一类虹吸、倒流事故，在管线的高点设置对空的排气阀，使虹吸管的顶部高点气压升高到大气压从而使两端水流分别流向两端，是终止虹吸连续水流最直接有效的方法。

4.3.2 应用新的方法和设备解决问题

对于主要预防虹吸产生的流体反向倒流的工艺系统，安装逆止阀是最为简单实用的解决方法。逆止阀只允许液流正向流动，可以有效抑制虹吸产生的倒流。单逆止阀应用却受到了限制，例如SVA水箱虹吸现象，虹吸流向与正常排水方向一致，因此就不能采用；逆止阀的安全性、可靠性较差，一旦阀瓣或密封件损坏，完全失去防止倒流的作用。

倒流防止器作为预防倒流，抑制反向虹吸水流的有效装置之一，由两个止回阀和安全泄水阀组合而成的阀门装置，具有结构合理、零件不易磨损、安全可靠，维修周期长的特点。

图8

如上图所示，正常运行时进口压力大于阀腔压力，泄水阀关闭；当逆止阀失效出现逆流时，阀腔压力大于进口管道压力，泄水阀打开，泄水阀与大气连通空气进入，虹吸终止。如果乏池冷却系统（PTR）应用倒流防止解决虹吸问题，能够避免原设计中10厘米高度的水量流失及对水面的扰动，前提是倒流器的可靠性必须高。

5 总结

虹吸原理是流体工艺系统中应用广泛、常见的物理现象，正因为其简单、常见，容易被忽略，造成工艺系统运行异常，对电厂运行稳定性、经济性都有影响。本文通过对核电厂利用虹吸原理的重要系统、管线和由虹吸引发的实际异常案例进行了分析总结，提出了优化设计、完善规程，做好预案等针对性措施减少虹吸事件。

【参考文献】

[1]樊鹏飞.秦山第二核电厂3、4号机组高级运行培训教材[Z].2014，5.

[2]曾丹.秦山第二核电厂扩建机组系统手册[Z].华东电力设计院，2009，6.

[3]李锦星.倒流防止器的工作原理与应用[J].给水排水，1999，1.

[责任编辑：曹明明]