核電再熱系統開式安全閥排放管道參數的計算方法

秦重陽 陳 林 鐘 鼎 曹 林 李 堯

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

核電再熱系統開式安全閥排放管道參數的計算方法

秦重陽 陳 林 鐘 鼎 曹 林 李 堯

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章綜合 ASME B31.1 和國內相關文獻中的介紹， 給出了一種 核電再熱系 統開式安全 閥排放管道 熱力參數及 排汽反力的計算方法，并給出了此計算方法的應用示例，以期對相關工程設計人員提供一定的指導作用。

安全閥；排汽管；放空管；臨界流動；亞臨界流動；排汽反力

0 引言

在電廠及石油化工設備中，安全閥是系統中重要的防超壓安全附件。在系統發生超壓的情況下，若安全閥系統不能將蒸汽安全排出，將會對整個系統產生嚴重的危害。安全閥系統分為開式和閉式兩種。在開式安全閥系統設計中，安全閥排放管的設計是一項非常重要的工作。若安全閥排放管設計不當，則有可能導致蒸汽不能順利排出，而從排放管下端疏水盤處反噴出來，造成較大的危害。并且安全閥在排汽過程中對管道和支撐結構會產生多種附加作用力，若對這些力估計不足，則會導致管道支架損壞甚至對土建結構造成危害。由于對這些作用力的估計不足或結構設計不當，國內外許多電廠都出現過安全閥接管座或進、排汽管道損壞的嚴重事故。

核電再熱系統與常規火電相比，蒸汽參數低，流量大，對安全閥系統要求高。由于再熱系統的復雜性以及廠房土建結構方面的影響，安全閥排放管道有時設置得比較長，導致安全閥排放管道出口處于亞臨界流動狀態， 而在 ASME B31.1 中，安全閥排放管參數的計算方法是基于臨界流動狀態的，無法適用于亞臨界流動的情況。因此，需要一種較為通用的安全閥排放管道參數的計算方法，能夠分別對臨界流動和亞臨界流動進行計算，以滿足核電再熱系統安全閥排放管道的設計需求。本文綜合 ASME B31.1 以及國內相關規范文獻中的介紹，給出了一種核電再熱系統開式安全閥排汽管道熱力參數及排汽反力的計算方法。

1 開式排放系統特點

所謂安全閥開式排放系統是指安全閥開啟時，氣體直接排放到大氣或排放到與安全閥不相連的放空管。圖1是典型的開式排放系統。對于圖1所示的開式系統， ASME B31.1 規范中在幾何上有如下要求： l≤4D0， m≤6D0， D0指排汽管的外徑。

圖1 開式排放系統

2 計算方法

開式安全閥排放管道參數的求解，就是求解圖2中點1、 點2和點3處的蒸汽壓力、 流速， 進而得到各點處的排汽反力。

圖2 排汽參數的確定

2.1 開式系統排放管設置要求

在圖2所示的開式安全閥排放管道設計中，如果放空管設計不當，可能會出現反噴現象，也就是蒸汽沿放空管入口處反向噴出。為了防止反噴， 放空管的設計應該滿足式（1）。

式中：

W—介質質量流量， kg/s；

V1—點 1 處流速， m/s；

V2—點 2 處流速， m/s；

P1—點 1 處壓力 （絕壓）， MPa；

P2—點 2 處壓力 （絕壓）， MPa；

A1—點 1 處出口通流面積， mm2；

A2—點 2 處出口通流面積， mm2；

Pa—大氣壓力。

2.2 放空管出口點 3 處參數的求解

在 ASME B31.1 中， 并未提到排放管出口的流動狀態， 而在國內的相關規范和文獻[1-6]中， 幾乎都提到了排放管出口的流動狀態，包括臨界流動和亞臨界流動。確定流動狀態，首先得求解臨界參數。 本文在求解臨界參數時采用了 ASME B31.1 中的 方 法 ， 根 據 滯止 焓 來 求 解 ； 而 在 DL/T 5054-1996 《火力發電廠汽水管道設計技術規定》 中是根據滯止壓力和滯止比容來求解。 文獻[2]和[4]中對兩種方法進行了對比， 認為ASME B31.1 中的方法更加合理，因此本文也采用了此方法來求解臨界參數。放空管出口點3處的臨界參數可根據式（2）和式（3）求得。

式中：

Pcr—臨界壓力 （絕壓）， MPa；

Vcr—臨界流速， m/s；

W—介質質量流量， kg/s；

A—管道通流面積， mm2；

h0—安全閥入口滯止氣體焓， J/kg。參數a和 b的取值見表1。

表1 參數a和b取值

對于安全閥入口滯止氣體焓值，可根據安全閥前滯止壓力和滯止溫度并通過水蒸汽表查得。安全閥前滯止壓力應該取安全閥的排放壓力，切勿取整定壓力；滯止溫度應該取蒸汽在排放壓力下可能達到的最高溫度。對于介質質量流量，應取安全閥的最大排量或 1.11 倍的安全閥額定排量[3]。

如果臨界壓力大于或等于放空管出口環境壓力， 則放空管出口為臨界流動， 此時 P3=Pcr、 V3= Vcr， P3和 V3分別為點 3 處的壓力和流速； 若臨界壓力小于出口環境壓力，則為亞臨界流動，此時P3=Pa， Pa為 環境 壓 力 ， 而 V3則 需 根 據 虛 段 法 求得。

虛段比容比和虛段阻力系數見式（4）、式（5）。

式中：

β'—虛段比容比；

k—介質的絕熱指數， 對于過熱蒸汽， 取 k= 1.3； 對于飽和蒸汽， 取 k=1.1；

ξ'—虛段阻力系數。

求得虛段比容比后，則點3處的流速見式（6）。

2.3 放空管進口點 2 處參數的求解

求得點 3 處的壓力和流速后， 可根據 ASME B31.1 中的圖表法求得點 2 處的壓力和流速。

圖3 可壓縮流動分析

為了利用圖3 可壓縮流動分析［7］， 首先得計算f （L/D）， f是 Darcy-Weibach 摩擦系數 （對于蒸汽，由于在管道紊流時變化很小，作為估算可取為 0.013）； L 是管段的長度 （mm）； D 是管道內徑（mm）。 求得 f （L/D）后， 再根據介質的絕熱指數k， 即可在圖3 中 查到 P/P＊和 V/V＊的 數值。 點 2處的壓力和流速見式（7）、 式（8）。

然而，采用圖表法求解比較繁瑣，人為誤差也較大， 因此也可根據式（9）、 式（10）求得點 2 處的壓力和流速。

式中，β為介質比容比。

式中：

ζ—管道總阻力系數；

式（11）中，β 值可采用試算迭代法求得，為了進一步簡化計算，也可根據式（13）～（17）近似求得[8]。

對于過熱蒸汽：ζ=0.1～1.0 時，

2.4 排汽管出口點 1 處參數的求解

排汽管出口點1處蒸汽參數的求解與點 3處類似，這里就不再一一贅述。求出點1處的參數后， 即可根據 2.1 節中方法進行反噴校核。 若可能會發生反噴，則需要重新選擇放空管的規格。

2.5 排汽反力的計算

求得各點處的壓力與流速后，排汽反力可根據式（18）計算。

式中：

Fi—i點處的排汽反力， N；

Vi—i點處的介質流速， m/s；

Pi—i點處的介質壓力 （絕壓）， MPa；

Pa—環境壓力；

Ai—i點處的排汽通流面積， mm2。

在安全閥突然開啟時，由于排放管道瞬間收到的作用力一般大于穩定流動時的作用力，考慮瞬態沖擊效應的排汽反作用力見式（19）。

式中：

Fdi—考慮瞬態效應的 i點處排汽反力， N；

fd—動載因子。

動載因子的確定方法如下：

（1）確定安全閥裝置的周期 T， 見式 （20）；安全閥裝置見圖4；

式中：

T—安全閥裝置的自振周期， s；

M—安全閥裝置的質量 （包括閥門、 管道、 法蘭和附件等）， kg；

h—主管至出口管中心線的距離， mm；

E—設計溫度下進口管道材料的彈性模量，MPa；

I—進口管道的截面慣性矩， mm4。

圖4 安全閥裝置 （開式排放系統）

（2）計算安全閥開啟時間與裝置周期的比值t0/T， t0是安全閥從全閉到全開的時間， s；

（3）根據 t0/T 從圖5 中查出動載因子 fd。

國外也有些文獻規定根據管道的不同等級來選擇動載因子：對于核電站的一、二、三級管道，取 fd=2.0； 對于火電廠設計， 則根據上述方法選用fd值[5]。 若需得到更加精確的動載效應， 則可采用更加精確的計算方法或試驗獲得。

圖5 開式排放系統動載因子

3 計算示例

以上核電再熱系統開式安全閥排放管道參數的計算方法，可以用來解決實際問題。下面以核電再熱系統某安全閥排放管為例，計算排放管各點處的參數。

某系統中安全閥的排放介質為飽和蒸汽，排放 量 為 4.5kg/s。 安 全 閥 前 滯 止 壓 力 為 3.37MPa，滯止溫度為 229.7℃， 垂直放空管長度為 10m。 安全閥排汽管出口管為 Φ88.9mm×5.49mm， 放空管為 Φ219.1mm×6.35mm， 如圖6 所示。

圖6 某系統安全閥排放管道示意圖

首先計算點3處參數。根據滯止壓力和滯止溫度， 由水蒸汽表查得滯止焓為 2802826J/kg。 臨界壓力為：

臨界流速為：

由于臨界壓力小于大氣壓力，因此為亞臨界流動，點3處的參數按亞臨界流動狀態計算。則：

P3=Pa=0.1013MPa

虛段比容比為：

虛段阻力系數為：

點3處的流速為：

V3=Vcr/β'=483.77/1.96=246.82m/s

點 2 處參數根據 2.3 節中方法， 首先求得管道總的阻力系數為：

然后， 根據式（11）試算求得介質比容比為：

則點2處壓力和流速為：

=0.1128MPa

排汽管出口點1處的壓力和流速計算方法與放空管出口點3處相同， 點1處的壓力和流速為：

根據 2.1 節中反噴校核條件有：

因此，放空管設計滿足不反噴條件。

各點處的排汽反力根據式（18）可求得。

由于暫無安全閥裝置的詳細信息，因此無法確切計算動載因子，出于安全性考慮，取動載因子為 2.0。 各點處考慮瞬態沖擊效應的排汽反力即可得出。

4 結論

安全閥系統在核電廠中是重要的安全附件。合理地設計安全閥排放管道是安全閥系統的重要環節，是安全閥能夠實現其功能的保障。

本文綜合 ASME B31.1 以及國內相關規范和文獻中的方法，提出了一種適用于核電再熱系統開式安全閥排汽管道蒸汽參數及排汽反力計算的方法。該方法適用于排放管出口為臨界流動和亞臨界流動的情況， 突破了 ASME B31.1 《動力管道》僅適用于出口為臨界流動的局限性；采用滯止焓并引入實際水蒸汽圖表的修正來計算蒸汽參數，較之 DL/T 5054-1996 《火力發電廠汽水管道設計技術規定》中采用理想氣體性質來計算更加合理。

[1]DL/T 5054-1996,火力發電廠汽水管道設計技術規定[S],1996

[2] 李晉鵬, 胡念蘇. 火電廠安全閥排汽管道參數計算方法的討論[J].熱力發電,2003(1):22-26

[3] 陳波,楊春.330MW 機組鍋爐安全閥排汽管道強度核算及探討[J].廣西電力,2009(5):83-87

[4] 張建中, 陸錫琛. 鍋爐安全閥排汽管道的熱力參數及反力的計算方法[J].中國電力,1985(10):39-45

[5] 陳紅. 安全閥排放管道支架設計 [J].化工設計,2005,15 (4):30-35

[6] 詹世平, 李志義. 安全閥的背壓及其排放管道的設計計算[J].中國鍋爐壓力容器安全,1991,7(4):21-24

[7]ASME B31.1-2007， Pow er Piping[S],2007

[8] 金采赤,閻洪環,馬東飛.安全閥排汽管道計算方法初探[J].東北電力技術,1997(11):38-41

Calculation Method of Parameters of Open Safety Valve Vent Pipe in Reheat System of Nuclear Power Plant

Qin Chongyang， Chen Lin， Zhong Ding， Cao Lin， Li Yao
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

Based on the introductions in ASME B31.1 and domestic related literatures,a calculation method of thermal parameters and reaction forces of open safety valve vent pipe in the reheat system of nuclear power plantwere recommended in this paper.An example for this calculationmethod was given to provide some guidance to the designers.

safety valve,discharge pipe,vent pipe,critical flow,subcritical flow,reaction force

秦重陽 （1986-）， 男， 碩士， 2010 年畢業于西安交通大學動力機械及工程熱物理專業， 現從事核電管道設計工作。