动态水力分析用于防止供热输送干线水击事故

作者:张晓松 李琳 来源:北京市煤气热力工程设计院有限公司 点击:  评论: 更新日期:2016年10月06日
摘要:结合设计标准和工程实例,对动态水力分析在防止大管径、长距离、大落差供热输送干线出现水击事故的应用进行探讨。分析了动态水力分析对热网设计和安全运行的重要作用。
关键词:动态水力分析;热网;输送干线;水击;运行
Application of Dynamic Hydraulic Analysis to Preventing Heat-supply Transmission Main from Water Hammer Accident
ZHANG Xiao-song,LI Lin
AbstractCombining with the design standard and an engineering case,the application of dynamic hydraulic analysis to preventing heat-supply transmission main with large diameter,long distance and high drop from water hammer accident is discussed. The important role of dynamic hydraulic analysis in design and safety operation of heat-supply network is analyzed.
Key wordsdynamic hydraulic analysis;heat-supply network;transmission main: water hammer;operation
概述
在长距离的热网中,经常会碰到高差较大的起伏地形,为保证用户资用压力,通常会提高热网运行压力,或者在中途设置中继泵站。长距离热水热网是一个安装有泵、阀门、补偿器等装置的十分复杂的相对密闭的循环系统,易出现事故,如循环泵断电、管子、阀门损坏、阀门误操作等。在事故工况下,热网易出现剧烈的压力波动,甚至发生水击,严重时会产生巨大损失,因此应采取必要的水击防护措施[1]。CJJ 34—2002《城市热力网设计规范》第7.2.8条规定:“一般供热系统可仅进行静态水力分析,具有下列情况之一的供热系统宜进行动态水力分析:具有长距离输送干线;供热范围内地形高差大;系统工作压力高;系统工作温度高;系统可靠性要求高。”
动态水力分析是针对管道中的特殊情况(如事故工况)进行的瞬态压力工况分析。例如,长距离输送干线由于沿途没有用户,一旦干线上的阀门误关闭,则运行会突然完全中断;地形高差大的热网,低处热网承压较大;系统工作压力高时往往管道强度储备小;系统工作温度高时易汽化等。在这些情况下供热系统极易发生水击事故。水击发生时压力瞬变会造成巨大破坏,而且是突发事故,应引起高度重视。因此,有条件时应进行动态水力分析,根据分析结果采取相应措施,有利于提高供热系统的可靠性。
    CJJ 34—2002《城市热力网设计规范》第7.2.9、7.2.10条规定:“动态水力分析应对循环泵或中继泵跳闸、输送干线主阀门非正常关闭、热源换热器停止加热等非正常操作发生时的压力瞬变进行分析。动态水力分析后,应根据分析结果采取下列相应的主要安全保护措施:设置氮气定压罐;设置静压分区阀;设置紧急泄水阀;延长主阀关闭时间;循环泵、中继泵与输送干线的分段阀连锁控制;提高管道和设备的承压等级;适当提高定压或静压水平;增加事故补水能力。”
    上述防止压力瞬变破坏的安全保护措施供设计参考,在具体的工程中应用哪种措施是有效的,应由动态水力分析结果确定。本文结合设计标准要求和工程实际,对动态水力分析在防止大管径、长距离、大落差的输送干线出现水击事故的应用进行探讨。
工程概况
    工程地点位于中国北方某市,该地区属丘陵盆地地貌(海拔320~370m),四周山高(海拔400~600m)。属大陆性季风气候,供暖室外计算温度为-14℃。
热源为热电厂,位于郊区,供热能力为518MW,热源出口管道规格为DN 1000mm。由热电厂向市区供热,输送干线长度达到13.6km,且管道通过地区地形复杂,最大高差达到100m以上。为保证热网安全稳定运行,提高供热介质的温度,降低输送能耗,将热网分为三级,供热系统见图1。输送干线设计供回水温度为130、70℃,一级管网设计供回水温度为120、65℃,二级管网设计供回水温度为85、60℃。供热输送干线距离长、管径大、压力、温度较高,对可靠性要求较高。因此,在方案设计上,除了静态水力分析合理可行外,还应进行动态水力分析,避免出现重大事故。
 
设计方案
3.1 初步设计方案
    ① 热网布置及水压图
初步设计方案考虑控制输送干线运行压力在1.6MPa以下,在中部设中继泵站一座,初步设计方案的热网布置及水压图见图2。
 
   ② 动态水力分析
   a. 首站循环泵断电事故工况
   采用动态水力分析,首站循环泵断电事故工况下地形最高处供水压力曲线见图3,图中虚线为温度为130℃下的饱和蒸汽压力曲线。在首站循环泵断电事故工况下,出现了地形最高处供水压力低于饱和蒸汽压力的情况,此时供热介质将发生汽化,而且这一过程持续了一段时间,易在热网中形成空穴点,循环泵重新启动时易发生水击。
   b. 中继泵断电事故工况
采用动态水力分析,中继泵断电事故工况下首站供水压力曲线、地形最高处供水压力曲线见图4,图中虚线为温度130℃下的饱和蒸汽压力曲线。
 
由图4可知,首站循环泵出口压力波动较大,最高达到2.05MPa,这比采用静态水力分析的结果高约0.5MPa。在中继泵断电事故工况下,出现了地形最高处供水压力低于饱和蒸汽压力的情况,此时供热介质将发生汽化,易发生水击事故。
3.2 改进设计方案
按静态水力分析,初步设计方案是合理的,最大压力在首站处(压力为1.66MPa),外部管网静态运行压力小于1.6MPa。动态水力分析显示,初步设计方案的设计、运行易由于压力的大幅度波动产生超压或汽化,导致严重的安全问题。为提高输送干线的安全性,需对初步设计方案进行改进:提高设计压力,取消中继泵站,系统最大压力为2.5MPa;在首站处供水温度提高为135℃,回水温度不变,供回水温差加大5℃,流量减小8%;首站循环泵采用两级泵形式,保证控制的稳定性。改进设计方案的热网布置及水压图见图5。
 
进行动态水力分析,改进设计方案在首站循环泵断电事故工况下地形最高处供水压力曲线见图6,图中虚线为温度130℃下的饱和蒸汽压力曲线。
 
由图6可知,在首站循环泵断电事故工况下,地形最高处的供水压力高于饱和蒸汽压力,供热介质不会发生汽化。动态水力分析表明,以较高的供水温度减小供热介质流量,以及提高压力水平,可以在系统出现事故工况时,保证供热系统安全运行。
结论
① 对于国内大型集中供热系统,作为主要热源的热电厂一般远离供热中心区,往往形成长距离、大落差的大型热网。为了避免出现水击,除了必要的静态水力分析外,宜进行动态水力分析,全面评价各种设计参数、各种运行及事故情况下热网的安全性,并从技术、经济方面对设计方案进行优化。
② 在长距离输送热网中设置中继泵站,虽然可以降低热网运行压力,但是增加了事故风险,压力波动可能超过安全限度。因此,应谨慎选择中继泵站方案。
③ 通常,主循环泵和中继泵发生故障、阀门意外关闭、换热器出现异常,易造成热网位置最高点供热介质汽化,导致水击事故。为减小水击危害,应在动态水力分析的指导下,除了采用提高设计压力、布置循环泵的旁通管、循环泵与阀门连锁控制等方法之外,还应制定完善的运行控制策略,以避免在正常调节工况下出现水击事故。
参考文献:
[1] 韩冬泳,张岩,李清海.热水供热系统水击防护措施的应用[J].煤气与热力,2007,27(3):69-70.
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