摘　要：分析混水系統(tǒng)二級管網(wǎng)氣蝕噪聲的產(chǎn)生原因，提出通過排氣和改變用戶熱力站控制方式兩種方案來解決問題。

關(guān)鍵詞：氣蝕噪聲；  混水系統(tǒng)；  二級管網(wǎng)

Research on Cavitation Noise of Secondary Circuit of Water Mixing System

Abstract：The reasons for cavitation noise of secondary circuit of water mixing system are analyzed．Two schemes by exhaust and changing the control nlode of consumer substation are put forward to solve this problem．

Keywords：cavitation noise；water mixing system；secondary circuit

1　概述

隨著能源和環(huán)境問題日益突出，節(jié)能和環(huán)保引起全球關(guān)注，成為人類社會生存和發(fā)展的兩大主題?；焖到y(tǒng)作為一種更加節(jié)能的供熱方案，得到了日益廣泛的應(yīng)用?；焖到y(tǒng)工作原理見圖1，將一級管網(wǎng)的高溫水和二級管網(wǎng)的低溫水在用戶熱力站不經(jīng)過換熱器按比例直接混合后供給熱用戶。

以青島市敦化路區(qū)域供熱蒸汽改高溫水工程為例，本區(qū)域內(nèi)原有的13座用戶熱力站以華電發(fā)電廠的蒸汽為熱源，改造后新建l座高溫水首站，13座用戶熱力站以首站高溫水為熱源，其中7座用戶熱力站采用混水系統(tǒng)供熱(如圖1所示)，6座用戶熱力站采用間接換熱系統(tǒng)供熱。該工程改造完成后，供暖面積將達到192.6×10⁴m²。在供熱規(guī)模不變的情況下，與原供熱方式相比，一級熱力管網(wǎng)(高溫水管網(wǎng)比蒸汽管網(wǎng)熱損失率大幅度降低)改造后節(jié)約標準煤量為2125.9t／a，凝結(jié)水回收節(jié)約標準煤量為1497.4t／a，新建高溫水首站增加電力能耗量折合節(jié)約標準煤量為-44.7t／a，綜合計算這3項得出每年降低煤耗折合標準煤量為3578.6t／a，可減少二氧化硫排放量為74t／a，減少煙塵排放量為18t／a，減少氮氧化物排放量為37t／a，減少二氧化碳排放量為9198t／a。該項目的實施具有良好的節(jié)能效益和環(huán)境效益，符合國家環(huán)保政策，通過該項目的實施可全面提升企業(yè)的能源綜合利用率，實現(xiàn)環(huán)境效益、社會效益和企業(yè)經(jīng)濟效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

但是該項目在投入運行之后，某用戶熱力站所供熱區(qū)域卻出現(xiàn)了個別用戶家里有氣蝕噪聲的問題。下面針對這個問題進行分析。

2　氣蝕噪聲的危害

氣蝕噪聲包含氣蝕和噪聲污染兩方面內(nèi)容。熱力管道大多采用Q2358和20號鋼等材質(zhì)鋼管，而鋼管很容易因為氧氣的存在發(fā)生腐蝕，所以在非供熱期熱力管道均采取滿水保養(yǎng)措施，目的就是為了杜絕空氣進入管道引起腐蝕，影響管道的使用壽命。若熱力管道在輸送熱水時，熱水中存在氣體，除了影響供熱效果，還會因為氣泡破裂等造成噪聲污染，尤其是對個別熱用戶會造成不必要的困擾，影響居民生活環(huán)境。因此，杜絕氣蝕噪聲具有十分重要的意義。

3　氣蝕噪聲的成因

對于熱力管道系統(tǒng)而言，氣蝕噪聲的根源是系統(tǒng)積氣，而系統(tǒng)積氣的成因主要有以下3個方面^[1-2]。

①系統(tǒng)充水前管道中存有空氣

二級熱力管網(wǎng)系統(tǒng)充水前，管道中存有空氣。新建的二級熱力管網(wǎng)，供熱前需要對管網(wǎng)系統(tǒng)進行沖水，留存于管網(wǎng)中的氣體隨水流被排出。因此，此項氣蝕噪聲的成因不予考慮。

②水溫升高時空氣從水中分離

水中溶解空氣，在水溫升高時，空氣從水中分離。

對于二級熱力管網(wǎng)系統(tǒng)而言，運行過程中普遍存在跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，為了正常運行，必須對二級熱力管網(wǎng)系統(tǒng)進行補水。而二級熱力管網(wǎng)的補水大都來自于常溫自來水，在混入二級熱力管網(wǎng)系統(tǒng)的過程中，溶解在水中的空氣從水中分離。

下面分析混水系統(tǒng)與間接換熱系統(tǒng)相比更容易產(chǎn)生氣體的原因。間接換熱系統(tǒng)工作原理見圖2。

圖2中，一級熱力管網(wǎng)的高溫水和二級熱力管網(wǎng)的低溫水在用戶熱力站經(jīng)過換熱器間接換熱后供給熱用戶。而混水系統(tǒng)中(見圖l)，一級熱力管網(wǎng)的高溫水和二級熱力管網(wǎng)的低溫水在用戶熱力站不經(jīng)過換熱器，而是直接混合后供給熱用戶。與間接換熱系統(tǒng)相比，混水系統(tǒng)更容易因為水溫的突然升高而產(chǎn)生氣體。

③壓力降低時空氣從水中分離

當水壓力降低時，空氣從水中分離。

混水系統(tǒng)采用高溫水首站統(tǒng)一定壓以及高溫水首站統(tǒng)一補水，而間接換熱系統(tǒng)則是采用各個用戶熱力站分別定壓和各個用戶熱力站分別補水。對于新建的二級熱力管網(wǎng)系統(tǒng)，混水系統(tǒng)和間接換熱系統(tǒng)一般都不會出現(xiàn)因為失水而引起壓力波動。但是對于一些老舊二級熱力管網(wǎng)系統(tǒng)，失水、漏水現(xiàn)象比較嚴重，此時，間接換熱系統(tǒng)的補水比混水系統(tǒng)更為及時且不會影響到其他用戶熱力站，壓力不會出現(xiàn)明顯波動，而混水系統(tǒng)的壓力則因為首站的補水不能及時傳遞到各個用戶熱力站而出現(xiàn)十分明顯的波動。

由此對比可以看出，混水系統(tǒng)比間接換熱系統(tǒng)更容易因為壓力波動而產(chǎn)生氣體。

綜上分析，間接換熱系統(tǒng)與混水系統(tǒng)都會存在氣蝕噪聲問題，但是由于混水系統(tǒng)是直供系統(tǒng)，因此，積氣現(xiàn)象以及由此造成的氣蝕噪聲問題就會更加明顯，而有效排出積氣是混水系統(tǒng)良好運行的重要前提之一。

4　解決氣蝕噪聲的方案

4．1　機械裝置排氣

對于熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中存有的空氣，常見的機械裝置排氣方式有如下3種。

①在用戶端設(shè)置排氣閥

排氣閥包括手動和自動兩種形式，手動排氣閥在排出氣體后水會從排氣口流出，因此排氣時需有人在旁邊監(jiān)視；而自動排氣閥在排出氣體后會自動關(guān)閉閥門，有效節(jié)省人力。

②在一級和二級熱力管道高點設(shè)置排氣閥

首先確定各段熱力管道的最高點，然后在各段熱力管道的最高點設(shè)置排氣閥。

③在首站或用戶熱力站設(shè)置真空脫氣機

根據(jù)亨利定律^[3]，氣體在水中的溶解度與水溫和壓力相關(guān)。在一定溫度下，氣體溶解度與氣體的壓力成正比。在一定的壓力下，水溫降低，氣體溶解度增加；水溫升高，氣體溶解度降低。當降低水面的壓力時，則可在較低水溫下，使溶于水中的氣體析出，從而除去水中的氣體。真空脫氣(脫氧)機就是通過在機器中產(chǎn)生真空，將水中的游離氣和溶解氣釋放出來，再通過自動排氣閥排出系統(tǒng)，脫氣后的水再注入系統(tǒng)。真空脫氣(脫氧)機不斷通過旁通管路抽取熱力管網(wǎng)的供水，脫氣后再注入熱力管網(wǎng)，如此循環(huán)往復(fù)、連續(xù)運行，直到將水中的氣體排除干凈。

對于混水系統(tǒng)中存有的空氣，在運行一段時間之后，通過裝設(shè)在管路系統(tǒng)中的排氣閥、真空脫氣機等設(shè)備基本可以排除。但是由于敦化路區(qū)域二級熱力管網(wǎng)是運行了多年的老系統(tǒng)，跑、冒、滴、漏現(xiàn)象十分嚴重，在未進行改造前各個用戶熱力站補水量見表1，其余的6個間接換熱熱力站補水不通過高溫水首站補水。整個敦化路區(qū)域二級熱力管網(wǎng)的循環(huán)水量是1745t／h，通過高溫水首站對二級熱力管網(wǎng)的補水量應(yīng)為45.7t／h，雖然補水率達到2.6％，但是此工程的補水主要來自于首站水箱內(nèi)約70℃凝結(jié)水，而凝結(jié)水溫度與一級熱力管網(wǎng)回水溫度相近，其補入一級熱力管網(wǎng)不會造成因水溫驟變而出現(xiàn)氣體析出。通過以上分析，該改造工程中某用戶熱力站所供區(qū)域個別用戶出現(xiàn)的氣蝕噪聲可以確定是壓力不穩(wěn)造成的系統(tǒng)積氣。

出現(xiàn)氣蝕噪聲問題的某用戶熱力站工藝流程見圖1。該用戶熱力站采用的控制方式是溫控，即通過檢測二級熱力管網(wǎng)供水溫度，來調(diào)節(jié)一級熱力管網(wǎng)供水管路上的電動調(diào)節(jié)閥開度，從而控制一級熱力管網(wǎng)的供水流量。而二級熱力管網(wǎng)流量恒定，一級熱力管網(wǎng)的供水流量直接影響到二級熱力管網(wǎng)的供水溫度，不同的電動調(diào)節(jié)閥開度對應(yīng)不同的二級熱力管網(wǎng)供水溫度，從而實現(xiàn)二級熱力管網(wǎng)的實際供水溫度與設(shè)定的二級熱力管網(wǎng)供水溫度曲線一致，滿足供熱需求。

當二級熱力管網(wǎng)失水嚴重時，二級熱力管網(wǎng)供水溫度由此升高，為了保持設(shè)定的供水溫度，電動調(diào)節(jié)閥開度減小，二級熱力管網(wǎng)供水壓力降低，窄氣從水中分離，從而造成個別用戶家罩出現(xiàn)氣蝕噪聲問題。在對現(xiàn)有老舊管網(wǎng)沒有辦法及時找出漏點進行大修的情況下，解決方案就是改變控制方式，將原來的溫控方式改為溫控和壓控聯(lián)合控制的方式。

當圖1所示用戶熱力站存在嚴重的失水現(xiàn)象時，出現(xiàn)了明顯的壓力不穩(wěn)，而采取的控制方式依然是間接換熱系統(tǒng)采用的溫控方式，即根據(jù)室外溫度以及二級熱力管網(wǎng)的供水溫度，來調(diào)節(jié)一級熱力管網(wǎng)上的電動調(diào)節(jié)閥開度，顯然這種溫控方式已經(jīng)不能滿足工程實際。對于一個良好的混水系統(tǒng)，溫度控制方式是合理的，但是對于失水現(xiàn)象嚴重的混水系統(tǒng)，高溫水首站的補水定壓滿足不了各個用戶熱力站的要求，這時較好的解決辦法就是根據(jù)各用戶熱力站自身實際需要，通過溫控和壓控聯(lián)合控制的方式來滿足供熱需求。

混水系統(tǒng)溫控和壓控聯(lián)合控制方式工作原理見圖3，在一級熱力管網(wǎng)供水管上設(shè)置壓力控制的電動調(diào)節(jié)閥1，在一級熱力管網(wǎng)回水管上設(shè)置溫度控制的電動調(diào)節(jié)閥2。壓力控制是通過檢測二級熱力管網(wǎng)回水壓力，來調(diào)節(jié)一級熱力管網(wǎng)供水管上的電動調(diào)節(jié)閥1開度，使二級熱力管網(wǎng)回水壓力滿足所供小區(qū)基本的定壓要求。當二級熱力管網(wǎng)的回水壓力低于該用戶熱力站所需的定壓值時，電動調(diào)節(jié)閥1開度增大；當二級熱力管網(wǎng)的回水壓力高于該用戶熱力站所需的定壓值時，電動調(diào)節(jié)閥1開度減小。溫度控制的電動調(diào)節(jié)閥2通過檢測二級熱力管網(wǎng)供水溫度是否滿足設(shè)定值來調(diào)節(jié)開度，當二級熱力管網(wǎng)的供水溫度低于設(shè)定值時，增大電動調(diào)節(jié)閥2開度；反之，減小電動調(diào)節(jié)閥2開度。通過溫控和壓控聯(lián)合控制的方式，一方面穩(wěn)定了混水系統(tǒng)的壓力，杜絕氣體由于壓力波動而析出；另一方面也滿足了溫度控制的要求。

以3號用戶熱力站為例，二級熱力管網(wǎng)回水壓力為0.38MPa時可以達到滿意的供熱效果，那么將一級熱力管網(wǎng)供水管上的電動調(diào)節(jié)閥的控制程序加以修改，把原來根據(jù)溫度曲線調(diào)節(jié)開度改為根據(jù)二級熱力管網(wǎng)回水壓力值調(diào)節(jié)開度，并在一級熱力管網(wǎng)回水管上加設(shè)一個溫度控制的電動調(diào)節(jié)閥。在更改了控制程序后，此用戶熱力站在運行一段時間后發(fā)現(xiàn)用戶反映的氣蝕噪聲問題得到了很好的改善，且溫度也在正常的范圍內(nèi)波動，供熱效果良好。

5　結(jié)論

混水系統(tǒng)由于其直連方式，比間接換熱系統(tǒng)更容易因為溫度突變和壓力不穩(wěn)致使熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中氣體析出，造成氣蝕噪聲。對于由于溫度突變造成的氣體析出，解決的辦法就是在合適的位置設(shè)置排氣閥和真空脫氣機等設(shè)備。對于壓力不穩(wěn)造成的氣體析出，則需要從控制方式上加以改變，即將傳統(tǒng)的溫控方式改為溫控和壓控聯(lián)合控制的方式，將二級熱力管網(wǎng)回水壓力作為控制信號調(diào)節(jié)一級熱力管網(wǎng)供水管上的電動調(diào)節(jié)閥開度，將二級熱力管網(wǎng)供水溫度作為控制信號調(diào)節(jié)一級熱力管網(wǎng)回水管上的電動調(diào)節(jié)閥開度，從而在保證供熱效果的前提下有效地減少氣蝕噪聲。

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本文作者：宋煦亞  秦敬韓  王望

作者單位：青島能源設(shè)計研究院有限公司