某核电厂备用柴油发电机日用油箱增设溢流管改造设计

2015-12-15胡炜亮方文治朱志伟上海核工程研究设计院

电气技术与经济 2015年4期

关键词：核电厂

胡炜亮方文治朱志伟苏成（上海核工程研究设计院）

胡炜亮方文治朱志伟苏成
（上海核工程研究设计院）

摘要：本文介绍了某核电厂备用柴油发电机日用油箱增设溢流管改造方案的设计过程、方案选择、流动计算以及防爆区域改造施工方案。可以作为国内同类电站的相关系统改造和设计的参考。

关键词：核电厂；备用柴油发电机；日用油箱溢流管；流阻计算；防爆区域支吊架改造

0　引言

某核电厂备用柴油发电机燃油系统由燃油贮存罐、日用油箱、燃油输送泵、燃油过滤器等设备组成。燃油贮存罐位于室外防火堤中，日用油箱位于柴油机厂房2楼防火堤中，燃油输送泵和燃油过滤器位于柴油机厂房1楼。在正常情况下备用柴油发电机从日用油箱中获取燃油，当日用油箱中燃油高度下降到低液位设定值时，自动启动燃油输送泵，燃油输送泵将燃油从燃油贮存罐抽出，经过过滤器输送到日用油箱中，当日用油箱液位达到高液位设定值时燃油输送泵自动停泵。

根据运行经验反馈情况，曾经发生过燃油输送泵停泵控制逻辑故障，日用油箱满溢，溢出的燃油从日用油箱呼吸口喷出的事件。为避免此类事件引发更严重的事故后果（如火灾事故），考虑增设溢流管线。

1　增设溢流管的设计方案

国内外在役和正在建设的核电厂中，备用柴油发电机日用油箱溢流通常采用两种方式，重力溢流和压力溢流。所谓重力溢流，即日用油箱的安装高度高于燃油贮存罐安装高度，在发生溢流时，燃油通过重力流回燃油贮存罐，采用这种溢流方式时，燃油贮存罐往往邻近或位于柴油发电机厂房内，日用油箱与燃油贮存罐之间有足够的高度差保证溢流。而所谓压力溢流，主要用于日用油箱的安装高度低于燃油贮存罐的安装高度或高度接近的情况，日用油箱通气管内安装浮球式通气阀，在日用油箱内燃油液位接近满液位时，浮球通气阀的浮球在浮力作用下堵住日用油箱通气管，日用油箱此刻变成承压密闭容器，如果此时燃油输送泵继续供油则会增加日用油箱内压力，当压力增大到足以克服燃油贮存罐到日用油箱的静压差与管道阻力之和时，开始发生压力溢流，所以这种溢流方式要求日用油箱有一定承压能力。

方案选择的第一步首先是确定日用油箱溢流方式。根据实测数据，燃油贮存罐顶部到其防火堤底板的距离为7.35m，而防火堤底板标高等于厂平面标高为0m。日用油箱安装楼板标高为7.5m，日用油箱顶部到底板距离为2.739m，所以日用油箱顶部与燃油贮存罐顶部的高差为2.889m，基本符合重力溢流的条件。而由于该电厂日用油箱为常压容器，所以排除使用压力溢流的可能性，鉴于燃油系统的上述实际情况，增设溢流管采用“重力溢流”。

下面进一步讨论重力溢流的接管方案。日用油箱顶部有一处2.5′备用管口，其尺寸和位置符合作为溢流口的要求。燃油贮存罐顶部和底部侧面各有一个备用管口，尺寸均为4′。表1为两种管口选择方案的优缺点比较。

通过表1的分析决定采用日用油箱顶部的管道作为溢流口，日用油箱溢流出的柴油通过燃油贮存罐顶部的备用管口回到燃油贮存罐。图1为燃油系统供油和溢流的示意图。

接管方案确定后，接下来进行管道布置设计。经过现场勘测，最终确定了室内部分管道敷设的走向。一号堆备用柴油发电机厂房与辅助锅炉厂房、树脂处理厂房连体，油罐区在树脂厂房边，所以大部分溢流管都在厂房内布置。一号堆1#机的溢流管穿过1#和2#柴油发电机房之间的防火墙到达2#备用柴油发电机间，与2#机溢流管并行，溢流管道到2#机日用油箱旁竖直桥架要留出适当的距离，以方便检修。1# 和2#机溢流管道并列穿过辅助锅炉厂房和树脂处理厂房，最后从树脂处理厂房穿出。溢流管位于日用油箱防火堤上方的管道局部高点需设置放气点。

表1　接管方案比较

图1　燃油系统流程示意图

室外管道布置根据现场的情况决定采用架空布置，两根溢流管从厂房内穿出，降低高度到2m标高之后（流出人行通道）水平进入防火堤，之后下降到0.5m标高，水平延伸到油罐后分开，分别连接各自的燃油贮存罐。溢流管采用公称直径DN80的无缝碳钢管道，管系需要做等电位连接和防静电接地，室外管道需要设置保温层。图2为一号堆备用柴油发电机日用油箱溢流管布置方案。图3为一号堆改造后效果。

图2　一号堆备用柴油发电机日用油箱溢流管布置方案

图3　一号堆备用柴油发电机日用油箱溢流管改造效果

二号堆1#机的溢流管穿越防火墙到达2#柴油发电机厂房，与2#机溢流管并行穿出柴油发电机厂房。溢流管位于日用油箱防火堤上方的管道高点需设置放气点。

二号堆室外管道布置根据现场的情况拟定三种布置方案分别是架空布置、埋地套管布置、埋地管沟布置。下面分别描述这三种方案，方案示意图见图4。

图4　二号堆室外管道布置方案示意图

1）架空布置。管道从柴油机厂房穿出降低到距地面2m高度后绕过CO2厂房进入防火堤，在防火堤中延伸到油罐侧面分别连接到各自的油罐上。架空布置的管道和支架要需考虑风、雪荷载，防火堤外面的支架根部安装在混凝土支墩上，防火堤内部的支架根部直接打膨胀螺栓固定在防火堤底板上。管道在防火堤内外各有一个低点，需要分别设置放油阀，防火堤外的低点放油时不可直接排放到环境中，要排到含油废水处理系统中。架空布置的裸露的室外管道需要做保温处理。

2）埋地套管布置。管道从厂房穿出后下降高度到0.5m左右水平进入套管（便于密封）之后进入地下，绕过CO2厂房到达防火堤旁边，穿出地面进入防火堤，在防火堤中延伸到油罐后分别连接到各自的油罐上。埋地管道安装在金属套管之中，套管外表面须作防腐处理，套管埋藏在地下0.8m处，在低点设置放油人井。预制的套管系统安装的管道仅仅需要对现场焊接的接头部分进行水压试验。在水压试验之后，开口的套管管接头应采用供货商提供的特殊挡板进行封堵，之后再进行气密性试验以检查是否泄漏。低点放油阀门布置在套管中，在放油时需要打开套管端盖。裸露的室外管道需要作保温处理，保温层的厚度和材料须与该系统的其他室外燃油管道相同。

3）埋地管沟布置。管道从厂房穿出后下降高度进入管沟，绕过CO2厂房到达防火堤旁边，穿出地面进入防火堤，在防火堤中延伸到油罐后分别连接到各自的油罐上。管沟需设置排水和排油装置，管沟中的水不能直接排放到环境中，须经过油水分离处理。管沟内的管道要进行防腐处理，在管道的低点需设置放油的阀门和管道。裸露的室外管道需要作保温处理，保温层的厚度和材料须与该系统的其他室外燃油管道相同。

通过表2的方案比较，埋地套管方案兼顾了较低的施工难度和最好的环保效果，而且不破坏电厂主干道景观，经过仔细比较决定采用埋地套管方案。

表2　二号堆室外管道布置方案比较

图5　二号堆备用柴油发电机日用油箱溢流管布置方案

二号堆溢流管仍采用公称直径DN80的无缝碳钢管道，管系需要做等电位连接和防静电接地。图5为二号堆备用柴油发电机日用油箱溢流管布置方案，二号堆备用柴油发电机日用油箱溢流管改造效果参见图6。

图6　二号堆备用柴油发电机日用油箱溢流管改造效果

2　溢流计算

溢流计算的目的是检验增设的备用柴油发电机日用油箱溢流管的流动阻力，以验证按照现有的管路布置，柴油从日用油箱溢流口流至燃油贮存罐回油口时的压力损失是否小于静压头。计算的设计输入如表3所示。

表3　溢流管流动参数

式（1）为雷诺数计算公式

将设计输入代入式（1），求得此流动状态下的雷诺数Re为4921。

即2100＜Re＜10000，此时的流动状态为湍流过渡区，无法使用层流和湍流流阻计算方程或曲线来计算该流动。

对于2100＜Re＜10000的流动，采用湍流过渡区摩擦阻力系数f的专用式

对于碳钢管道，相对粗糙度(ε /d )为0.0009，而绝对粗糙度ε为0.0017。通过式（2）计算得出管道的摩擦阻力系数f为0.000243。式中，V为管内液体流动速度；d为管道内径。

通过式（3）可以计算得出每英尺（ft）直管道在目前流动状态下的流动阻力为0.00891ft（压头损失）。

采用折算长度法计算溢流管的管道阻力，所谓折算长度即求出每个管件等效的直管段长度，进而求出每台机组溢流管的等效长度，再乘以每ft管道的阻力，求出整个溢流管的压力损失。表4列出了四根溢流管直管段长度及管件数量。

表4　四根溢流管直管段长度及管件数量

结合相关公式，求出各种管件的折算长度，其中90度弯头（DN80）的折算长度为3.4ft/只，三通（DN80）的折算长度为5.1ft/只，渐扩异径管2.5′× 3′的折算长度为2.6ft/只，渐扩异径管3′×4′的折算长度为22.1ft/只，管道入口的折算长度为7.3ft/只，管道出口的折算长度为14.6ft/只。

计算时考虑适当的设计余量（＞10%），求得每根溢流管的压头损失依次为1.34m、1.10m、1.49m和1.25m。而通过现场测量，管道进出口高差约为2.5m。2.5m＞1.49m，管系的静压头大于管线的沿程阻力损失，可以实现重力溢流。

3　防爆区域改造施工设计

核电站处于正常运行状态时，备用柴油发电机日用油箱和燃油贮存罐中充满轻柴油，所以日用油箱防火堤及燃油贮存罐防火堤属于防爆区域。在防爆区域应避免使用明火，在进行施工设计时需要采用一些特殊手段尽可能避免在防爆区域进行焊接等明火作业。

日用油箱顶部、树脂处理厂房酸碱罐上方等室内防爆区域的吊架根部采用“梁夹”式根部，吊架主体为特殊槽钢结构，槽钢上等距钻孔，利用角连接件固定横担槽钢，横担槽钢也有等距钻孔，可采用螺杆固定管束，这种吊架在安装时无需焊接，其结构如图7所示。

图7　防爆区域支吊架设计方案

燃油贮存罐顶部到其防火堤底板的距离为7.35m，溢流管出口联接到燃油贮存罐顶部备用管口，也就是说在连接到顶部管口前溢流管至少有7m的上升段，需要至少三个限位支架。但是燃油贮存罐中充满燃油无法在罐体上进行焊接作业，所以只能采用特殊的支架结构。燃油贮存罐之前装有连接灌顶部管口的管道，在设计溢流管支架时考虑借用这段管道作为支架生根的基础。特殊限位支架采用两套管束中间由螺杆连接的支架型式，溢流管的铺设须靠近燃油贮存罐原有管道，其间距在螺杆长度范围之内。管束分别夹紧两根管道，从而达到限制溢流管水平方向位移的目的。同时考虑到此支架不能承受竖直方向的力以及避免增加原有管道支架的受力，在溢流管邻近上升段处的水平段上设置一个限位支架，以承受整个上升段管道的重量。图8为防爆区域支吊架改造效果图。