袁雄俊,劉利
(華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司,北京市,100120)
近年來,在三北(西北、華北和東北)地區(qū)已建和新建了較多熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱機(jī)組,城市集中供熱方式正逐漸取代家戶式的分散取暖爐方式。供熱系統(tǒng)的安全性不僅是經(jīng)濟(jì)問題,更是關(guān)系國計(jì)民生的大問題。而要保證整個(gè)供熱系統(tǒng)的安全穩(wěn)定,首先應(yīng)保證熱電廠供熱首站設(shè)計(jì)合理、安全可靠。本文結(jié)合熱電廠供熱首站設(shè)計(jì)工作的實(shí)踐,就熱電廠供熱首站設(shè)計(jì)安全的5個(gè)問題進(jìn)行探討。
在熱網(wǎng)啟動(dòng)初期,熱網(wǎng)內(nèi)的雜物很多,尤其像磚頭、碎石和焊渣等堅(jiān)硬雜物進(jìn)入熱網(wǎng)循環(huán)水管道,可能造成熱網(wǎng)循環(huán)泵葉輪斷裂或者首站的換熱器換熱管破壞等嚴(yán)重后果。為了避免發(fā)生上述嚴(yán)重事故,應(yīng)在熱網(wǎng)首站回水管道上設(shè)置2級自動(dòng)清污器,具體設(shè)計(jì)如下:在回水母管的適當(dāng)位置先設(shè)置過濾精度相對低的1級臨時(shí)自動(dòng)清污器,用以在熱網(wǎng)運(yùn)行初期先行清除熱網(wǎng)管道中的像磚頭、碎石等大而堅(jiān)硬的雜物,待系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間管網(wǎng)中大而堅(jiān)硬的雜物基本被清除后,拆除該臨時(shí)清污器或者去掉臨時(shí)清污器濾芯直接過流;第2級濾網(wǎng)為設(shè)置在熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口管上的過濾精度較高的自動(dòng)濾網(wǎng),用于去除其他細(xì)小雜物,該濾網(wǎng)為永久濾網(wǎng)。
與單級自動(dòng)清污器設(shè)計(jì)相比,2級自動(dòng)清污器有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)由于自動(dòng)清污器為臨時(shí)的,可以不為該自動(dòng)清污器設(shè)置旁路,這樣就節(jié)省了3個(gè)大口徑的電動(dòng)關(guān)斷閥。
(2)1級臨時(shí)自動(dòng)清污器只要求清除熱網(wǎng)管道中的像磚頭、碎石等大而堅(jiān)硬的雜物,過濾精度比單級自動(dòng)清污器低,因而成本也更低;再有,熱網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行更方便,更可靠。當(dāng)某臺(tái)泵前的濾網(wǎng)故障時(shí),只要啟用備用泵,就可以停泵檢修此濾網(wǎng),這樣對熱網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行不產(chǎn)生影響。而單級自動(dòng)清污器若故障,就必須走旁路,這樣就可能對熱網(wǎng)首站的安全性及經(jīng)濟(jì)性造成影響。
在1級臨時(shí)自動(dòng)清污器選型及布置時(shí),筆者認(rèn)為以下幾點(diǎn)需要注意:
(1)應(yīng)選擇可連續(xù)排污的自動(dòng)清污器,且以旋流式清污器為好[1]。
(2)自動(dòng)清污器的設(shè)計(jì)參數(shù)建議取用熱網(wǎng)循環(huán)水的供水設(shè)計(jì)參數(shù)。
(3)由于該自動(dòng)清污器要除去像磚頭、碎石這樣大且堅(jiān)硬的雜物,要求所配濾網(wǎng)及其他過水?dāng)嗝娌考懈叩膹?qiáng)度及耐磨性。
根據(jù)CJJ 34—2002《城市熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的第7.5.3條中規(guī)定[2]:閉式熱力網(wǎng)補(bǔ)水裝置的流量不應(yīng)小于供熱系統(tǒng)循環(huán)流量的2%;事故補(bǔ)水量不應(yīng)小于供熱系統(tǒng)循環(huán)流量的4%。即要求熱網(wǎng)正常補(bǔ)水量最小應(yīng)為2%系統(tǒng)循環(huán)流量。假定熱網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)流量為1萬t/h,則要求正常補(bǔ)水量至少達(dá)到200 t/h。對一級閉式熱網(wǎng)系統(tǒng)來說這個(gè)比例過高,隨著我國整體工業(yè)技術(shù)水平的提高,其熱水損失已能達(dá)到很小,這一點(diǎn)在DL/T 5068—2005《火力發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》表7.1.3(發(fā)電廠各項(xiàng)正常水汽損失)也得到體現(xiàn)[3]。該表對閉式熱水網(wǎng)損失要求按熱水網(wǎng)水量的0.5%~1%或根據(jù)資料來設(shè)計(jì)。為此建議對一級閉式熱網(wǎng)系統(tǒng),熱電廠供熱首站的正常補(bǔ)水量按1%系統(tǒng)循環(huán)流量設(shè)計(jì)。
應(yīng)對熱網(wǎng)事故補(bǔ)水水質(zhì)給予足夠重視,尤其是其中的Cl-含量。根據(jù)CJJ 34—2002《城市熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的第7.5.3條中規(guī)定:事故補(bǔ)水時(shí),軟化除氧水量不足,可以補(bǔ)充工業(yè)水;而第4.3.5條又規(guī)定當(dāng)供熱系統(tǒng)有不銹鋼設(shè)備時(shí),應(yīng)考慮Cl-腐蝕問題,供熱介質(zhì)中Cl-含量不宜高于0.002 5%,或者不銹鋼設(shè)備采取防腐措施。而在熱網(wǎng)首站實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中,往往采用生水作為事故補(bǔ)水,生水大都有可能是中水,Cl-含量都在0.02%以上。如果這樣的水直接補(bǔ)入熱網(wǎng)系統(tǒng),則會(huì)給整個(gè)熱網(wǎng)系統(tǒng)造成二次損害。為了解決這一矛盾,采取下列措施是必要的:首先,先行落實(shí)生水的水質(zhì),并盡早告之外網(wǎng)設(shè)計(jì)單位,以便外網(wǎng)系統(tǒng)盡早采取相應(yīng)的防范措施;其次,在首站設(shè)計(jì)中,在造價(jià)允許的范圍內(nèi)盡量采用耐高Cl-的設(shè)備及材料,或者在相應(yīng)設(shè)備內(nèi)加裝內(nèi)襯方式防止Cl-腐蝕。
根據(jù)CJJ 34—2002《城市熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.0.2中規(guī)定“熱網(wǎng)供、回水管道的設(shè)計(jì)均取循環(huán)水泵最高處出口壓力加上循環(huán)水泵與管道最低點(diǎn)地形高差產(chǎn)生的靜水壓力”。即該規(guī)定要求熱網(wǎng)首站的供回水管道的設(shè)計(jì)壓力是相同的,且都取循環(huán)水泵出口的供水管道的設(shè)計(jì)壓力。這樣設(shè)計(jì)是安全、可靠的,因?yàn)楫?dāng)某種原因突然致使熱網(wǎng)供水管道將外網(wǎng)熱用戶“旁路”或者當(dāng)泵因突然失電或其他原因造成嚴(yán)重水錘事故發(fā)生時(shí),都會(huì)使熱網(wǎng)首站回水管道壓力陡增,大大超過外網(wǎng)提供的正?;厮畨毫?。為此,在進(jìn)行回水管道上的各閥門、流量測量裝置、濾網(wǎng)等設(shè)備及管道設(shè)計(jì)選型時(shí),也應(yīng)按供水管道的設(shè)計(jì)壓力來設(shè)計(jì)選取。
根據(jù)CJJ 34—2002《城市熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.0.2中規(guī)定“熱力網(wǎng)應(yīng)按允許壓力降確定管徑,但供熱介質(zhì)流速不應(yīng)大于3.5 m/s”。而根據(jù)DL/T 5054—1996《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》第3.1.2中推薦的流速如下[4]:離心泵出口管道是2~3 m/s;離心泵入口管道是0.5~1.5 m/s。筆者認(rèn)為對于熱網(wǎng)首站的回水管道其設(shè)計(jì)流速可按供水管道的流速選取,可取2.5 m/s。這主要是基于以下2點(diǎn)考慮:首先,要求離心泵入口降低流速主要是為了防止汽蝕,而對于熱網(wǎng)循環(huán)泵,由于在回水管道上設(shè)有定壓補(bǔ)水系統(tǒng),保證了在回水溫度下回水管道上任一點(diǎn)都不會(huì)發(fā)生汽化,因而無需通過降低流速來防止汽蝕。其次,可以降低熱網(wǎng)站的初投資。如果按離心泵入口管道推薦的流速來設(shè)計(jì),則回水管道規(guī)格比供水管道會(huì)大幾檔,以熱網(wǎng)循環(huán)水量1萬t/h為例,當(dāng)回水管道取流速為1.5 m/s時(shí),回水管道的規(guī)格應(yīng)為DN1600,而流速取2.5 m/s,回水管道的規(guī)格應(yīng)為DN1200,可以節(jié)省大約40%的鋼材用量。
在實(shí)際熱網(wǎng)站設(shè)計(jì)中,其容量一般是考慮了規(guī)劃熱負(fù)荷的,即在熱網(wǎng)投運(yùn)后的較長時(shí)間內(nèi),熱網(wǎng)循環(huán)水量都達(dá)不到設(shè)計(jì)流量,因而實(shí)際回水管道的流速小于2.5 m/s。
在供熱系統(tǒng)中,水錘現(xiàn)象是客觀存在的,為了保證系統(tǒng)的安全,必須采取積極的預(yù)防措施,盡量減小水錘現(xiàn)象的發(fā)生及由此產(chǎn)生的危害[5-6]。
熱網(wǎng)循環(huán)泵正常工作時(shí)供水均勻,在水泵和管路系統(tǒng)中流速和壓力是穩(wěn)定的。按操作規(guī)程在停泵前緩慢關(guān)閉泵出口閥門,泵和管路系統(tǒng)中流速和壓力變化也是很小的,因而泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中和正常停泵時(shí)是不會(huì)引起水錘現(xiàn)象發(fā)生。而當(dāng)泵因突然失電或其他原因,造成出口閥門開閥停泵,在水泵及管路中水流速度在短時(shí)間內(nèi)急劇變化引起一系列壓力交替急劇升降的水力沖擊,這種現(xiàn)象就稱為水錘(也稱停泵水錘)。這種沖擊性壓力突然升高是很大的,最高可達(dá)到正常壓力的2倍,對管路和設(shè)備有很大的危害性。
采用下述設(shè)計(jì)可防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生或者可盡可能降低水錘帶來的危害。
(1)設(shè)置帶止回閥的泄壓旁通管。
在循環(huán)水泵的回水母管和供水母管之間設(shè)置帶止回閥的泄壓旁通管。在循環(huán)水泵正常運(yùn)行時(shí),由于水泵出水側(cè)水壓高于吸水側(cè)的水壓,止回閥呈關(guān)閉狀態(tài)。在突然停泵的瞬間,泵出水側(cè)壓力急劇降低,而吸水側(cè)壓力則大幅度增高,在此壓差作用下,循環(huán)水泵吸水側(cè)管路中的水即推開止回閥至泵出水側(cè)的管網(wǎng)系統(tǒng),從而降低了吸水側(cè)管網(wǎng)中壓力增高的幅度,減少和防止了水錘的危害。泄壓旁通管上的止回閥應(yīng)選用阻力較小、開啟靈活的產(chǎn)品。泄壓旁通管的管徑越大,對減小水錘越有力,可以根據(jù)規(guī)定的壓力界限確定經(jīng)濟(jì)的管徑,一般管徑可選比進(jìn)口管小1號(hào)。
(2)設(shè)置緩閉式止回閥。
在泵出口設(shè)置防水錘的緩閉式止回閥,而不采用普通的止回閥,理由如下:普通的止回閥有諸如事故停泵時(shí)閥門迅速關(guān)閉,造成閥后的空穴,空穴在正負(fù)水錘波的作用下,反復(fù)產(chǎn)生和自滅,造成閥門的空蝕破壞,使其壽命縮短;當(dāng)閥瓣動(dòng)作不靈活時(shí),關(guān)閉緩慢,水倒流,沖擊葉輪產(chǎn)生飛逸反轉(zhuǎn)而破壞泵設(shè)備;以及正常運(yùn)行時(shí),閥瓣飄在水中,不停地?cái)[動(dòng)和振動(dòng),因而流阻大、摩擦大、耗能高、壽命短等。而防水錘止回閥除克服了普通止回閥的上述缺點(diǎn),還具有如下特點(diǎn):啟泵后閥門能及時(shí)迅速打開;正常運(yùn)行時(shí),要求閥瓣有盡可能大的開啟角,并能穩(wěn)定在全開位置;停泵時(shí)閥門有優(yōu)化的關(guān)閉特性,在突然停泵時(shí)即能阻止水倒流,保護(hù)水泵不致發(fā)生飛逸反轉(zhuǎn),達(dá)到保護(hù)水泵的目的,又能使其在關(guān)閉的最后階段實(shí)現(xiàn)緩閉,減少突然關(guān)閉造成管路中的水錘,達(dá)到保護(hù)管路的目的。
(3)設(shè)置重錘式安全閥。
在水泵進(jìn)口管上安裝重錘式安全閥,防止回水壓力由于停泵急劇升高對循環(huán)泵帶來危害。
目前,很多供熱機(jī)組的采暖抽汽管道上都裝設(shè)了汽機(jī)廠提供的安全閥,該安全閥的主要作用是為了防止中壓缸超壓,保護(hù)汽機(jī)。設(shè)置此安全閥的原因是基于可能出現(xiàn)這樣的極端事故工況:即采暖抽汽管道上的快關(guān)閥由于某種原因突然關(guān)閉,同時(shí)中壓缸到低壓缸之間聯(lián)通管上的調(diào)節(jié)閥也由于某種原因無法調(diào)節(jié),此時(shí)中壓缸排汽無法及時(shí)排出,壓力會(huì)很快升高,引起中壓缸超壓。故設(shè)此安全閥及時(shí)將采暖抽汽排到室外,從而達(dá)到保護(hù)汽機(jī)的目的。
要實(shí)現(xiàn)這一功能得有2個(gè)前提:其一是需要設(shè)置100%容量的安全閥,其二是確保安全閥此時(shí)能正常工作。
(1)對于第1個(gè)前提,現(xiàn)場設(shè)計(jì)時(shí)往往無法實(shí)現(xiàn),因?yàn)?00%容量安全閥排汽管道很大,即使是按2× 50%容量設(shè)計(jì)的安全閥,其排汽管道也到達(dá)2× DN1000左右(以330 MW機(jī)組,額定抽汽550 t/h為例)。該管道受主廠房空間的限制,無法布置開。正基于此,汽機(jī)廠往往提供2×15%~2×25%容量的安全閥,然而此時(shí)的安全閥已經(jīng)起不到其最初保護(hù)中壓缸不超壓的作用。以330 MW采暖機(jī)組為例,額定采暖抽汽量是550 t/h,此時(shí)通過聯(lián)通管去低壓缸的蒸汽流量大約是110 t/h,如果按50%容量安全閥設(shè)置考慮,則通過安全閥可排出的蒸汽量是275 t/h,剩下275 t/h需要通過聯(lián)通管上的調(diào)節(jié)閥進(jìn)入低壓缸。此時(shí)由于調(diào)節(jié)閥故障,調(diào)閥開度不變,此時(shí)閥前的流量將是原來的3.5倍。而閥前后的壓差與其通過流量的平方成正比,故此時(shí)閥前后的壓差將達(dá)原來的12倍,而閥后壓力基本不變,則閥前壓力將增加很大,也要造成中壓缸超壓。
(2)對于第2個(gè)前提,由于出現(xiàn)這種極端事故工況的可能性很小,電廠運(yùn)行人員也反映該安全閥基本沒用過。對這樣長時(shí)間不用而得不到維護(hù)重視的閥門,很難確保在發(fā)生極端事故工況時(shí)能發(fā)揮正常功能。即使100%容量安全閥起作用,也要求機(jī)組盡快停機(jī),因?yàn)槿魏我粋€(gè)電廠都不會(huì)允許將550 t/h的蒸汽這樣白白浪費(fèi)掉。
正是基于上述2個(gè)前提都難以保證,筆者認(rèn)為不宜設(shè)安全閥,可采用替代的保護(hù)方案解決極端事故工況,即由汽機(jī)廠通過設(shè)置中壓缸超壓冗余保護(hù)措施來實(shí)現(xiàn)。
具體做法是:增加中壓缸壓力測點(diǎn),并同時(shí)增加壓力信號(hào)傳輸通道,確保只要出現(xiàn)中壓缸壓力超限就立即停機(jī)保護(hù)。筆者認(rèn)為此種替代保護(hù)方案不僅可行,而且比設(shè)計(jì)安全閥更經(jīng)濟(jì)、更可靠。
為了保證熱電廠供熱首站設(shè)計(jì)安全、可靠,下列設(shè)計(jì)是值得借鑒的。
(1)在熱電廠供熱首站的回水管道上設(shè)置2級自動(dòng)清污器:第1級為回水總管上設(shè)置過濾精度較低的臨時(shí)自動(dòng)清污器,用以先行清除熱網(wǎng)管道中的像磚頭、碎石等大而堅(jiān)硬的雜物;第2級為循環(huán)水泵入口各支管上設(shè)置過濾精度較高的自動(dòng)濾網(wǎng),用于去除其他影響設(shè)備安全及熱網(wǎng)首站換熱效果的細(xì)小雜物。
(2)對1級閉式熱網(wǎng)系統(tǒng),熱網(wǎng)正常補(bǔ)水量可按熱網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)流量的1%設(shè)計(jì),并對熱網(wǎng)事故補(bǔ)水水質(zhì),尤其是其中的Cl-含量給予足夠重視。
(3)熱網(wǎng)首站回水管道的設(shè)計(jì)壓力及設(shè)計(jì)流速按熱網(wǎng)首站供水管道的設(shè)計(jì)參數(shù)來選取。
(4)在熱網(wǎng)循環(huán)水泵的回水母管和供水母管之間設(shè)置1個(gè)帶止回閥的泄壓旁通管,在熱網(wǎng)循環(huán)水泵出口設(shè)置防水錘的緩閉式止回閥,在熱網(wǎng)循環(huán)水泵進(jìn)口管上安裝重錘式安全閥等設(shè)計(jì)手段來防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生。
(5)不采用在采暖抽汽管道上設(shè)安全閥的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,而是與汽機(jī)廠配合,采用更經(jīng)濟(jì)、更可靠的替代保護(hù)方案。
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