箱式雙向調(diào)壓塔對(duì)城市供熱管網(wǎng)的水錘防護(hù)分析

趙　莉，宋張馳，汪建平

(1.西安航空學(xué)院 能源與建筑學(xué)院，陜西 西安710077； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

箱式雙向調(diào)壓塔對(duì)城市供熱管網(wǎng)的水錘防護(hù)分析

趙莉1，宋張馳2，汪建平2

(1.西安航空學(xué)院 能源與建筑學(xué)院，陜西 西安710077； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

摘要：城市供熱管網(wǎng)突然停泵、閥門突然關(guān)閉和熱負(fù)荷突然改變都會(huì)導(dǎo)致管道系統(tǒng)壓力降低，容易產(chǎn)生蒸汽空腔，繼而引發(fā)斷流彌合水錘。介紹了供熱管網(wǎng)中常用的水錘防護(hù)設(shè)施，簡(jiǎn)述了箱式雙向調(diào)壓塔的特點(diǎn)及邊界條件，通過工程實(shí)例，兩階段緩閉止回閥結(jié)合箱式雙向調(diào)壓塔的防護(hù)方案對(duì)于供熱管網(wǎng)水錘防護(hù)效果顯著。

關(guān)鍵詞：供熱管網(wǎng)；蒸汽空腔；斷流彌合水錘；水錘防護(hù)設(shè)施；箱式雙向調(diào)壓塔；邊界條件

0引言

近年來，我國(guó)城市集中供熱工程取得了飛速的發(fā)展。由于熱力管網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜，突然斷電導(dǎo)致停泵、閥門突然關(guān)閉、熱負(fù)荷改變等都會(huì)引起水錘發(fā)生，甚至導(dǎo)致水錘事故[1]，水錘使管道系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，容易導(dǎo)致管道的保溫層脫落，甚至導(dǎo)致管道疲勞，降低使用壽命[1]。供熱管網(wǎng)系統(tǒng)是閉式系統(tǒng)，水錘波速達(dá)到1km/s，迅速在整個(gè)管道傳播，高溫?zé)崴娘柡驼羝麎褐当瘸厮闹狄?，一旦管道出現(xiàn)降壓波，管道系統(tǒng)中就會(huì)存在蒸汽空腔，當(dāng)升壓波到來，蒸汽空腔破滅，產(chǎn)生壓力極大的斷流彌合水錘，其強(qiáng)度可以達(dá)到數(shù)十米甚至上百米水柱壓力，足以損壞管道及水泵、閥門、散熱器等設(shè)備，使管道產(chǎn)生巨大振動(dòng)，破壞管道的支撐[1]，對(duì)供熱管道的危害十分嚴(yán)重。

在現(xiàn)代熱網(wǎng)中，由于加大了熱源(熱電廠或集中供熱區(qū)的鍋爐房)的單位容量，大管徑、長(zhǎng)距離的熱力管道和裝有許多的調(diào)節(jié)閥、閘板閥等的大型水泵增壓站點(diǎn)投入運(yùn)行，使發(fā)生水錘的機(jī)率大大增加了，水錘的破壞力也加大了。因此，供熱管網(wǎng)的水錘防護(hù)對(duì)于管網(wǎng)系統(tǒng)安全至關(guān)重要，是目前國(guó)內(nèi)外重要的研究課題。

水錘安全分析可以根據(jù)管道系統(tǒng)具體情況，預(yù)知可能產(chǎn)生的水錘壓力以及發(fā)生水錘的地點(diǎn)，根據(jù)分析來設(shè)定水錘防護(hù)方案，保證管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。供熱網(wǎng)系統(tǒng)屬于大型民生工程，不可能通過實(shí)驗(yàn)來判斷其安全與否，目前通行的方法是通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算來判斷管道系統(tǒng)的安全性，用數(shù)值模擬計(jì)算給出熱水管網(wǎng)在各種事故工況下計(jì)算節(jié)點(diǎn)的流量-時(shí)間曲線圖和壓力-時(shí)間曲線圖，為工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù)。

1供熱管網(wǎng)常用的水錘防護(hù)設(shè)施

傳統(tǒng)的水錘防護(hù)措施有兩階段緩閉止回閥、超壓泄壓閥、氣壓罐、單向調(diào)壓塔、雙向調(diào)壓塔等。新興的箱式雙向調(diào)壓塔則克服了傳統(tǒng)防護(hù)設(shè)施的缺點(diǎn)，經(jīng)過工程檢驗(yàn)，防護(hù)水錘效果顯著，逐漸廣泛應(yīng)用。

(1)兩階段緩閉止回閥。安裝在水泵出口處，事故停電時(shí)，能夠自動(dòng)關(guān)閉，防止水倒流回灌入泵站，對(duì)水泵起到保護(hù)作用。兩階段緩閉止回閥的關(guān)閥速度對(duì)水錘的影響很重要，一般通過計(jì)算模擬確定最佳關(guān)閥程序。

(2)超壓泄壓閥。根據(jù)管線實(shí)際需要，設(shè)定安全壓力值，一旦超過設(shè)定壓力值，泄流高壓水，降低管道系統(tǒng)壓力。但是超壓泄壓閥存在滯動(dòng)作現(xiàn)象，不能及時(shí)降低壓力，對(duì)熱力管道系統(tǒng)來說存在安全隱患。

(3)氣壓罐。多用在常溫管道的水錘防護(hù)中，如果用在供熱管網(wǎng)中，因?yàn)闇囟雀?，?duì)氣壓罐的內(nèi)襯需要采用隔熱和耐高溫設(shè)計(jì)，造價(jià)過高，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不高。

(4)單向調(diào)壓塔。當(dāng)管道壓力大于設(shè)定安全值時(shí)，泄放高壓水，降低管線壓力，保護(hù)管道系統(tǒng)安全。在熱力管網(wǎng)中，很多情況是防止管道壓力降低而產(chǎn)生蒸汽空腔，避免斷流彌合水錘的發(fā)生，而單向調(diào)壓塔不具備增壓功能，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不高。

(5)雙向調(diào)壓塔。當(dāng)管線壓力大于設(shè)定安全值上限時(shí)，能泄除高壓水，降低管道系統(tǒng)壓力。當(dāng)壓力小于設(shè)計(jì)安全值下限時(shí)，能通過進(jìn)水補(bǔ)充管道系統(tǒng)壓力，但是要求雙向調(diào)壓塔的高度必須大于管道正常運(yùn)行時(shí)的水力線，多數(shù)情況下需要設(shè)置的調(diào)壓塔非常高，甚至達(dá)到上百米，這樣不僅增加了工程造價(jià)，也增加了維護(hù)費(fèi)用，存在安全隱患，同時(shí)與周圍景觀極不協(xié)調(diào)。因而，雙向調(diào)壓塔在熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用受到了限制。

(6)箱式雙向調(diào)壓塔。既能降壓又能補(bǔ)壓，功能和雙向調(diào)壓塔相似。箱式雙向調(diào)壓塔采用上下不等面積活塞增壓原理，大大降低了調(diào)壓塔的高度，一般為5～15米高度，降低了工程造價(jià)，方便了運(yùn)行管理，箱式雙向調(diào)壓塔在供熱管網(wǎng)中具有良好的水錘防護(hù)效果[2]。

2箱式雙向調(diào)壓塔原理及特點(diǎn)

箱式雙向調(diào)壓塔是在普通雙向調(diào)壓塔的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，利用活塞面積壓力來代替?zhèn)鹘y(tǒng)水壓線壓力，使安裝高度大大降低。箱式雙向調(diào)壓塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)置上下不等面積活塞，上部活塞面積大，連通調(diào)壓塔儲(chǔ)水箱；下部活塞面積小，連通管道水。由壓力等于壓強(qiáng)乘以受力面積可知，這樣無需要求調(diào)壓塔儲(chǔ)水箱的壓強(qiáng)大于管道水壓強(qiáng)，上部活塞越大，調(diào)壓塔所需的高度越低，當(dāng)管道水壓力大于設(shè)定的安全值上限時(shí)，下部活塞的受力大于上部活塞的受力，活塞上移，打開泄水口，管道釋放高壓水，降低系統(tǒng)壓力。

當(dāng)管道壓力低于設(shè)定安全值下限時(shí)，下部活塞的受力小于上部活塞的受力，活塞下移，儲(chǔ)水箱內(nèi)水向管道內(nèi)補(bǔ)充，預(yù)防或消除斷流彌合水錘現(xiàn)象[2-3]。

由此可見，箱式雙向調(diào)壓塔能夠及時(shí)降壓和補(bǔ)壓，其建筑高度可根據(jù)具體情況設(shè)定，通過改變上部活塞面積即可[2-3]。一般情況下，箱式雙向調(diào)壓塔的建筑高度為5～15米[2，4]。不僅降低了工程造價(jià)，也方便運(yùn)行維護(hù)管理。箱式雙向調(diào)壓塔一般安裝在水泵出口附近，發(fā)生停泵，根據(jù)水錘波傳播原理，管路首端最先產(chǎn)生降壓波，安裝箱式雙向調(diào)壓塔可以及時(shí)補(bǔ)壓，避免斷流產(chǎn)生。一般裝設(shè)在距離泵站50～100米范圍內(nèi)，此范圍方便人員管理[4]。

3箱式雙向調(diào)壓塔的邊界條件

箱式雙向調(diào)壓塔的相容性方程為[2]：

(1)

(2)

式中，QP1為流入調(diào)壓塔內(nèi)的流量，QP2為流出調(diào)壓塔內(nèi)的流量，HP為調(diào)壓塔內(nèi)泄流或注水后的水深，Ht為調(diào)壓塔內(nèi)原來水深。

箱式雙向調(diào)壓塔的泄壓值即為設(shè)定安全值的上限，一般取正常運(yùn)行壓力值Hn加上10m水柱[2]；箱式雙向調(diào)壓塔的補(bǔ)壓值即為設(shè)定安全值的下限，一般取調(diào)壓塔位置處的管中心線標(biāo)高h(yuǎn)加上5m水柱，當(dāng)箱式雙向調(diào)壓塔該點(diǎn)的瞬時(shí)壓力H超過安全值上限時(shí)開始泄壓；當(dāng)該點(diǎn)壓力低于安全值下限時(shí)開始注水。即

H>Hn+10m時(shí)，H=Hn+5m

(3)

H

(4)

式中，H為管路壓強(qiáng)(m)，Hn為正常運(yùn)行時(shí)壓強(qiáng)(m)，h為管中心線標(biāo)高(m)。

將上式與相容性方程式聯(lián)立求解，即可得出箱式雙向調(diào)壓塔的邊界條件方程[2]。

4工程實(shí)例

山西古交興能電廠對(duì)太原市總供熱能力3484MW，古交電廠至太原敷設(shè)4根DN1400供熱管道，為2套供熱系統(tǒng)(每套系統(tǒng)1供1回)，總循環(huán)水流量30000t/h，每套系統(tǒng)循環(huán)水流量15000t/h，電廠內(nèi)供回水溫度130/30℃。壓力等級(jí)2.5MPa。廠內(nèi)2套循環(huán)水系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，并設(shè)置聯(lián)通管，互相切換。

管路總長(zhǎng)37.8km，高差170m[5]，兩套長(zhǎng)輸供熱管線系統(tǒng)分別設(shè)置兩套6級(jí)加壓泵組，全部變頻控制，同頻緩慢啟停，每套系統(tǒng)各設(shè)置4臺(tái)循環(huán)泵變頻控制，3用1備，每臺(tái)泵額定流量4300t/h，管線總體布置及系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1電廠至太原供熱系統(tǒng)流程圖(單套系統(tǒng))

各泵站循環(huán)泵揚(yáng)程如表1所示。

表1　泵站循環(huán)泵揚(yáng)程

管道壓力均在設(shè)計(jì)承壓值以內(nèi)，管中心線標(biāo)高以上，系統(tǒng)無發(fā)生斷流水錘的隱患，管道運(yùn)行安全有保障，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)穩(wěn)態(tài)壓力如圖2所示。

圖2正常運(yùn)行管道系統(tǒng)壓力線

只在水泵出口安裝兩階段緩閉止回閥，不加其他防護(hù)措施時(shí)，即使最大程度優(yōu)化關(guān)閥方案也不能使管道水錘升壓降低到安全范圍內(nèi)。樁號(hào)22+900處壓力超出管道承壓值380米水柱，管道存在爆破危險(xiǎn)，如圖3所示。

經(jīng)過模擬計(jì)算分析，確定防護(hù)方案如下，在樁號(hào)0+100、17+500、20+100、38+400、39+800、54+000、59+300處分別安裝箱式雙向調(diào)壓塔，調(diào)壓塔口徑為DN700，箱式雙向調(diào)壓塔設(shè)定安全值上限為正常運(yùn)行壓力加10米水柱，安全值下限為管中心線標(biāo)高加5米水柱。優(yōu)化水泵出口緩閉止回閥兩階段關(guān)閥方案為：快關(guān)70°，快關(guān)時(shí)間10s，全關(guān)時(shí)間120s。

圖3只安裝緩閉止回閥無其他防護(hù)措施時(shí)管道壓力包絡(luò)線

管線最大壓力均在設(shè)計(jì)承壓值以內(nèi)，最小壓力均大于管中心線標(biāo)高，系統(tǒng)無斷流水錘隱患，無爆管危險(xiǎn)，管道壓力安全穩(wěn)定，達(dá)到了有效防護(hù)管道水錘升壓的效果。如圖4所示。

圖4安裝箱式雙向調(diào)壓塔后水錘包絡(luò)線

通過箱式雙向調(diào)壓塔注入管道的水量如表2所示。

表2　最佳防護(hù)措施的調(diào)壓塔設(shè)備數(shù)量和規(guī)格

5結(jié)語(yǔ)

供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中，熱水的汽化壓力比常溫水的汽化壓力高，更容易發(fā)生斷流彌合水錘，合理選擇防護(hù)設(shè)備、制定防護(hù)方案對(duì)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行意義重大。箱式雙向調(diào)壓塔具有自身特點(diǎn)，能夠及時(shí)泄壓和補(bǔ)壓，對(duì)于供熱管網(wǎng)中的水錘防護(hù)效果顯著。經(jīng)過工程實(shí)踐驗(yàn)證，兩階段緩閉止回閥結(jié)合箱式雙向調(diào)壓塔的防護(hù)方案對(duì)供熱管網(wǎng)水錘防護(hù)效果良好[6]。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐瑩.供熱管網(wǎng)停泵水錘及水泵旁通管選擇分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[2] 趙莉,楊玉思.伴有多處水柱分離和斷流彌合水錘的輸水管道的防護(hù)研究[C]//中國(guó)給水排水.2013給水深度處理及飲用水安全保障技術(shù)交流會(huì)論文集.武漢：中國(guó)給水排水，2014：476-482.

[3] 魏永慶，楊玉思.長(zhǎng)距離輸水管道的箱式雙向調(diào)壓塔技術(shù)探討[J].水利水電技術(shù),2010(10):45-47.

[4] 趙莉.有無斷流水力過渡計(jì)算模型在高揚(yáng)程大管徑多起伏長(zhǎng)距離輸水管道中水力計(jì)算結(jié)果的比較[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2010.

[5] 周傳淞.長(zhǎng)距離供熱管網(wǎng)保溫厚度及中繼泵站設(shè)置的研究[D].天津：天津大學(xué),2014.

[6] 趙莉,馮繼科.設(shè)置高位水池的長(zhǎng)距離輸水管路的水錘防護(hù)研究[J].西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010(1)：65-67.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：李琳]

Analysis of Water Hammer Protection of City Heating Pipe Network by Box-type Two-way Pressure Regulating Tower

ZHAOLi1,SONGZhang-chi2,WANGJian-ping2

(1.School of Energy & Architecture,Xi′an Aeronautical University,Xi′an 710077,China;2.School of Environmental Science and Engineering,Chang′an University,Xi′an 710054,China)

Abstract：The sudden stop of pumps,the sudden turning-off of valves,and the sudden change of thermal load will lead to the pressure drop of the urban heating pipeline network,likely to result in steam cavity and further water hammer of cavities collapsing.This paper introduces the commonly used water hammer protection facilities in the heating pipe network,and describes the characteristics and boundary conditions of the box-type two-way pressure regulating tower.At last,it verifies the conclusion that two-stage slow closing check valve with box type two-way surge tank protection scheme are significantly effective for heating pipe network water hammer protection.

Key words：heating pipe network;steam cavity;cavities water hammer;water hammer protection facility;box-type two-way surge tank;boundary condition

收稿日期：2016-03-21

基金項(xiàng)目：西安航空學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目(2015KY11020)；西安市科技局產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃(高校類) (CXY1518(3))

作者簡(jiǎn)介：趙莉(1982-)，女，吉林梅河口人，博士，講師，從事長(zhǎng)距離輸水安全防護(hù)、市政工程研究。

中圖分類號(hào)：TU991

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-9233(2016)03-0056-05