我国北方某核电厂的重要厂用水系统,曾经在冬季发生过多起因备用泵的泵腔严重积气,无法启动的现象。备用泵腔积气现象从产生的原因考虑主要涉及到两个方面:静态条件下海水受热所发生的海水中溶解气体的析出;重要厂用水系统海水泵排气系统存在缺陷导致析出气体无法排出而出现的积气问题。针对该现象,本文对静态海水中溶解气体动态析出动态特性和排气系统改进方案进行研究。

某核电厂重要厂用水系统是开式循环系统,以海水为工质,离心式海水泵从旋转过滤系统吸入海水,经管道、水生物捕集器及热交换器,将冷却过设备冷却水之后的海水排入集水坑后,再由排水管排入海中(见图1)。该系统由相互独立的、互不影响的两个系列组成。重要厂用水系统的海水泵置于泵坑,泵腔中心安装高度为-16.8 m(平均海平面-1.443m);每台海水泵安装有排气管,排气管下端在泵盖处与泵腔连接,经过泵坑,排气管出口在泵坑顶部近零米处,排气管上的就地排气阀为常开。

该核电厂重要厂用水系统,处于备用状态的海水泵,在冬季曾经多次发生因泵腔积气无法启动的事件。主要特征是海水泵在运行较长时间后,切换至备用泵时,泵出口压力不能建立,启动失败。

多次现场试验发现,当海水泵较长时间处于备用时,就地打开排气阀,有大量气体从泵壳排出。比如针对1SEC002PO,在启泵前打开阀门SEC010VYP通过临时测压管线对泵体进行排气,发现泵壳内气体较多,排气3.5min才完成。

为了便于研究水中溶解气体动态析出过程的动态特性,提出了简化的研究对象,并选取了以氧气作为代表性气体(如图2)。该研究对象主要由一个球形容器和稳压箱构成,之间用管道连接。球形容器内径300mm,器壁为25mm铸钢。稳压箱与大气联通,稳压箱中海水的溶解氧与空气中的氧气处于平衡状态。稳压箱中的水温可调。球形容器所在的大空间(如图2中虚线范围),被空气调节系统维持在设定的恒温状态。该系统工作时,首先打开排气阀及排空阀,排空球形容器,然后关闭排空阀,打开联通阀,待排气阀中没有气体排放时,关闭排气阀。此时即为某研究状态的起始点。在研究过程中,球形容器中的压力被稳压箱保持在标准大气压条件下。

球形容器中的水受大空间环境的自然对流加热。毕渥准则数Bi=αδ/λ<0.1,球形容器中水的加热过程,可以采用集中参数法^[1]。

环境对水的加热量率见式(1):

式中Q₁———环境对海水的加热量率;

R———球形容器的内径;

K———总的传热系数;

T_a———球形容器所在空间的环境温度;

T———球形容器中海水的温度。

水在升温过程中的吸热率见式(2):

式中Q₂———水在升温过程中的吸热率;

V_c———球形容器的内体积;

V_g———球形容器内水受热析气所占体积;

ρ———海水的密度;

C_p———水的等压比热;

τ———时间。

由此建立平衡方程见式(3):

析气过程可当作准平衡过程,球形容器内水受热析气所占体积,由式(4)确定:

式中V_T0———初始温度时海水的溶解氧;

V_T———某温度时水的溶解氧。

水中的溶解氧量,是水的温度、盐度的非线性函数,采用Weiss气体溶解度计算公式^[2]:

其中,S为水中盐度;A₁为-173.429;A₂为249.633 9;A₃为143.348;A₄为-21.849 2;A₅为-0.033 096;A₆为0.014 259;A₇为-0.001 7。

对式(5)的推演,可获得水中溶解氧的动态析出率(氧气析出率定义为单位体积海水每分钟析出气体的体积),见式(6):

对上述模型进行数值计算,分析在不同条件下水受热析气过程,得到主要参数,包括环境温度T_a、海水的初始温度T₀、盐度S等,对水受热溶解氧析气动态特征的影响规律。

图3显示了在水的初始温度为0℃,盐度为0的条件下,环境温度对氧气析出率的影响。可以发现,在初始阶段,环境温度对氧气析出率的影响很大。主要原因是环境温度与水之间温差较大,形成较高的传热速率,容器中水温的上升速率较快,导致溶解氧的快速析出。随着时间的持续,氧气析出率逐渐变小。

图4显示了在环境温度为30℃,盐度为0的条件下,海水的初始温度对氧气析出率的影响。可以看到,在环境温度恒定的前提下,在起始阶段,初始温度对氧气析出率的影响很大。在10h之后,氧气析出率逐渐平稳。

图5显示了在环境温度为30℃,海水的初始温度为0℃的条件下,盐度对氧气析出率的影响。可以看到,不同盐度的水中溶解氧气析出率差异不是很显著。

图6是该重要厂用水泵泵壳区域示意。泵被置于重要厂用水系统的泵坑。由泵坑的采暖和通风系统,将泵坑的温度维持在设计温度(5～40℃)。该核电厂重要厂用水泵,在冬季连续运行1周后,才切换至备用泵。在此期间,包括备用泵的腔体及联接管道内的海水大体上处于静止状态。这部分体积相当大的海水,受到泵坑热环境的加热而温度逐渐上升,海水中溶解的气体,包括氧气、氮气、二氧化碳等,也逐渐被解析出来。

结合上述有关水中溶解氧受热析出动态特性分析结论,发现该系统的条件,有利于海水中溶解的气体析出。一方面,泵坑环境温度较高,比如在做某次积气现场试验时,泵坑环境温度为30℃;另一方面,由于是冬季,进入核电厂重要厂用水系统的海水温度很低,比如某年1月30日实测温度-1.5℃;第三个方面,备用泵一般至少处于1周左右的备用状态,这为海水中溶解气体的析出提供了充分的时间;第四个方面,泵壳区域以及下部的入口管线,所蓄积的海水量很可观。这些条件,使得在冬季海水泵较长的备用期间,可以析出大量的溶解气体。

如果没有设计恰当的排气系统或排气系统失效,析出的大量溶解气体必然会在该局部的最高区域附近聚集,形成空气腔。该气腔甚至可以包络泵的叶轮区域。

(1)排气系统存在的缺陷。分析改造前重要厂用海水泵排气管道示意图,发现在平均海平面设计水位以下,有几个排气管段是近水平布置的(见图7)。这些近水平布置的管道越长、体积越大,在形成稳定的排气功能之前,要排挤更多的液体进入垂直管段,如果垂直管段的管内径较小,则会出现较高的垂直管段液位抬升,同时,会在泵腔叶轮区域之下,形成高度更大的气腔空间。

(2)泵腔积气的机理分析。为了搞清楚排气管道的布局对排气的影响,先研究一下如图8所示的简化排气管道情况(排气阀常开)。可以看到,在未有气体析出的稳定条件下,球形容器被液体占据,排气管线中的水位应在与设计海平面基本一致的水位C点。

随着环境对球形容器中海水的加热,海水中的溶解气体被解析出来。假若排气管道如上图所示布置,存在如AB所示的近水平管段。开始释放的气体,在液体黏滞阻力等作用下,是不会从A移动到B而进入垂直管道并被排走的,而会在A处管道内积聚。

气体在A处管道内积聚的动态过程中,会出现气体压力大于B处液体静压的瞬变状态,原来处于AB段管道内的海水,被逐渐挤入B点以上的垂直管道。水平管段液体的排空过程,机理较为复杂。郭苪等^[3]开展过类似的研究,发现排空过程一般存在分层流、段塞流和环雾状流。

由于该研究对象气体析出率的量级较小,析出过程可以按准平衡过程进行分析。当近水平段AB内的液体全部或某一恰当部分被挤入B点以上的垂直管道,使得气体得以有效通过AB管段而进入垂直管道时,排气系统才开始发挥排气功能。在此之前,被挤入B点以上的垂直管道的海水,会抬升垂直管道中的水位至某点D。而球形容器中的水位,会下降到某个液位F。也就是说,为了维持海水系统的静力学平衡,垂直管道内水位的上升(CD),是要靠气体段下伸至某水位(AF)来弥补的。由此形成稳定时球形容器中出现可观的气腔空间,并被现场试验验证。

经过上述分析,发现该核电厂冬季发生重要厂用水泵因泵腔积气无法启动的事件,其根本原因在于排气系统的布局设计存在缺陷。为了解决这一问题,需要对排气管道布局进行改造。改造的核心思想是将原排气管道系统中多段近水平布置的管段,改为垂直管段或上扬倾斜度较大的管段,以利于排气功能的优化。该核电厂联合相关单位,对在运4台机组重要厂用海水泵排气管道,按照改造方案(见图9),完成了改造工作,彻底解决了这一问题,确保了核岛最终热阱的可靠性。

对简化的研究系统建立物理模型,数值计算结果表明,静态常压下环境温度、海水初始温度对海水中溶解氧动态析出特性有重要影响、盐度对海水中溶解氧动态析出特性影响不大;

由于重要厂用水系统的布置方式、运行方式,决定了在冬季海水泵较长的备用期间,可以析出大量的溶解气体。在带有较长近水平布置的排气管道影响下,由于析气无法排放,可在备用海水泵腔体区域形成积气空间。改造方案的实施,可有效解决了海水泵积气无法启动问题。