動(dòng)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(jié)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和工程實(shí)例，對(duì)動(dòng)態(tài)水力分析在防止大管徑、長(zhǎng)距離、大落差供熱輸送干線出現(xiàn)水擊事故的應(yīng)用進(jìn)行探討。分析了動(dòng)態(tài)水力分析對(duì)熱網(wǎng)設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行的重要作用。關(guān)
摘要：結(jié)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和工程實(shí)例，對(duì)動(dòng)態(tài)水力分析在防止大管徑、長(zhǎng)距離、大落差供熱輸送干線出現(xiàn)水擊事故的應(yīng)用進(jìn)行探討。分析了動(dòng)態(tài)水力分析對(duì)熱網(wǎng)設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行的重要作用。
關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)水力分析；熱網(wǎng)；輸送干線；水擊；運(yùn)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(zhǎng)距離的熱網(wǎng)中，經(jīng)常會(huì)碰到高差較大的起伏地形，為保證用戶資用壓力，通常會(huì)提高熱網(wǎng)運(yùn)行壓力，或者在中途設(shè)置中繼泵站。長(zhǎng)距離熱水熱網(wǎng)是一個(gè)安裝有泵、閥門、補(bǔ)償器等裝置的十分復(fù)雜的相對(duì)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(dòng)，甚至發(fā)生水擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大損失，因此應(yīng)采取必要的水擊防護(hù)措施[1]。CJJ 34—2002《城市熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.2.8條規(guī)定：“一般供熱系統(tǒng)可僅進(jìn)行靜態(tài)水力分析，具有下列情況之一的供熱系統(tǒng)宜進(jìn)行動(dòng)態(tài)水力分析：具有長(zhǎng)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(dòng)態(tài)水力分析是針對(duì)管道中的特殊情況(如事故工況)進(jìn)行的瞬態(tài)壓力工況分析。例如，長(zhǎng)距離輸送干線由于沿途沒有用戶，一旦干線上的閥門誤關(guān)閉，則運(yùn)行會(huì)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(shí)往往管道強(qiáng)度儲(chǔ)備小；系統(tǒng)工作溫度高時(shí)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(shí)壓力瞬變會(huì)造成巨大破壞，而且是突發(fā)事故，應(yīng)引起高度重視。因此，有條件時(shí)應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)水力分析，根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)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(shè)計(jì)規(guī)范》第7.2.9、7.2.10條規(guī)定：“動(dòng)態(tài)水力分析應(yīng)對(duì)循環(huán)泵或中繼泵跳閘、輸送干線主閥門非正常關(guān)閉、熱源換熱器停止加熱等非正常操作發(fā)生時(shí)的壓力瞬變進(jìn)行分析。動(dòng)態(tài)水力分析后，應(yīng)根據(jù)分析結(jié)果采取下列相應(yīng)的主要安全保護(hù)措施：設(shè)置氮?dú)舛▔汗蓿辉O(shè)置靜壓分區(qū)閥；設(shè)置緊急泄水閥；延長(zhǎng)主閥關(guān)閉時(shí)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(shè)備的承壓等級(jí)；適當(dāng)提高定壓或靜壓水平；增加事故補(bǔ)水能力。”
    上述防止壓力瞬變破壞的安全保護(hù)措施供設(shè)計(jì)參考，在具體的工程中應(yīng)用哪種措施是有效的，應(yīng)由動(dòng)態(tài)水力分析結(jié)果確定。本文結(jié)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求和工程實(shí)際，對(duì)動(dòng)態(tài)水力分析在防止大管徑、長(zhǎng)距離、大落差的輸送干線出現(xiàn)水擊事故的應(yīng)用進(jìn)行探討。
2 工程概況
    工程地點(diǎn)位于中國(guó)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(fēng)氣候，供暖室外計(jì)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(zhǎng)度達(dá)到13.6km，且管道通過地區(qū)地形復(fù)雜，最大高差達(dá)到100m以上。為保證熱網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(jí)，供熱系統(tǒng)見圖1。輸送干線設(shè)計(jì)供回水溫度為130、70℃，一級(jí)管網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫度為120、65℃，二級(jí)管網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫度為85、60℃。供熱輸送干線距離長(zhǎng)、管徑大、壓力、溫度較高，對(duì)可靠性要求較高。因此，在方案設(shè)計(jì)上，除了靜態(tài)水力分析合理可行外，還應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)水力分析，避免出現(xiàn)重大事故。
 

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

   ② 動(dòng)態(tài)水力分析
   a. 首站循環(huán)泵斷電事故工況
   采用動(dòng)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(shí)供熱介質(zhì)將發(fā)生汽化，而且這一過程持續(xù)了一段時(shí)間，易在熱網(wǎng)中形成空穴點(diǎn)，循環(huán)泵重新啟動(dòng)時(shí)易發(fā)生水擊。
   b. 中繼泵斷電事故工況
采用動(dòng)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(dòng)較大，最高達(dá)到2.05MPa，這比采用靜態(tài)水力分析的結(jié)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(shí)供熱介質(zhì)將發(fā)生汽化，易發(fā)生水擊事故。
3.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案
按靜態(tài)水力分析，初步設(shè)計(jì)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(yùn)行壓力小于1.6MPa。動(dòng)態(tài)水力分析顯示，初步設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)、運(yùn)行易由于壓力的大幅度波動(dòng)產(chǎn)生超壓或汽化，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題。為提高輸送干線的安全性，需對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)：提高設(shè)計(jì)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(jí)泵形式，保證控制的穩(wěn)定性。改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的熱網(wǎng)布置及水壓圖見圖5。
 

進(jìn)行動(dòng)態(tài)水力分析，改進(jìn)設(shè)計(jì)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(huì)發(fā)生汽化。動(dòng)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(shí)，保證供熱系統(tǒng)安全運(yùn)行。
4 結(jié)論
① 對(duì)于國(guó)內(nèi)大型集中供熱系統(tǒng)，作為主要熱源的熱電廠一般遠(yuǎn)離供熱中心區(qū)，往往形成長(zhǎng)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(jìn)行動(dòng)態(tài)水力分析，全面評(píng)價(jià)各種設(shè)計(jì)參數(shù)、各種運(yùn)行及事故情況下熱網(wǎng)的安全性，并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。
② 在長(zhǎng)距離輸送熱網(wǎng)中設(shè)置中繼泵站，雖然可以降低熱網(wǎng)運(yùn)行壓力，但是增加了事故風(fēng)險(xiǎn)，壓力波動(dòng)可能超過安全限度。因此，應(yīng)謹(jǐn)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(guān)閉、換熱器出現(xiàn)異常，易造成熱網(wǎng)位置最高點(diǎn)供熱介質(zhì)汽化，導(dǎo)致水擊事故。為減小水擊危害，應(yīng)在動(dòng)態(tài)水力分析的指導(dǎo)下，除了采用提高設(shè)計(jì)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(yīng)制定完善的運(yùn)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(xiàn)：
[1] 韓冬泳，張巖，李清海.熱水供熱系統(tǒng)水擊防護(hù)措施的應(yīng)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(shè)計(jì)院有限公司 北京 100032)