動態(tài)水力分析用于防止供熱輸送干線水擊事故

摘 要

摘要：結合設計標準和工程實例，對動態(tài)水力分析在防止大管徑、長距離、大落差供熱輸送干線出現(xiàn)水擊事故的應用進行探討。分析了動態(tài)水力分析對熱網(wǎng)設計和安全運行的重要作用。
摘要：結合設計標準和工程實例，對動態(tài)水力分析在防止大管徑、長距離、大落差供熱輸送干線出現(xiàn)水擊事故的應用進行探討。分析了動態(tài)水力分析對熱網(wǎng)設計和安全運行的重要作用。
關鍵詞：動態(tài)水力分析；熱網(wǎng)；輸送干線；水擊；運行
Application of Dynamic Hydraulic Analysis to Preventing Heat-supply Transmission Main from Water Hammer Accident
ZHANG Xiao-song，LI Lin
Abstract：Combining with the design standard and an engineering case，the application of dynamic hydraulic analysis to preventing heat-supply transmission main with large diameter，long distance and high drop from water hammer accident is discussed. The important role of dynamic hydraulic analysis in design and safety operation of heat-supply network is analyzed.
Key words：dynamic hydraulic analysis；heat-supply network；transmission main： water hammer；operation
1 概述
在長距離的熱網(wǎng)中，經(jīng)常會碰到高差較大的起伏地形，為保證用戶資用壓力，通常會提高熱網(wǎng)運行壓力，或者在中途設置中繼泵站。長距離熱水熱網(wǎng)是一個安裝有泵、閥門、補償器等裝置的十分復雜的相對密閉的循環(huán)系統(tǒng)，易出現(xiàn)事故，如循環(huán)泵斷電、管子、閥門損壞、閥門誤操作等。在事故工況下，熱網(wǎng)易出現(xiàn)劇烈的壓力波動，甚至發(fā)生水擊，嚴重時會產(chǎn)生巨大損失，因此應采取必要的水擊防護措施[1]。CJJ 34—2002《城市熱力網(wǎng)設計規(guī)范》第7.2.8條規(guī)定：“一般供熱系統(tǒng)可僅進行靜態(tài)水力分析，具有下列情況之一的供熱系統(tǒng)宜進行動態(tài)水力分析：具有長距離輸送干線；供熱范圍內(nèi)地形高差大；系統(tǒng)工作壓力高；系統(tǒng)工作溫度高；系統(tǒng)可靠性要求高。”
動態(tài)水力分析是針對管道中的特殊情況(如事故工況)進行的瞬態(tài)壓力工況分析。例如，長距離輸送干線由于沿途沒有用戶，一旦干線上的閥門誤關閉，則運行會突然完全中斷；地形高差大的熱網(wǎng)，低處熱網(wǎng)承壓較大；系統(tǒng)工作壓力高時往往管道強度儲備小；系統(tǒng)工作溫度高時易汽化等。在這些情況下供熱系統(tǒng)極易發(fā)生水擊事故。水擊發(fā)生時壓力瞬變會造成巨大破壞，而且是突發(fā)事故，應引起高度重視。因此，有條件時應進行動態(tài)水力分析，根據(jù)分析結果采取相應措施，有利于提高供熱系統(tǒng)的可靠性。
    CJJ 34—2002《城市熱力網(wǎng)設計規(guī)范》第7.2.9、7.2.10條規(guī)定：“動態(tài)水力分析應對循環(huán)泵或中繼泵跳閘、輸送干線主閥門非正常關閉、熱源換熱器停止加熱等非正常操作發(fā)生時的壓力瞬變進行分析。動態(tài)水力分析后，應根據(jù)分析結果采取下列相應的主要安全保護措施：設置氮氣定壓罐；設置靜壓分區(qū)閥；設置緊急泄水閥；延長主閥關閉時間；循環(huán)泵、中繼泵與輸送干線的分段閥連鎖控制；提高管道和設備的承壓等級；適當提高定壓或靜壓水平；增加事故補水能力。”
    上述防止壓力瞬變破壞的安全保護措施供設計參考，在具體的工程中應用哪種措施是有效的，應由動態(tài)水力分析結果確定。本文結合設計標準要求和工程實際，對動態(tài)水力分析在防止大管徑、長距離、大落差的輸送干線出現(xiàn)水擊事故的應用進行探討。
2 工程概況
    工程地點位于中國北方某市，該地區(qū)屬丘陵盆地地貌(海拔320～370m)，四周山高(海拔400～600m)。屬大陸性季風氣候，供暖室外計算溫度為-14℃。
熱源為熱電廠，位于郊區(qū)，供熱能力為518MW，熱源出口管道規(guī)格為DN 1000mm。由熱電廠向市區(qū)供熱，輸送干線長度達到13.6km，且管道通過地區(qū)地形復雜，最大高差達到100m以上。為保證熱網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，提高供熱介質(zhì)的溫度，降低輸送能耗，將熱網(wǎng)分為三級，供熱系統(tǒng)見圖1。輸送干線設計供回水溫度為130、70℃，一級管網(wǎng)設計供回水溫度為120、65℃，二級管網(wǎng)設計供回水溫度為85、60℃。供熱輸送干線距離長、管徑大、壓力、溫度較高，對可靠性要求較高。因此，在方案設計上，除了靜態(tài)水力分析合理可行外，還應進行動態(tài)水力分析，避免出現(xiàn)重大事故。
 

3 設計方案
3.1 初步設計方案
    ① 熱網(wǎng)布置及水壓圖
初步設計方案考慮控制輸送干線運行壓力在1.6MPa以下，在中部設中繼泵站一座，初步設計方案的熱網(wǎng)布置及水壓圖見圖2。
 

   ② 動態(tài)水力分析
   a. 首站循環(huán)泵斷電事故工況
   采用動態(tài)水力分析，首站循環(huán)泵斷電事故工況下地形最高處供水壓力曲線見圖3，圖中虛線為溫度為130℃下的飽和蒸汽壓力曲線。在首站循環(huán)泵斷電事故工況下，出現(xiàn)了地形最高處供水壓力低于飽和蒸汽壓力的情況，此時供熱介質(zhì)將發(fā)生汽化，而且這一過程持續(xù)了一段時間，易在熱網(wǎng)中形成空穴點，循環(huán)泵重新啟動時易發(fā)生水擊。
   b. 中繼泵斷電事故工況
采用動態(tài)水力分析，中繼泵斷電事故工況下首站供水壓力曲線、地形最高處供水壓力曲線見圖4，圖中虛線為溫度130℃下的飽和蒸汽壓力曲線。
 

由圖4可知，首站循環(huán)泵出口壓力波動較大，最高達到2.05MPa，這比采用靜態(tài)水力分析的結果高約0.5MPa。在中繼泵斷電事故工況下，出現(xiàn)了地形最高處供水壓力低于飽和蒸汽壓力的情況，此時供熱介質(zhì)將發(fā)生汽化，易發(fā)生水擊事故。
3.2 改進設計方案
按靜態(tài)水力分析，初步設計方案是合理的，最大壓力在首站處(壓力為1.66MPa)，外部管網(wǎng)靜態(tài)運行壓力小于1.6MPa。動態(tài)水力分析顯示，初步設計方案的設計、運行易由于壓力的大幅度波動產(chǎn)生超壓或汽化，導致嚴重的安全問題。為提高輸送干線的安全性，需對初步設計方案進行改進：提高設計壓力，取消中繼泵站，系統(tǒng)最大壓力為2.5MPa；在首站處供水溫度提高為135℃，回水溫度不變，供回水溫差加大5℃，流量減小8%；首站循環(huán)泵采用兩級泵形式，保證控制的穩(wěn)定性。改進設計方案的熱網(wǎng)布置及水壓圖見圖5。
 

進行動態(tài)水力分析，改進設計方案在首站循環(huán)泵斷電事故工況下地形最高處供水壓力曲線見圖6，圖中虛線為溫度130℃下的飽和蒸汽壓力曲線。
 

由圖6可知，在首站循環(huán)泵斷電事故工況下，地形最高處的供水壓力高于飽和蒸汽壓力，供熱介質(zhì)不會發(fā)生汽化。動態(tài)水力分析表明，以較高的供水溫度減小供熱介質(zhì)流量，以及提高壓力水平，可以在系統(tǒng)出現(xiàn)事故工況時，保證供熱系統(tǒng)安全運行。
4 結論
① 對于國內(nèi)大型集中供熱系統(tǒng)，作為主要熱源的熱電廠一般遠離供熱中心區(qū)，往往形成長距離、大落差的大型熱網(wǎng)。為了避免出現(xiàn)水擊，除了必要的靜態(tài)水力分析外，宜進行動態(tài)水力分析，全面評價各種設計參數(shù)、各種運行及事故情況下熱網(wǎng)的安全性，并從技術、經(jīng)濟方面對設計方案進行優(yōu)化。
② 在長距離輸送熱網(wǎng)中設置中繼泵站，雖然可以降低熱網(wǎng)運行壓力，但是增加了事故風險，壓力波動可能超過安全限度。因此，應謹慎選擇中繼泵站方案。
③ 通常，主循環(huán)泵和中繼泵發(fā)生故障、閥門意外關閉、換熱器出現(xiàn)異常，易造成熱網(wǎng)位置最高點供熱介質(zhì)汽化，導致水擊事故。為減小水擊危害，應在動態(tài)水力分析的指導下，除了采用提高設計壓力、布置循環(huán)泵的旁通管、循環(huán)泵與閥門連鎖控制等方法之外，還應制定完善的運行控制策略，以避免在正常調(diào)節(jié)工況下出現(xiàn)水擊事故。
參考文獻：
[1] 韓冬泳，張巖，李清海.熱水供熱系統(tǒng)水擊防護措施的應用[J].煤氣與熱力，2007，27(3)：69-70.
 

(本文作者：張曉松 李琳 北京市煤氣熱力工程設計院有限公司 北京 100032)