提高供熱管網(wǎng)關(guān)斷閥可靠性措施研究

單晶晶，康在龍

(1.青島恒源熱電有限公司，山東 青島 266000；2.青島能源集團有限公司，山東 青島 266071)

0 引言

在蒸汽管道中增加關(guān)斷閥保護裝置，目的就是能在運行過程中根據(jù)需要及時關(guān)閉系統(tǒng)，從而滿足系統(tǒng)平穩(wěn)或利于檢維修等基本生產(chǎn)運行需求。因此，在現(xiàn)代供熱管道設(shè)計與安裝環(huán)節(jié)，熱力管道主線、支線的起點、中間銜接點、終點都加裝保護關(guān)斷閥門，主線加裝間距一般在1 500～2 500 m，支線加裝間距一般在800 ～1 200 m。通常情況下，蒸汽或熱水管道保護關(guān)斷閥采用雙向富彈性的密封閥，以充分保障管網(wǎng)的正常運行。

隨著現(xiàn)代供熱技術(shù)的進一步成熟，城鎮(zhèn)集中供熱的體量、規(guī)模和要求越來越高，管道內(nèi)直徑逐漸由DN 1100 擴張為DN 1500，伴有高溫、高壓、高流速，因此對安全運行系數(shù)提出了更高的需求，此時，加裝具有高性能自動保護裝置的關(guān)斷閥的價值也就愈發(fā)重要。然而，近年來，諸多供熱管網(wǎng)的運行故障及實踐案例分析證明，普通閥門的關(guān)斷性能通常只能維系3 個供熱季，隨著運行時間的延長，閥門的關(guān)斷性能大幅度減弱。根據(jù)中國城鎮(zhèn)供熱協(xié)會公布的數(shù)據(jù)，分析2002—2018 年青島、濟南、哈爾濱、牡丹江、太原、蘭州、石家莊等北方多地發(fā)生的供熱故障或案例，60 %以上與閥門的關(guān)斷缺失、失靈有關(guān)。因此，提高管道關(guān)斷閥門的保護性能，對供熱管網(wǎng)安全運行至關(guān)重要。

1 熱力管網(wǎng)運行與關(guān)斷閥裝置的相互影響

1.1 加裝管道關(guān)斷閥裝置

為進一步保障熱力蒸汽管線生產(chǎn)安全運行，應(yīng)按照規(guī)范、標準及實際需要，對管線加裝關(guān)斷閥門，尤其是在主線、干支線、銜接線的起點、調(diào)度點、終點加裝自動關(guān)斷保護閥。通常而言，該區(qū)域供熱范圍、用戶數(shù)相對較小，即便整體暫時性停暖，影響也較為有限，可為快速搶修和恢復運行爭取有利條件。但是，即便如此，也要在關(guān)鍵節(jié)點加裝自控保護關(guān)斷閥，以免出現(xiàn)高頻次的突發(fā)性事故。多年的運行實踐數(shù)據(jù)表明，因關(guān)斷閥的缺失、失靈、故障往往將小范圍的停暖擴散波及到大面積、高用戶數(shù)、廣影響力度的停暖，甚至全線或區(qū)域的停暖，影響企業(yè)的生產(chǎn)運營效率。

1.2 熱力管線內(nèi)水介質(zhì)因素對關(guān)斷閥性能的影響

根據(jù)GB/T 29044—2013，常見的區(qū)域集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中水質(zhì)基本要求如表1 所示。

表1 常見的區(qū)域集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中水質(zhì)基本要求

通過表1 可以看出，熱力管線中的水質(zhì)參數(shù)要求較為嚴格，特別是管線補充水的渾濁度從原來的4.5 NTu 降至2.5 NTu，管線循環(huán)水的渾濁度降至9.5 NTu。但是，實際在運行過程中，具體實施情況較為復雜，根據(jù)管線設(shè)計新標準要求，施工作業(yè)完成后，管線注水之前，首先需要對管線進行系統(tǒng)清洗，且清洗水速要求在2.0 m/s，以徹底將管線內(nèi)的雜質(zhì)沖刷干凈。對于這一點，在國內(nèi)供熱企業(yè)中，絕大多數(shù)企業(yè)達不到這項要求。通常沖洗僅存在于安裝過程中，這樣下來，導致管線內(nèi)循環(huán)水的渾濁度會激增。同時，按照金屬質(zhì)電位防腐防蝕相關(guān)概念原理，熱力管網(wǎng)在運行、停運保養(yǎng)階段，管線補充水的水質(zhì)要求必須進行除氧，且添加化學試劑以保證水質(zhì)的pH 值符合要求才能更大程度上保證管道系統(tǒng)不被大概率腐蝕，否則，熱力管線的生命周期會遠低于規(guī)范的20～25 年。

另外，隨著管網(wǎng)“服役”時間的增加，管線內(nèi)的腐蝕因子越來越多，額外的泥沙、鈣化水雜質(zhì)導致管線內(nèi)循環(huán)水的渾濁度遠遠超過規(guī)范的基本要求，從而對關(guān)斷閥的密封構(gòu)造造成威脅，嚴重影響了閥門的關(guān)斷保護功能。

2 提高關(guān)斷閥保護性能的技術(shù)策略

提高關(guān)斷閥的基礎(chǔ)保護性能是提高管線“服役”生命周期的基本前提，也是保障熱力管網(wǎng)安全運行的重要技術(shù)籌碼。中國城鎮(zhèn)供熱協(xié)會發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，北方發(fā)達城市的供熱管線能嚴格控制管線運行期間、停運期間的基本水質(zhì)，盡管難度較大，但基礎(chǔ)投入產(chǎn)出比較為可觀，既增加了關(guān)斷閥的保護性能，也延長了管線的基本生命周期，使管線的“服役”期達到20 年甚至25 年。而瑞典、挪威、丹麥等北歐國家的同等基礎(chǔ)供熱管線，在保障循環(huán)水水質(zhì)參數(shù)的前提下，管線的生命周期達到60～80 年。因此，對于現(xiàn)代發(fā)展轉(zhuǎn)型期的供熱企業(yè)而言，技術(shù)革新任重道遠，既要保障水質(zhì)符合基本要求，又要提高關(guān)斷閥的保護性能，加裝補償密封附件，提高耐磨力，從而提高關(guān)斷閥的生命周期。要做到這些盡管工期長、任務(wù)重，但從長遠來看，投入產(chǎn)出比絕對可觀。

2.1 提高管線水質(zhì)的基本技術(shù)路徑

(1) 熱力管線系統(tǒng)中的補水水質(zhì)必須達到標準、規(guī)范的基本要求。這一點要求幾乎所有的供熱企業(yè)都能實現(xiàn)，因為，從設(shè)計、安裝到調(diào)控運行階段，管線系統(tǒng)都配套了一個健全的補水制備裝置系統(tǒng)，企業(yè)相關(guān)作業(yè)人員只要參照規(guī)程進行作業(yè)，基本都可以達到標準要求。

(2) 需要將新建的管線沖洗干凈。該項任務(wù)難度比較大，特別是一些大型管線，因為水源及成本的原因，企業(yè)往往都沒有按照規(guī)范的要求進行系統(tǒng)沖洗，盡管多數(shù)系統(tǒng)都加裝了除污設(shè)備，但鑒于技術(shù)水平的限制，2.0 mm 粒徑及以下的雜質(zhì)、淤泥、水沙、污垢、沉淀物基本無法清除，且隨著管線“服役”年限的增加，除污裝置性能下降，淤積的雜質(zhì)含量逐年在遞增，此時，即使用1.5～2.0 m/s 流速的清洗水對管線進行沖洗，也會影響關(guān)斷閥的保護性能。

(3) 需要往管線循環(huán)水中加裝化學試劑。當前，在供熱市場中，較為有效的化學試劑為BF-30 A，該項試劑是根據(jù)金屬質(zhì)防腐防蝕基本原理而研發(fā)的，在北京、天津、濟南、青島等供熱領(lǐng)域得到較好的推廣和運用，并取得了積極的效果。加裝試劑可調(diào)控循環(huán)水的pH 值、酸堿度，調(diào)控循環(huán)水的陽極極化值，且對循環(huán)水加裝試劑需要持續(xù)進行，以維持基本性能。因此，無論是在運行階段還是在停運階段，都需要持續(xù)地添加試劑，以達到調(diào)控循環(huán)水水質(zhì)的基本目的。

(4) 需要采用陰極極化保護技術(shù)。陰極極化保護技術(shù)是當前地埋管線的基本防腐防蝕技術(shù)措施，是電化學保護技術(shù)手段的一種。該項技術(shù)的基本原理就是向被腐蝕的金屬表面增加一個外項基礎(chǔ)電流，將被保護結(jié)構(gòu)調(diào)整為陰極極化，從而使金屬腐蝕發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移度下降，避免腐蝕的進一步發(fā)生和蔓延，從而延長管線的生命周期。該項技術(shù)具有投資大、見效快、操作簡單等特點。

2.2 閥門結(jié)構(gòu)改造要求

在現(xiàn)代城鎮(zhèn)集中供熱技術(shù)水平下，管線內(nèi)循環(huán)水水質(zhì)是關(guān)斷閥運行的基本前提。因此，閥門設(shè)計及制造廠商，需要根據(jù)閥門的基礎(chǔ)構(gòu)造、材質(zhì)等影響因子去設(shè)計高耐磨度的密封層面，從而保障閥門的密封層面能經(jīng)受住水的長期沖刷與腐蝕，以保障關(guān)斷閥門的基礎(chǔ)功能。據(jù)此，選用兩種常用的閥門進行簡要分析，以為供熱企業(yè)提供參考。

2.2.1 雙向高彈性金屬層密封蝶關(guān)斷閥

此雙向高彈性金屬層密封蝶關(guān)斷閥是在充分借鑒、消化和吸收國內(nèi)外先進創(chuàng)新技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當前國內(nèi)熱力管線安全生產(chǎn)運行的基本要求進行技術(shù)革新研制生產(chǎn)的。該關(guān)斷閥門采用先進的三偏離心金屬層密封構(gòu)造，具備高可靠性的密封自動保護補償裝置功能，具有開角大、磨損小、扭矩短等優(yōu)點；同時，可保障自動保護補償裝置密封力及密封面不易磨損，以保障雙向密封零泄漏。另外，蝶板密封層面通常采用軟硬層蝶式304 不銹鋼片和柔性石墨板的密封層面，使其具備高硬度和高密封性能等雙重優(yōu)點，無論在低溫或高溫環(huán)境下，都具有良好的基礎(chǔ)密封性能。因此，此類關(guān)斷閥適用于大口徑的一次網(wǎng)的主線或次主線。

2.2.2 關(guān)斷閥式密閉球閥

該類關(guān)斷閥通常采用砌式斜面組合球閥，以保障密封面層之間形成球面與椎體面的契合，并留有間隙進行旋轉(zhuǎn)，減少磨損，延長產(chǎn)品的生命周期，提高閥門的關(guān)斷性能，保障熱力管線的安全運行。在通常情況下，該類關(guān)斷閥門具有閉合力輕、通徑廣、密封好等優(yōu)點，因此，該類產(chǎn)品在支線、換熱站及二次網(wǎng)中逐漸替代了普通型號的止閥、閘閥等設(shè)備產(chǎn)品。

2.3 改善管線系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)

該項技術(shù)措施為熱力管線安全生產(chǎn)運行的輔項前提。及時將熱力管線運行階段產(chǎn)生的雜質(zhì)、沉淀物、氣體等清除，是保障管線平穩(wěn)、安全運行的基本前提。接下來，將結(jié)合企業(yè)具體實際，對常見的排污、排污氣技術(shù)措施進行分析。

2.3.1 排污

在生產(chǎn)運行過程中，可通過及時清除熱力管線中的沉淀淤積物，以保證管線和生產(chǎn)設(shè)備的正常運行，實現(xiàn)平穩(wěn)、安全供熱。但是，要將熱力管線系統(tǒng)中的沉淀淤積物集中清除，需要有良好性能的除污設(shè)備及技術(shù)。諸多生產(chǎn)實踐證明，普通的管線除污設(shè)備往往在后期達不到清理淤積物的要求，甚至出現(xiàn)管線網(wǎng)被沉淀淤積物堵塞的現(xiàn)象。因此，加裝容器內(nèi)濾網(wǎng)的設(shè)置方式較為重要，例如采用旋轉(zhuǎn)網(wǎng)、斜面網(wǎng)等方式，大概率降低濾網(wǎng)的堵塞現(xiàn)象。通過立體式多元件除污器、旋轉(zhuǎn)式除污器裝置或者在關(guān)斷球閥結(jié)構(gòu)中加裝過濾網(wǎng)裝置，提高管網(wǎng)自動保護性能。在生產(chǎn)實踐中，此類閥往往是一閥多用，可顯著替代Y 型除污設(shè)備在系統(tǒng)中的運用，確保板式換熱裝置不被堵塞，進而提高供熱效率。

2.3.2 排氣

在供熱管線系統(tǒng)中，通常由于補充水、滲漏、晝夜溫差等原因?qū)е峦獠繗怏w進入管線系統(tǒng)，致使系統(tǒng)局部產(chǎn)生積氣，形成氣圈、氣塞，影響供熱效果。另外，因為管線中氣體的存在，導致管線內(nèi)循環(huán)水的溶解氧超過了0.15 mg/L 的行業(yè)標準要求，致使熱網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生了陽極和陰極化腐蝕，給供熱管線安全運行帶來了隱患。所以，完成管線中的排氣任務(wù)，對解決供熱管線不熱或降低腐蝕度極為重要。但是，排除管線系統(tǒng)中的氣體需要有較高性能的裝置和設(shè)備。

(1) 采用自動排氣閥裝置，這項技術(shù)是當前國內(nèi)外供熱行業(yè)廣泛運用的，其基本原理就是加裝浮球裝置，該項技術(shù)具有節(jié)能、自動、高效等優(yōu)點，但是，鑒于國內(nèi)供熱系統(tǒng)中管線內(nèi)循環(huán)水水質(zhì)差、渾濁度高、含雜質(zhì)多等現(xiàn)狀，自動排氣閥極易被堵塞，因此，可操作性不強。

(2) 加裝手動排氣設(shè)備，通常情況下，該設(shè)備由集氣罐和排氣閥組成。集氣罐通常有臥式和立式兩類，一般以立式居多，直徑在180～220 mm，高度在250 ～350 mm；手動排氣管一般為DN15 ～DN20，需要進行定期手動排氣，優(yōu)點是性能可靠、易于操作，缺點就是需要人工操作。因為當前國內(nèi)的管線循環(huán)水水質(zhì)差，手動排氣裝置成為首選方案。

(3) 當前歐洲供熱行業(yè)普遍采用的是自動真空排氣機，具有自動排氣、節(jié)能可靠等優(yōu)點，缺點就是成本較高，適合有條件的用戶。

3 結(jié)束語

閥門的持久關(guān)斷功能對解決當前國內(nèi)供熱管線中的安全運行存在的問題具有較高的實用價值，當然，改善蒸汽管網(wǎng)中循環(huán)水的水質(zhì)問題，不是短期內(nèi)就能一蹴而就的。因此，在當前的供熱水平和現(xiàn)實條件下，采用和加裝供熱管網(wǎng)中普遍使用的高耐磨的雙向高彈性金屬密封蝶閥具有較高的實踐意義，特別是在大口徑的主干線、次干線中運用關(guān)斷閥，對提高管線供熱能效和平穩(wěn)、安全運行，有著較高的實用價值和意義。