淺談高寒地區(qū)長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)水錘分析及防護(hù)措施

麻亞?wèn)|

（內(nèi)蒙古蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

0 引言

在我國(guó)“3060”雙碳行動(dòng)的背景下，統(tǒng)籌城市周邊大型熱電廠資源實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離供將成為我國(guó)北方地區(qū)清潔取暖的主旋律，今后的長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)將向著復(fù)雜化、大規(guī)模的方向發(fā)展，具有大溫差、大高差、大管徑、長(zhǎng)距離等特點(diǎn)，這也大大增加了供熱管網(wǎng)水錘發(fā)生的概率，水錘的破壞力也大大提高。在供熱長(zhǎng)輸熱水管網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)下，如何保障長(zhǎng)輸供熱熱水管網(wǎng)安全地運(yùn)行，免受水錘影響，是該報(bào)告的研究?jī)?nèi)容。

在熱水供熱系統(tǒng)中，水擊現(xiàn)象會(huì)影響系統(tǒng)安全運(yùn)行，必須采取積極的安全措施，防止水擊現(xiàn)象發(fā)生。水擊現(xiàn)象最容易出現(xiàn)在停泵、再起泵過(guò)程及事故停電或閥門(mén)開(kāi)閉不當(dāng)?shù)惹闆r下。特別是輸送介質(zhì)溫度高、輸送距離長(zhǎng)、落差大的管網(wǎng)，更應(yīng)采取措施，防止水擊現(xiàn)象發(fā)生，盡量減少水擊危害。

該項(xiàng)目所在地為呼倫貝爾市，處于高緯度、高寒地帶，冬季最低溫度在-31 ℃以下，年平均氣溫為-5 ℃～-1 ℃。長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)的安全性顯得尤為重要。由于管網(wǎng)長(zhǎng)度46 km、地形高差89 m，工程供熱規(guī)模大，供熱距離長(zhǎng)，供熱管徑大，技術(shù)難度大，安全要求高，因此應(yīng)避免管網(wǎng)在事故工況時(shí)的壓力瞬變出現(xiàn)水擊現(xiàn)象。

1 項(xiàng)目概況

根據(jù)項(xiàng)目的可行性研究，該項(xiàng)目采用大溫差供熱技術(shù)，供回水溫度130/40℃，設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，管徑為DN1200，材質(zhì)Q235B。從供熱首站至隔壓站管線總長(zhǎng)46km，高差89m，以直埋敷設(shè)方式為主，局部特殊路段采用頂管敷設(shè)的方式[1]。

供熱管網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，該長(zhǎng)輸管線設(shè)置1座供熱首站與1座隔壓站，采用4組水泵加壓的方式輸送熱水。項(xiàng)目正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)對(duì)主管線水壓進(jìn)行計(jì)算，長(zhǎng)輸熱網(wǎng)循環(huán)水量為6880 t/h，采用管徑2×DN1200(一供一回)。

圖1 供熱管網(wǎng)系統(tǒng)圖

2 水錘現(xiàn)象的危險(xiǎn)性

在輸送水（或其他液體）的過(guò)程中，當(dāng)閥門(mén)突然開(kāi)啟或關(guān)閉，遇到水泵突然停車(chē)等非穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，水流速會(huì)突然發(fā)生變化，由于流體的慣性作用，因此管道內(nèi)流體的壓力急劇變化，產(chǎn)生大幅度壓力波動(dòng)的現(xiàn)象，該現(xiàn)象稱為水擊（也叫水錘）或水力瞬變過(guò)程。由水擊產(chǎn)生的這種大幅度瞬間壓力波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)中壓力瞬間升高和下降，壓力波在傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)反射和疊加，攜帶巨大的能量，會(huì)導(dǎo)致管道系統(tǒng)強(qiáng)烈振動(dòng)、噪聲，甚至有可能對(duì)管道系統(tǒng)產(chǎn)生很大的破壞作用。在熱水供熱系統(tǒng)中，水擊現(xiàn)象導(dǎo)致大幅度壓力波動(dòng)，會(huì)使系統(tǒng)壓力產(chǎn)生瞬時(shí)驟變的現(xiàn)象，當(dāng)管網(wǎng)中壓力瞬間升高時(shí)，設(shè)備、管道及管路附件可能因承壓能力不足而損壞。另外，當(dāng)管網(wǎng)中壓力瞬間下降時(shí)，熱力網(wǎng)輸送的高溫?zé)崴赡芷纬煽昭?，破壞水流的連續(xù)性，當(dāng)管網(wǎng)中的汽穴遇到升高的壓力波時(shí)，汽穴潰滅，形成新的水力瞬變過(guò)程，這都會(huì)影響熱水供熱系統(tǒng)的安全運(yùn)行。供熱系統(tǒng)曾發(fā)生的水擊事故中，出現(xiàn)供熱干線爆管、循環(huán)泵房電氣設(shè)備破壞、管道大幅度振動(dòng)推垮支架以及閥門(mén)、水泵損壞等情況，導(dǎo)致大面積停熱，產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。從該項(xiàng)目概況可知，該工程輸送距離長(zhǎng)、管徑很大、溫度高，容易出現(xiàn)水擊現(xiàn)象。

3 水錘分析的邊界條件和假設(shè)

3.1 介質(zhì)物性參數(shù)

根據(jù)項(xiàng)目可行性研究設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)中用熱水的物理特性為供水水溫130℃，回水水溫40℃；為大溫差供熱管網(wǎng)，溫差在90℃左右。其供回水密度、黏度等參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 流體介質(zhì)物性參數(shù)

3.2 循環(huán)泵特性參數(shù)

表2 循環(huán)泵的特性參數(shù)

該項(xiàng)目供熱首站、城區(qū)隔壓站均采用三用一備的模式設(shè)置循環(huán)泵，兩站設(shè)計(jì)循環(huán)泵流量均為2400 t/h，揚(yáng)程分別為171 m、100 m，其運(yùn)行功率分別為1600 kW、1000 kW，轉(zhuǎn)速均為1480 r/min。

3.3 換熱器的參數(shù)

如表3所示，該項(xiàng)目供熱首站以四用零備的模式設(shè)置換熱器，單臺(tái)換熱量180 MW；隔壓站以十一用零備的模式設(shè)置換熱器，單臺(tái)換熱量70 MW。

表3 換熱器的特性參數(shù)

3.4 水錘分析工況

如表4所示，設(shè)置前三種事故工況為供熱首站3臺(tái)泵依次停用；事故工況4至6設(shè)置為隔壓站3臺(tái)泵依次停用；事故工況7、8分別采用關(guān)閉首站、換熱站出口閥門(mén)的方式，水錘分析試驗(yàn)參照以上八種運(yùn)行工況進(jìn)行試驗(yàn)分析。

表4 電廠首站到隔壓站的水錘分析工況

4 水錘分析結(jié)果

4.1 工況1：供熱首站停一臺(tái)泵

在首站停泵過(guò)程中，最大瞬態(tài)壓力為2.269MPa，發(fā)生在隔壓站泵出口處；且最大瞬態(tài)壓力小于管線的設(shè)計(jì)壓力2.5MPa；最小瞬態(tài)壓力為0.1245MPa，發(fā)生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒(méi)有發(fā)生汽蝕。因此該工況下沒(méi)有產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘，也沒(méi)有發(fā)生汽蝕。

4.2 工況2：供熱首站停2臺(tái)泵

在首站停泵過(guò)程中，最大瞬態(tài)壓力為2.269 MPa，發(fā)生在隔壓站泵出口處；且最大瞬態(tài)壓力小于管線的設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa；最小瞬態(tài)壓力為0.07035 MPa，發(fā)生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒(méi)有發(fā)生汽蝕。因此該工況下沒(méi)有產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘，也沒(méi)有發(fā)生汽蝕。

4.3 工況3：供熱首站停三臺(tái)泵

在首站停泵過(guò)程中，最大瞬態(tài)壓力為2.269MPa，發(fā)生在隔壓站泵出口處；且最大瞬態(tài)壓力小于管線的設(shè)計(jì)壓力2.5MPa；最小瞬態(tài)壓力為-0.05698MPa，發(fā)生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒(méi)有發(fā)生汽蝕。因此該工況下沒(méi)有產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘，也沒(méi)有發(fā)生汽蝕。

4.4 工況4：隔壓站停一臺(tái)泵

在隔壓站停泵過(guò)程中，最大瞬態(tài)壓力為2.468 MPa，發(fā)生在距離首站19000 m，標(biāo)高644 m處；且最大瞬態(tài)壓力小于管線的設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa；最小瞬態(tài)壓力為0.2256 MPa，發(fā)生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒(méi)有發(fā)生汽蝕。因此該工況下沒(méi)有產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘，也沒(méi)有發(fā)生汽蝕。

4.5 工況5：隔壓站停兩臺(tái)泵

在隔壓站停泵過(guò)程中，最大瞬態(tài)壓力為2.485 MPa，發(fā)生在距離首站19000 m標(biāo)高644 m處；且最大瞬態(tài)壓力小于管線的設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa；最小瞬態(tài)壓力為0.1860 MPa，發(fā)生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒(méi)有發(fā)生汽蝕。因此該工況下沒(méi)有產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘，也沒(méi)有發(fā)生汽蝕。

4.6 工況6：隔壓站停3臺(tái)泵

在隔壓站停泵過(guò)程中，最大瞬態(tài)壓力為2.493MPa，發(fā)生在距離首站19000m標(biāo)高644m處；且最大瞬態(tài)壓力小于管線的設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa；最小瞬態(tài)壓力為0.1111MPa，發(fā)生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒(méi)有發(fā)生汽蝕。因此該工況下沒(méi)有產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘，也沒(méi)有發(fā)生汽蝕。

4.7 工況7：首站一換熱器出口閥門(mén)關(guān)閉

在閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中，最大瞬態(tài)壓力為2.269MPa，發(fā)生在隔壓站泵出口處；且最大瞬態(tài)壓力小于管線的設(shè)計(jì)壓力2.5MPa；最小瞬態(tài)壓力為0.2880MPa，發(fā)生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒(méi)有發(fā)生汽蝕，因此該工況下沒(méi)有產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘，也沒(méi)有發(fā)生汽蝕。

4.8 工況8：隔壓站一換熱器出口閥門(mén)關(guān)閉

在閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中，最大瞬態(tài)壓力為2.269MPa，發(fā)生在隔壓站泵出口處；且最大瞬態(tài)壓力小于管線的設(shè)計(jì)壓力2.5MPa；最小瞬態(tài)壓力為0.2879MPa，發(fā)生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒(méi)有發(fā)生汽蝕，因此該工況下沒(méi)有產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘，也沒(méi)有發(fā)生汽蝕。

5 水錘結(jié)論及防護(hù)措施

5.1 水錘分析結(jié)論

從以上水錘分析結(jié)果可以看出，當(dāng)首站停泵時(shí)，沒(méi)有發(fā)生較為嚴(yán)重的水錘，最大瞬態(tài)壓力均小于管道的設(shè)計(jì)壓力，也未發(fā)生汽蝕；隔壓站停泵時(shí)，未發(fā)生較為嚴(yán)重的水錘，最大瞬態(tài)壓力均小于管道的設(shè)計(jì)壓力，也沒(méi)有發(fā)生汽蝕；首站和隔壓站一個(gè)換熱器出口閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，沒(méi)有發(fā)生較為嚴(yán)重的水錘，最大瞬態(tài)壓力均小于管道的設(shè)計(jì)壓力，也沒(méi)有發(fā)生汽蝕。因此，從以上分析結(jié)果可以看出，該供熱管線在發(fā)生停泵和一個(gè)換熱器進(jìn)出口閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，最大的瞬態(tài)壓力均小于管道的設(shè)計(jì)壓力，不會(huì)出現(xiàn)因上述事故產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力導(dǎo)致爆管問(wèn)題。

由于該熱網(wǎng)工程輸送距離長(zhǎng)，路由有起伏高差，管網(wǎng)運(yùn)行壓力較高，因此必須采取強(qiáng)有力的防止水錘措施，否則一旦發(fā)生水錘，其后果不堪設(shè)想。在停泵、再啟泵過(guò)程及事故停電或閥門(mén)開(kāi)閉不當(dāng)?shù)惹闆r下最容易產(chǎn)生管網(wǎng)水錘現(xiàn)象，水錘產(chǎn)生后主要對(duì)循環(huán)水泵、管道急拐段及熱力站設(shè)備沖擊較大。

5.2 水錘防護(hù)措施

在熱水供熱系統(tǒng)中，水錘現(xiàn)象是客觀存在的，且長(zhǎng)輸多級(jí)加壓供熱管網(wǎng)自身具有復(fù)雜性、特殊性，為了保證系統(tǒng)的安全，必須采取積極的預(yù)防措施，盡量防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生。針對(duì)該項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)中采取以下7條措施：1）泵站防護(hù)分為停泵水錘和啟泵水錘兩部分，啟泵水錘主要是由于水泵在管道中存氣的情況下非正常啟動(dòng)而引起的，有效地避免啟泵水錘只需要在水泵啟動(dòng)時(shí)解決管路的排氣問(wèn)題。停泵水錘是泵站防護(hù)的重點(diǎn)，其主要目的是為了防止水泵葉輪長(zhǎng)時(shí)間反轉(zhuǎn)以及管道升壓。在水泵出口處安裝可兩階段關(guān)閉的緩閉止回閥，可有效避免由于水流倒泄引起的水泵葉輪長(zhǎng)時(shí)間反轉(zhuǎn)的情況，并能夠消減水力瞬變，且成本低，易操作，是泵站防護(hù)的有效措施之一。此外，給水泵并聯(lián)一個(gè)帶止回閥的泄壓旁通管，也能夠有效降低水錘升壓，旁通管的構(gòu)造非常簡(jiǎn)單，因此其造價(jià)一般也非常低廉，在中小型供熱輸水管網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。在零級(jí)熱水管網(wǎng)系統(tǒng)中，主循環(huán)水泵采用變頻調(diào)速裝置，這將進(jìn)一步有效地減少水錘現(xiàn)象發(fā)生的可能性。2）當(dāng)布置管線時(shí)，盡可能地使管道縱斷面平順地上升而不形成類似于駝峰凸部的特異點(diǎn)，這樣避免在停泵過(guò)程中最高點(diǎn)由于汽化產(chǎn)生“水柱分離 ”現(xiàn)象，將大大減少水錘產(chǎn)生的可能性。3）由于鋼管的機(jī)械強(qiáng)度高，管道連接簡(jiǎn)便可靠，因此長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)系統(tǒng)一般選用側(cè)堂的模式。由于不同規(guī)格的鋼管其承壓值也各不相同，并且存在性價(jià)比的問(wèn)題，當(dāng)發(fā)生水錘時(shí)，為了能夠承受一定程度的升壓，防止管道破裂，應(yīng)選用承壓值高的鋼管。4）熱水管網(wǎng)一旦產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，受 沖擊較大的是循環(huán)水泵，針對(duì)該情況，在設(shè)計(jì)時(shí)將循環(huán)水泵的進(jìn)出水總管之間設(shè)置一帶止回閥的泄壓旁通管。在循環(huán)水泵運(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)。當(dāng)突然停泵的瞬間，泵出水側(cè)壓力急劇降低，而吸水側(cè)壓力大幅度增加，在該壓差作用下，循環(huán)水泵吸水側(cè)管路中的水即推開(kāi)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，減少和防止水擊危害。5）熱水管網(wǎng)的管路系統(tǒng)上每隔4 km～5 km設(shè)置1套分段隔離閥門(mén)，在實(shí)際操作中閥門(mén)只能逐漸關(guān)閉，在閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中將向上游和下游相繼發(fā)出一系列的水錘壓力波，波的反射和通過(guò)各自傳播進(jìn)行代數(shù)疊加，因此在條件允許的情況下，應(yīng)盡量延長(zhǎng)閥門(mén)的啟閉時(shí)間，這樣水擊的上升速率減慢，在水錘壓力還沒(méi)有升至最大值時(shí)，與沿管道傳回來(lái)的負(fù)反射波相疊加，可以很大程度地減少管道中的水錘壓力，所以該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中選用關(guān)閉時(shí)間曲線較佳的緩開(kāi)啟蝶閥，且在所有隔離閥門(mén)處設(shè)旁路系統(tǒng)，這樣使用起來(lái)效果更好。長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)因其距離長(zhǎng)，沿線需要配備大量的閥門(mén)，如何確定閥門(mén)的安裝位置對(duì)于防范水錘具有重要意義。閥門(mén)的配備安裝應(yīng)該以熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范為依據(jù)，綜合考慮管理、經(jīng)濟(jì)、管道長(zhǎng)度以及檢修等多方面因素后確定。閥門(mén)的關(guān)閉要經(jīng)歷一定的時(shí)間，快慢兩階段關(guān)閥要比勻速關(guān)閥更能夠有效減少水錘壓力值，絕對(duì)禁止突然關(guān)閉閥門(mén)。因此，運(yùn)行維護(hù)時(shí)須嚴(yán)格按照規(guī)程操作。6）在零級(jí)熱水管網(wǎng)系統(tǒng)中，因水錘壓力是在穩(wěn)態(tài)壓力的基礎(chǔ)上疊加而來(lái)，如果恒壓點(diǎn)壓力定的過(guò)高，當(dāng)發(fā)生水錘時(shí)，系統(tǒng)更容易超壓，若恒壓點(diǎn)壓力定的過(guò)低，又容易出現(xiàn)汽化和負(fù)壓。如果需要使管網(wǎng)按照水壓圖給定的壓力狀況運(yùn)行，就要通過(guò)膨脹水箱定壓、補(bǔ)給水泵定壓、惰性氣體定壓和蒸汽定壓等定壓方式來(lái)確定1個(gè)恒壓點(diǎn)[2]。7）根據(jù)水錘分析結(jié)果及實(shí)際運(yùn)行情況，建議選擇性添加如下水錘防護(hù)和抑制措施：1）建議首站換熱器進(jìn)出口閥門(mén)關(guān)閉的時(shí)間不小于60 s。2）建議隔壓站換熱器進(jìn)出口閥門(mén)關(guān)閉的時(shí)間不小于30 s。3）首站和隔壓站循環(huán)泵出口止回閥采用帶緩閉裝置的止回閥。4）建議隔壓站采用雙路電源，盡量避免泵站泵全停的事故。

6 結(jié)論

通過(guò)以上分析，充分論證了在高寒地區(qū)應(yīng)用長(zhǎng)輸管網(wǎng)供熱技術(shù)時(shí)水錘防護(hù)的必要性，為高寒地區(qū)長(zhǎng)距離多級(jí)加壓供熱輸水管網(wǎng)在設(shè)計(jì)、施工以及調(diào)試時(shí)如何避免水錘危害提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，對(duì)長(zhǎng)距離多級(jí)加壓供熱輸水管網(wǎng)的安全運(yùn)行起到指導(dǎo)作用。