二級管網(wǎng)安全閥常開原因及回座、整定壓力設(shè)定

彭文濤

(華遠(yuǎn)星海運有限公司，上海 200126)

1 概述

在城鎮(zhèn)熱水供熱系統(tǒng)的熱力站設(shè)計中，二級管網(wǎng)往往設(shè)置安全閥，作為超壓保護的最后一道屏障。但在熱力站運行中，筆者曾遇到安全閥超壓動作后，安全閥閥瓣不回座。隨著補水泵補水，熱水由安全閥流出，造成站內(nèi)積水嚴(yán)重，特別是對于設(shè)置在地下室的熱力站，危及電氣設(shè)備運行及人身安全。本文結(jié)合某熱力站，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和設(shè)計手冊，對熱力站二級管網(wǎng)安全閥的選型進行復(fù)核，分析安全閥閥瓣不回座原因，提出解決方案。

2 研究對象

某座熱力站(設(shè)置在居民樓一層)在2018—2019年供暖期投入運行，供熱面積為1.63×104m2，設(shè)計供熱能力為780 kW，二級管網(wǎng)供、回水溫度為55、45℃，設(shè)計壓力為1.6 MPa。定壓點設(shè)在二級管網(wǎng)回水循環(huán)泵入口處，定壓壓力為0.5 MPa，二級管網(wǎng)設(shè)計質(zhì)量流量為80 t/h，二級循環(huán)泵設(shè)計揚程為24 m，補水泵設(shè)計質(zhì)量流量為3.2 t/h，補水泵設(shè)計揚程為61 m。二級管網(wǎng)安全閥設(shè)置在補水泵出口處(見圖1)，安全閥公稱通徑為40 mm，閥座口徑為32 mm，排放壓力為0.66 MPa，整定壓力為0.55 MPa，回座壓力為 0.44 MPa。室內(nèi)采用 PE －RT地面輻射供暖系統(tǒng)，設(shè)計壓力為0.8 MPa，采用承壓能力為1.6 MPa的銅質(zhì)閥門。供熱區(qū)域最低點標(biāo)高與熱力站地面標(biāo)高相同，承壓最大的用戶在居民樓一層。

熱力站系統(tǒng)流程見圖1。在循環(huán)泵入口設(shè)置定壓點壓力變送器，當(dāng)定壓點壓力低于定壓壓力的98%時啟動補水泵，當(dāng)高于定壓壓力的103%時停止補水。設(shè)置安全閥的目的是防止二級管網(wǎng)超壓。

3 安全閥選型復(fù)核

3.1 安全閥的關(guān)鍵指標(biāo)

根據(jù)GB/T 12241—2005《安全閥 一般要求》，與安全閥動作相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)包括以下6個:整定壓力pz，回座壓力 ph，排放壓力 pp，超過壓力，啟閉壓差 Δpqb，背壓 pb。

圖1 熱力站系統(tǒng)流程

根據(jù)供熱領(lǐng)域的一般做法，對于溫度較低的二級管網(wǎng)供熱介質(zhì)，選取彈簧微啟式安全閥。彈簧微啟式安全閥典型動作曲線見圖2［1］。由圖2可知，閥瓣從整定壓力(點A)經(jīng)歷超壓階段到達排放壓力(點B)，然后經(jīng)歷啟閉壓差階段回到關(guān)閉位置(點C)，完成全部行程。當(dāng)管道壓力接近安全閥的整定壓力時，彈簧力接近介質(zhì)作用在閥瓣上的力，則閥瓣與閥座之間的作用力幾乎為0。此時，可以聽到輕微的介質(zhì)流出的聲音，即通常所說的安全閥在突跳前的前泄。小流量的介質(zhì)流過閥座表面，通過安全閥內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生附加力，克服彈簧力，導(dǎo)致閥瓣離開閥座突跳開啟。一旦安全閥開始開啟，閥瓣便會迅速到達預(yù)定的相對開啟高度。當(dāng)安全閥進口壓力降到彈簧力足以克服系統(tǒng)壓力及安全閥內(nèi)部附加力之和時，閥門關(guān)閉(即閥瓣回座)，此時的壓力就是回座壓力。

在閥瓣回座的過程中，閥瓣相對開啟高度與管道壓力基本成線性關(guān)系，在回座壓力點C處有不太明顯的閥門突關(guān)的特性——閥瓣的相對開啟比例不再與管道壓力成正相關(guān)，閥瓣在點C處突然回座到閥座上。而且從圖2中可知，在閥門突關(guān)前閥瓣相對開啟高度已經(jīng)接近0。為分析方便，我們忽略此處的突關(guān)特性，認(rèn)為管道壓力從排放壓力下降到回座壓力的過程中，閥瓣開啟高度與管道壓力成正比。

3.2 整定壓力的取值

圖2 彈簧微啟式安全閥典型動作曲線

許多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計手冊對整定壓力范圍進行了規(guī)定，但與供暖領(lǐng)域緊密相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GB/T 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》、CJJ/T 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》、GB/T 29466—2012《板式熱交換機組》并沒有涉及相關(guān)內(nèi)容。以下標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計手冊涉及了相關(guān)內(nèi)容。

① 《熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃設(shè)計手冊》［2］規(guī)定的整定壓力為管道工作壓力附加0.03～0.05 MPa。對于該熱力站項目，管道工作壓力取定壓壓力。因此，由《熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃設(shè)計手冊》得到的整定壓力范圍為0.53 ～0.55 MPa。

② 《動力管道設(shè)計手冊》［3］規(guī)定的整定壓力為1.05～1.10倍的管道工作壓力。因此，由《動力管道設(shè)計手冊》得到的整定壓力范圍為0.52～0.55 MPa。

③ 《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》［4］要求整定壓力為定壓壓力附加0.05 MPa，即整定壓力為0.55 MPa。

④ GB/T 150.1—2011《壓力容器 第 1部分:通用要求》第B.4.7條規(guī)定，整定壓力為定壓壓力的 1.05～1.10倍，即整定壓力范圍為 0.52～0.55 MPa。

⑤ GB/T 50316—2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》(2008年版)第14.2.4條規(guī)定，整定壓力為定壓壓力的 1.0～1.1倍，即整定壓力為 0.50～0.55 MPa。

⑥ HG/T 20570.2—1995《安全閥的設(shè)置和選用》第4.0.1條規(guī)定，對于非火災(zāi)用安全閥，安全閥整定壓力為定壓壓力的1.0～1.1倍，即整定壓力為0.50 ～0.55 MPa。

對于該熱力站，筆者選取上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計手冊對整定壓力規(guī)定的范圍的最大值，即0.55 MPa。

3.3 安全閥性能參數(shù)

GB/T 12243—2005《彈簧直接載荷式安全閥》規(guī)定彈簧微啟式安全閥的設(shè)計、結(jié)構(gòu)、性能等標(biāo)準(zhǔn)。彈簧微啟式安全閥的整定壓力仍取0.55 MPa。

① 排放壓力。GB/T 12243—2005表6對用于液體安全閥的排放壓力的要求為小于或等于整定壓力的1.2倍，因此排放壓力≤0.66 MPa。筆者取0.66 MPa。

② 啟閉壓差。GB/T 12243—2005表9對用于液體安全閥的啟閉壓差的規(guī)定為:當(dāng)整定壓力大于0.3 MPa時，啟閉壓差應(yīng)小于或等于整定壓力的20%，因此啟閉壓差≤0.11 MPa。筆者取 0.11 MPa。

③ 回座壓力。GB/T 12243—2005未給出明確要求，但根據(jù)啟閉壓差的定義，可以計算得到回座壓力應(yīng)大于整定壓力的80%，因此回座壓力應(yīng)大于0.44 MPa。出于保守考慮，筆者取 0.44 MPa。

3.4 安全閥規(guī)格

二級管網(wǎng)安全閥的定徑設(shè)計參數(shù)一般根據(jù)HG/T 20570.2—1995《安全閥的設(shè)置和選用》進行計算。

① 安全閥所需排放量

HG/T 20570.2—1995 第 7.0.1.4 條規(guī)定，充滿液體的容器，進出口閥門全部關(guān)閉時，排放量按正常工作輸入的熱量計算。液體膨脹工況下安全閥所需排放量qreq的計算式為:

式中 qreq——安全閥所需排放量，m3/h

α——液體體膨脹系數(shù)，K－1

Φ——供暖系統(tǒng)設(shè)計供熱量，kJ/h

ρL——液體密度，kg/m3

cp——液體的比定壓熱容，kJ/(kg·K)

式(1)中，液體體膨脹系數(shù)取回水溫度45℃條件下水的體膨脹系數(shù)9.84×10－3K－1，液體密度取回水溫度45℃條件下水的密度990.21 kg/m3，供暖系統(tǒng)設(shè)計供熱量為2 808 MJ/h，液體的比定壓熱容取水的比定壓熱容4.186 kJ/(kg·K)。由式(1)，可計算得到安全閥所需排放量為6.66 m3/h。

② 安全閥最小排放面積

HG/T 20570.2—1995 第 8.0.3.5 條給出的安全閥最小排放面積A計算式:

體現(xiàn)現(xiàn)代化。新法案中體現(xiàn)了雙重注冊、以工作為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)、職業(yè)發(fā)展途徑和其他一些自2006年該法案最后一次授權(quán)以來的突出實踐措施。

式中 A——安全閥最小排放面積，mm2

C0——流量系數(shù)

Kp——超壓系數(shù)

Kw——背壓修正系數(shù)

Kv——黏度修正系數(shù)

p'p——計算用排放壓力，MPa

pb——安全閥背壓，MPa

HG/T 20570.2—1995 第 8.0.3.5 條規(guī)定，對安裝在管道上的安全閥，流量系數(shù)取 0.62。第8.0.3.5條規(guī)定，對于彈簧微啟式安全閥，背壓修正系數(shù)取1.0。根據(jù) HG/T 20570.2—1995 第16.0.11條的相關(guān)規(guī)定進行計算，并查圖16.0.11，得到黏度修正系數(shù)為1.0。

將已知參數(shù)代入式(2)，可計算得到安全閥最小排放面積為106.51 mm2。

③ 安全閥座口徑

HG/T 20570.2—1995 第 8.0.2 條 2款給出的彈簧微啟式安全閥閥座口徑D的計算式為:

式中 D——安全閥閥座口徑，mm

hmax——閥瓣最大開啟高度，mm HG/T 20570.2—1995 第2.0.4 條規(guī)定，對于微啟式彈簧安全閥，閥瓣的最大開啟高度不小于閥座口徑的2.5%。對于市場在售的安全閥，閥瓣的最大開啟高度多為閥座口徑的5%。因此，閥瓣開啟高度取安全閥的閥座口徑的5%。由式(3)可計算得到安全閥閥座口徑為26.05 mm。經(jīng)查彈簧微啟式安全閥產(chǎn)品樣本，安全閥公稱通徑選擇DN 40 mm，閥座口徑為32 mm。

3.5 選型復(fù)核結(jié)果

選型復(fù)核后可知，該熱力站二級管網(wǎng)安全閥選型符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及設(shè)計手冊的規(guī)定。

4 熱水排放原因

補水泵用于維持管道回水定壓，目前供熱行業(yè)補水泵普遍采用變頻器控制。設(shè)定補水泵控制采用比例調(diào)節(jié)，即管道壓力低于定壓壓力一定值時，補水泵開始補水，并用最大流量補水，當(dāng)管道壓力高于定壓壓力一定值時，補水泵停止補水。

對于該熱力站二級管網(wǎng)，當(dāng)定壓點壓力低于定壓壓力98%時啟動補水泵，當(dāng)定壓點壓力高于定壓壓力103%時停止補水。這樣，補水泵啟動時的管道壓力為0.49 MPa，停止時的管道壓力為0.515 MPa。

當(dāng)由于某種原因，系統(tǒng)回水壓力超過安全閥整定壓力0.55 MPa，并達到排放壓力0.66 MPa時，安全閥動作排放管道內(nèi)的水。當(dāng)管道壓力降至0.49 MPa時，由于未降至安全閥回座壓力(0.44 MPa)，閥瓣尚未完全回座，仍在泄水。而此時，由于管道壓力已經(jīng)達到補水泵啟動壓力，補水泵啟動補水。隨著補水泵運行，管道壓力上升，安全閥閥瓣相對開啟高度增大，排放量隨之增大。當(dāng)管道壓力升至0.515 MPa時，補水泵停止補水，此時安全閥繼續(xù)排放。當(dāng)管道壓力降至0.49 MPa時，補水泵重新啟動補水，安全閥仍處在排放狀態(tài)。由以上分析可知，無論補水泵是否啟動，安全閥始終處于排放狀態(tài)。不僅造成水源浪費，若位于地下的熱力站排水不暢，還極可能造成大量積水，形成安全隱患。

由以上分析可知，若安全閥排放壓力至回座壓力范圍包含了補水泵的啟動壓力到停止壓力的范圍，在安全閥由于某種原因引起排放后，很可能形成安全閥持續(xù)泄水、補水泵反復(fù)補水，系統(tǒng)無法自動恢復(fù)正常狀態(tài)。

5 解決辦法

將安全閥回座壓力選定在定壓壓力與補水泵啟動壓力之間。對于該熱力站二級管網(wǎng)安全閥，應(yīng)將安全閥的原回座壓力0.44 MPa提高，隨之而來的是整定壓力的提高，最終導(dǎo)致最低用戶有超壓的危險。因此，當(dāng)安全閥回座壓力上調(diào)時，我們有必要對該回座壓力條件下的最低用戶承壓進行校核計算。

為便于選型，將定壓壓力作為安全閥回座壓力，并試取安全閥整定壓力，最后在二級管網(wǎng)回水壓力達到整定壓力條件下校核承壓最大用戶(即最底層用戶)的承壓不高于其設(shè)計壓力0.8 MPa。若滿足以上條件，認(rèn)為安全閥選擇得當(dāng)。當(dāng)不滿足以上條件時，調(diào)整整定壓力，使得在二級管網(wǎng)回水壓力達到整定壓力時，最底層用戶的壓力不高于其設(shè)計壓力。最終采用定制的方法，使得定制的安全閥的回座壓力、整定壓力滿足設(shè)計要求。

對于該工程的計算方法如下。

安全閥回座壓力取0.5 MPa，安全閥整定壓力試取 0.625 MPa。

二級管網(wǎng)管道回水壓力達到安全閥整定壓力時，最底層用戶管道承壓pzg的計算式為:

式中 pzg——二級管網(wǎng)管道回水壓力達到安全閥整定壓力時，最底層用戶管道承壓，MPa

ppum——循環(huán)泵壓頭，MPa

Δp1——最底層用戶與熱力站地面位壓的差，MPa，本文為 0

Δp2——循環(huán)泵出口至最底層用戶的沿程、局部阻力，MPa

對于該算例，循環(huán)泵壓頭為0.24 MPa，最底層用戶與熱力站位壓差為0，忽略循環(huán)泵出口至最底層用戶的沿程、局部阻力(出于保守考慮)。將已知參數(shù)代入式(4)，可計算得到二級管網(wǎng)管道回水壓力達到安全閥整定壓力時，最底層用戶管道承壓為0.865 MPa，大于設(shè)計壓力 0.8 MPa。因此，須將安全閥整定壓力調(diào)整至0.56 MPa，略大于標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計手冊規(guī)定的值，進而滿足條件。因此，向安全閥廠家定制的安全閥的整定壓力為0.56 MPa，回座壓力為0.5 MPa。

6 結(jié)論

出現(xiàn)安全閥持續(xù)排水的主要原因是安全閥開啟后閥瓣不回座，隨著補水泵補水，熱水由安全閥流出。解決方案為:將安全閥回座壓力選定在定壓壓力與補水泵啟動壓力之間。在二級管網(wǎng)回水壓力達到整定壓力條件下校核承壓最大用戶的承壓不高于設(shè)計壓力，從而確定回座壓力、整定壓力。采取向安全閥生產(chǎn)廠家定制的方法，定制回座壓力、整定壓力滿足要求的安全閥。