核电厂应急柴油机燃油系统虹吸问题分析及处理

周振栋，蔡茜娅，金 戈，谭 勇

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

秦山一期核电工程是我国国内设计建造相对较早的核电工程，由于当初设计理念相对落后，部分系统没有考虑虹吸效应的影响，没有采取相应的技术措施来规避和应对可能存在的虹吸现象。下面将结合结合秦一厂柴油机燃油系统由于虹吸原理引发的缺陷，分析原因及相应处理对策，为故障的解决提供思路。

1 虹吸现象研究现状

虹吸现象是指由于液位差的存在和大气压的作用，处于高液位的液体会通过充满液体且插入液面以下的管道自发且持续地流向低液位处。这种虹吸现象在工业生产中广泛应用，例如：煤矿综采工作面在开采过程中突水的情况，根据运输巷起伏不平的特点以及复杂的现场环境，利用虹吸原理实现自然疏水，达到高效排水目的[1]；在原有屋面排水的基础上，应用虹吸效应设计虹吸式屋面雨水排水系统，不仅改善了建筑物屋面实际排水成效，还提高了建筑物本身建设质量[2-3]；核电厂通过设置虹吸井，使得凝汽器水室内循环水能够在负压状态持续流动，从而降低几何供水高程、减小循环水泵扬程需求，利用虹吸原理重力排水，减少厂用电的消耗[4-5]。

2 虹吸原理基础

将低液位容器液面定义为a，高液位容器液面为b，管道AB、BC、CD 的最高位置为c，ab 液面差为h，bc 高度差为H。当管道内部充满液体时，高液位容器内的液体就会自发且持续地流向低液位容器，直到ab 液面齐平或管道A 端高于液面b，这就是虹吸现象（图1）。

图1 虹吸原理

虹吸效应是大气压、液位差和重力的共同作用，CD 段液体由于重力作用，流入低液位容器，并在BC 段形成真空区域，由于大气压作用，将AB 段液体填补该真空区域，如此持续作用下形成虹吸现象。

虹吸现象刚开始时，CD 段液体由于自重向下流动，ABC 段液体运动状态相对滞后，可以认为b 平面液体速度vb为0，压力Pb为大气压P0，a 平面液体速度为va，压力Pa为大气压P0，根据伯努利方程可得：

ABC 段液体是在该管段形成真空后由大气压的共同作用产生的流动，因此vb=vc，由伯努利方程可得：

根据上述分析可以得出发生虹吸现象需要有3 个基本条件：①条件1，存在液位差，保证虹吸管两端均在最高液位面以下；②条件2，虹吸管道的最高点不得高于标准大气压所能支持的液柱高度，且需保证液体不发生汽化；③条件3，虹吸管道内贯通且充满液体。

3 缺陷实例分析及处理

在秦一厂大修期间，进行2#应急柴油机日用燃油箱溢流管旁路阀进行定期更换操作，期间需打开该旁路阀，将日用燃油箱内燃油通过出油管—旁路阀流回油罐，在排空燃油箱后拆下旁路阀，发现燃油从该阀门与油罐连接段法兰持续流出且无法排空。

应急柴油机燃油系统的日用油箱处于绝对高度5.0 m 处，旁路阀的绝对高度为1.0 m，油罐液面b 的绝对高度为2.2 m且管道AB 插入油罐液面以下（图2）。

图2 应急柴油机燃油系统布置

当油箱内燃油流回油罐后，出油管内燃油的最大高度基本于B端齐平。燃油系统中油罐-旁路阀回路满足发生虹吸现象的3 个基本条件：油罐与旁路阀存在液位差，且虹吸管两端均在液面b 以下；B 端仅高于液面约2 m；虹吸管内贯通且充满燃油。于是，油罐内燃油回流到旁路阀，虹吸现象将在b 液面低于管道A 端才会停止，按照技术规格书要求，油罐油位低于2.05 m将直接判定柴油机不可用，使得6 kV 安全I/II 段失去备用电源，两台应急柴油机发生该情况，将造成电厂停堆。

（1）针对虹吸现象发生的基本条件1，制定方案1：截短AB管伸入油罐深度，使得A 端高于最高液面，但是该方案实施前需要放空油罐内的燃油，工作窗口限制大。

（2）针对基本条件2，制定方案2：将B 端向上延伸至距b液面10 m 处，使得标准大气压无法支持燃油达到虹吸管道的最高点，且在最高位置燃油发生部分汽化，但是该方案需占据大量空间，现场不具备可实施性。

（3）针对基本条件3，提出方案3——在旁路阀至油罐的管道间安装逆止阀，使得虹吸管道内不贯通，以及方案4——松开管道B 端法兰螺栓，使得管内燃油分别回落到油罐和旁路阀处，管道内未充满燃油。方案3 需要采购设备、安装施工、维护保养等一系列流程，成本较高，方案4 具备可实施性，且实施成本和后期维护成本低，仅需更换该法兰处垫片。

通过对比，选取方案4 处理上述虹吸现象。现场对旁路阀—油罐法兰进行临时封堵后，松开油罐顶部的B 端法兰螺栓（图3），期间用容器收集从法兰处流出的燃油，待燃油流尽后更换法兰垫片，并回装螺栓。随后，拆下旁路阀法兰处临时封堵，用容器收集管道内剩余燃油，从而完成旁路阀的更换工作。

图3 油罐连接法兰螺栓位置

4 总结及建议

应急柴油机燃油系统相应管路在低液位处发生虹吸现象的主要原因是，管道插入高位容器的液面以下且未安装放气阀或逆止阀等虹吸破坏设备。该柴油机机油系统和冷却水系统均存在高位容器且均未安装放气阀或逆止阀，后续可安排对相应高位油箱和水箱的排查工作，对于管道插入高位容器液面以下的设计缺陷可择机采取割短插入管道的预防措施。

针对性的排查可以定位有可能发生虹吸的位置，但是对于无法随时排查或无法立即从根本上处理的情况，可以通过以下3 个措施来预防及处理：

（1）实时监测高位容器液位和管道流量变化，及时发现已发生的虹吸现象。发生虹吸现象时高位容器液位往往快速下降，管道内出现液体倒流，及时监测可以保证第一时间快速发现并定位虹吸问题，从而进行后续针对性的处理。

（2）通过采取根本措施杜绝虹吸效应。根本性的措施主要是针对虹吸效应发生的3 个基本条件，一般是破坏基本条件1 和条件3，主要手段分别对应：①截短高位容器的管道插入深度；②安装放气阀、逆止阀或者虹吸防止器等设备。

（3）通过采取临时措施处理虹吸现象。由于高位容器无法打开、未安装放气阀等防虹吸设备的现场情况，往往通过破坏虹吸基本条件3 进行处理，如松开虹吸管道上的高位法兰螺栓、工艺堵头、外接仪表等部件引入大气防止虹吸。

消除3 种虹吸基本条件是预防和解决虹吸问题的根本方法，在设计、运行和维护的过程中可以参照这3 个基本条件分别制定对策，再根据现场实际和成本进行方案优选，从而采用最佳的方案来预防和处理虹吸问题。