熱電廠供熱首站設(shè)計安全問題探討

袁雄俊，劉利

（華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京市，100120）

0 引言

近年來，在三北（西北、華北和東北）地區(qū)已建和新建了較多熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱機組，城市集中供熱方式正逐漸取代家戶式的分散取暖爐方式。供熱系統(tǒng)的安全性不僅是經(jīng)濟問題，更是關(guān)系國計民生的大問題。而要保證整個供熱系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，首先應(yīng)保證熱電廠供熱首站設(shè)計合理、安全可靠。本文結(jié)合熱電廠供熱首站設(shè)計工作的實踐，就熱電廠供熱首站設(shè)計安全的5個問題進(jìn)行探討。

1 自動清污器設(shè)置

在熱網(wǎng)啟動初期，熱網(wǎng)內(nèi)的雜物很多，尤其像磚頭、碎石和焊渣等堅硬雜物進(jìn)入熱網(wǎng)循環(huán)水管道，可能造成熱網(wǎng)循環(huán)泵葉輪斷裂或者首站的換熱器換熱管破壞等嚴(yán)重后果。為了避免發(fā)生上述嚴(yán)重事故，應(yīng)在熱網(wǎng)首站回水管道上設(shè)置2級自動清污器，具體設(shè)計如下：在回水母管的適當(dāng)位置先設(shè)置過濾精度相對低的1級臨時自動清污器，用以在熱網(wǎng)運行初期先行清除熱網(wǎng)管道中的像磚頭、碎石等大而堅硬的雜物，待系統(tǒng)運行一段時間管網(wǎng)中大而堅硬的雜物基本被清除后，拆除該臨時清污器或者去掉臨時清污器濾芯直接過流；第2級濾網(wǎng)為設(shè)置在熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口管上的過濾精度較高的自動濾網(wǎng)，用于去除其他細(xì)小雜物，該濾網(wǎng)為永久濾網(wǎng)。

與單級自動清污器設(shè)計相比，2級自動清污器有如下優(yōu)點：

（1）由于自動清污器為臨時的，可以不為該自動清污器設(shè)置旁路，這樣就節(jié)省了3個大口徑的電動關(guān)斷閥。

（2）1級臨時自動清污器只要求清除熱網(wǎng)管道中的像磚頭、碎石等大而堅硬的雜物，過濾精度比單級自動清污器低，因而成本也更低；再有，熱網(wǎng)系統(tǒng)運行更方便，更可靠。當(dāng)某臺泵前的濾網(wǎng)故障時，只要啟用備用泵，就可以停泵檢修此濾網(wǎng)，這樣對熱網(wǎng)系統(tǒng)的運行不產(chǎn)生影響。而單級自動清污器若故障，就必須走旁路，這樣就可能對熱網(wǎng)首站的安全性及經(jīng)濟性造成影響。

在1級臨時自動清污器選型及布置時，筆者認(rèn)為以下幾點需要注意：

（1）應(yīng)選擇可連續(xù)排污的自動清污器，且以旋流式清污器為好[1]。

（2）自動清污器的設(shè)計參數(shù)建議取用熱網(wǎng)循環(huán)水的供水設(shè)計參數(shù)。

（3）由于該自動清污器要除去像磚頭、碎石這樣大且堅硬的雜物，要求所配濾網(wǎng)及其他過水?dāng)嗝娌考懈叩膹姸燃澳湍バ浴?/p>

2 熱網(wǎng)補水

2.1 熱網(wǎng)正常補水量問題

根據(jù)CJJ 34—2002《城市熱力網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》的第7.5.3條中規(guī)定[2]：閉式熱力網(wǎng)補水裝置的流量不應(yīng)小于供熱系統(tǒng)循環(huán)流量的2%；事故補水量不應(yīng)小于供熱系統(tǒng)循環(huán)流量的4%。即要求熱網(wǎng)正常補水量最小應(yīng)為2%系統(tǒng)循環(huán)流量。假定熱網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)流量為1萬t/h，則要求正常補水量至少達(dá)到200 t/h。對一級閉式熱網(wǎng)系統(tǒng)來說這個比例過高，隨著我國整體工業(yè)技術(shù)水平的提高，其熱水損失已能達(dá)到很小，這一點在DL/T 5068—2005《火力發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》表7.1.3（發(fā)電廠各項正常水汽損失）也得到體現(xiàn)[3]。該表對閉式熱水網(wǎng)損失要求按熱水網(wǎng)水量的0.5%～1%或根據(jù)資料來設(shè)計。為此建議對一級閉式熱網(wǎng)系統(tǒng)，熱電廠供熱首站的正常補水量按1%系統(tǒng)循環(huán)流量設(shè)計。

2.2 事故補水水質(zhì)問題

應(yīng)對熱網(wǎng)事故補水水質(zhì)給予足夠重視，尤其是其中的Cl-含量。根據(jù)CJJ 34—2002《城市熱力網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》的第7.5.3條中規(guī)定：事故補水時，軟化除氧水量不足，可以補充工業(yè)水；而第4.3.5條又規(guī)定當(dāng)供熱系統(tǒng)有不銹鋼設(shè)備時，應(yīng)考慮Cl-腐蝕問題，供熱介質(zhì)中Cl-含量不宜高于0.002 5%，或者不銹鋼設(shè)備采取防腐措施。而在熱網(wǎng)首站實際設(shè)計當(dāng)中，往往采用生水作為事故補水，生水大都有可能是中水，Cl-含量都在0.02%以上。如果這樣的水直接補入熱網(wǎng)系統(tǒng)，則會給整個熱網(wǎng)系統(tǒng)造成二次損害。為了解決這一矛盾，采取下列措施是必要的：首先，先行落實生水的水質(zhì)，并盡早告之外網(wǎng)設(shè)計單位，以便外網(wǎng)系統(tǒng)盡早采取相應(yīng)的防范措施；其次，在首站設(shè)計中，在造價允許的范圍內(nèi)盡量采用耐高Cl-的設(shè)備及材料，或者在相應(yīng)設(shè)備內(nèi)加裝內(nèi)襯方式防止Cl-腐蝕。

3 回水管道設(shè)計壓力及設(shè)計流速選取

3.1 回水管道設(shè)計壓力選取

根據(jù)CJJ 34—2002《城市熱力網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》第9.0.2中規(guī)定“熱網(wǎng)供、回水管道的設(shè)計均取循環(huán)水泵最高處出口壓力加上循環(huán)水泵與管道最低點地形高差產(chǎn)生的靜水壓力”。即該規(guī)定要求熱網(wǎng)首站的供回水管道的設(shè)計壓力是相同的，且都取循環(huán)水泵出口的供水管道的設(shè)計壓力。這樣設(shè)計是安全、可靠的，因為當(dāng)某種原因突然致使熱網(wǎng)供水管道將外網(wǎng)熱用戶“旁路”或者當(dāng)泵因突然失電或其他原因造成嚴(yán)重水錘事故發(fā)生時，都會使熱網(wǎng)首站回水管道壓力陡增，大大超過外網(wǎng)提供的正常回水壓力。為此，在進(jìn)行回水管道上的各閥門、流量測量裝置、濾網(wǎng)等設(shè)備及管道設(shè)計選型時，也應(yīng)按供水管道的設(shè)計壓力來設(shè)計選取。

3.2 回水管道的流速選取

根據(jù)CJJ 34—2002《城市熱力網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》第9.0.2中規(guī)定“熱力網(wǎng)應(yīng)按允許壓力降確定管徑，但供熱介質(zhì)流速不應(yīng)大于3.5 m/s”。而根據(jù)DL/T 5054—1996《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》第3.1.2中推薦的流速如下[4]：離心泵出口管道是2～3 m/s；離心泵入口管道是0.5～1.5 m/s。筆者認(rèn)為對于熱網(wǎng)首站的回水管道其設(shè)計流速可按供水管道的流速選取，可取2.5 m/s。這主要是基于以下2點考慮：首先，要求離心泵入口降低流速主要是為了防止汽蝕，而對于熱網(wǎng)循環(huán)泵，由于在回水管道上設(shè)有定壓補水系統(tǒng)，保證了在回水溫度下回水管道上任一點都不會發(fā)生汽化，因而無需通過降低流速來防止汽蝕。其次，可以降低熱網(wǎng)站的初投資。如果按離心泵入口管道推薦的流速來設(shè)計，則回水管道規(guī)格比供水管道會大幾檔，以熱網(wǎng)循環(huán)水量1萬t/h為例，當(dāng)回水管道取流速為1.5 m/s時，回水管道的規(guī)格應(yīng)為DN1600，而流速取2.5 m/s，回水管道的規(guī)格應(yīng)為DN1200，可以節(jié)省大約40%的鋼材用量。

在實際熱網(wǎng)站設(shè)計中，其容量一般是考慮了規(guī)劃熱負(fù)荷的，即在熱網(wǎng)投運后的較長時間內(nèi)，熱網(wǎng)循環(huán)水量都達(dá)不到設(shè)計流量，因而實際回水管道的流速小于2.5 m/s。

4 防水錘措施

在供熱系統(tǒng)中，水錘現(xiàn)象是客觀存在的，為了保證系統(tǒng)的安全，必須采取積極的預(yù)防措施，盡量減小水錘現(xiàn)象的發(fā)生及由此產(chǎn)生的危害[5-6]。

熱網(wǎng)循環(huán)泵正常工作時供水均勻，在水泵和管路系統(tǒng)中流速和壓力是穩(wěn)定的。按操作規(guī)程在停泵前緩慢關(guān)閉泵出口閥門，泵和管路系統(tǒng)中流速和壓力變化也是很小的，因而泵在運轉(zhuǎn)過程中和正常停泵時是不會引起水錘現(xiàn)象發(fā)生。而當(dāng)泵因突然失電或其他原因，造成出口閥門開閥停泵，在水泵及管路中水流速度在短時間內(nèi)急劇變化引起一系列壓力交替急劇升降的水力沖擊，這種現(xiàn)象就稱為水錘（也稱停泵水錘）。這種沖擊性壓力突然升高是很大的，最高可達(dá)到正常壓力的2倍，對管路和設(shè)備有很大的危害性。

采用下述設(shè)計可防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生或者可盡可能降低水錘帶來的危害。

（1）設(shè)置帶止回閥的泄壓旁通管。

在循環(huán)水泵的回水母管和供水母管之間設(shè)置帶止回閥的泄壓旁通管。在循環(huán)水泵正常運行時，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)。在突然停泵的瞬間，泵出水側(cè)壓力急劇降低，而吸水側(cè)壓力則大幅度增高，在此壓差作用下，循環(huán)水泵吸水側(cè)管路中的水即推開止回閥至泵出水側(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，減少和防止了水錘的危害。泄壓旁通管上的止回閥應(yīng)選用阻力較小、開啟靈活的產(chǎn)品。泄壓旁通管的管徑越大，對減小水錘越有力，可以根據(jù)規(guī)定的壓力界限確定經(jīng)濟的管徑，一般管徑可選比進(jìn)口管小1號。

（2）設(shè)置緩閉式止回閥。

在泵出口設(shè)置防水錘的緩閉式止回閥，而不采用普通的止回閥，理由如下：普通的止回閥有諸如事故停泵時閥門迅速關(guān)閉，造成閥后的空穴，空穴在正負(fù)水錘波的作用下，反復(fù)產(chǎn)生和自滅，造成閥門的空蝕破壞，使其壽命縮短；當(dāng)閥瓣動作不靈活時，關(guān)閉緩慢，水倒流，沖擊葉輪產(chǎn)生飛逸反轉(zhuǎn)而破壞泵設(shè)備；以及正常運行時，閥瓣飄在水中，不停地擺動和振動，因而流阻大、摩擦大、耗能高、壽命短等。而防水錘止回閥除克服了普通止回閥的上述缺點，還具有如下特點：啟泵后閥門能及時迅速打開；正常運行時，要求閥瓣有盡可能大的開啟角，并能穩(wěn)定在全開位置；停泵時閥門有優(yōu)化的關(guān)閉特性，在突然停泵時即能阻止水倒流，保護(hù)水泵不致發(fā)生飛逸反轉(zhuǎn)，達(dá)到保護(hù)水泵的目的，又能使其在關(guān)閉的最后階段實現(xiàn)緩閉，減少突然關(guān)閉造成管路中的水錘，達(dá)到保護(hù)管路的目的。

（3）設(shè)置重錘式安全閥。

在水泵進(jìn)口管上安裝重錘式安全閥，防止回水壓力由于停泵急劇升高對循環(huán)泵帶來危害。

5 采暖抽汽管道上安全閥的設(shè)置

5.1 安全閥的作用

目前，很多供熱機組的采暖抽汽管道上都裝設(shè)了汽機廠提供的安全閥，該安全閥的主要作用是為了防止中壓缸超壓，保護(hù)汽機。設(shè)置此安全閥的原因是基于可能出現(xiàn)這樣的極端事故工況：即采暖抽汽管道上的快關(guān)閥由于某種原因突然關(guān)閉，同時中壓缸到低壓缸之間聯(lián)通管上的調(diào)節(jié)閥也由于某種原因無法調(diào)節(jié)，此時中壓缸排汽無法及時排出，壓力會很快升高，引起中壓缸超壓。故設(shè)此安全閥及時將采暖抽汽排到室外，從而達(dá)到保護(hù)汽機的目的。

5.2 安全閥起作用的2個前提

要實現(xiàn)這一功能得有2個前提：其一是需要設(shè)置100%容量的安全閥，其二是確保安全閥此時能正常工作。

（1）對于第1個前提，現(xiàn)場設(shè)計時往往無法實現(xiàn)，因為100%容量安全閥排汽管道很大，即使是按2× 50%容量設(shè)計的安全閥，其排汽管道也到達(dá)2× DN1000左右（以330 MW機組，額定抽汽550 t/h為例）。該管道受主廠房空間的限制，無法布置開。正基于此，汽機廠往往提供2×15%～2×25%容量的安全閥，然而此時的安全閥已經(jīng)起不到其最初保護(hù)中壓缸不超壓的作用。以330 MW采暖機組為例，額定采暖抽汽量是550 t/h，此時通過聯(lián)通管去低壓缸的蒸汽流量大約是110 t/h，如果按50%容量安全閥設(shè)置考慮，則通過安全閥可排出的蒸汽量是275 t/h，剩下275 t/h需要通過聯(lián)通管上的調(diào)節(jié)閥進(jìn)入低壓缸。此時由于調(diào)節(jié)閥故障，調(diào)閥開度不變，此時閥前的流量將是原來的3.5倍。而閥前后的壓差與其通過流量的平方成正比，故此時閥前后的壓差將達(dá)原來的12倍，而閥后壓力基本不變，則閥前壓力將增加很大，也要造成中壓缸超壓。

（2）對于第2個前提，由于出現(xiàn)這種極端事故工況的可能性很小，電廠運行人員也反映該安全閥基本沒用過。對這樣長時間不用而得不到維護(hù)重視的閥門，很難確保在發(fā)生極端事故工況時能發(fā)揮正常功能。即使100%容量安全閥起作用，也要求機組盡快停機，因為任何一個電廠都不會允許將550 t/h的蒸汽這樣白白浪費掉。

5.3 替代的保護(hù)方案

正是基于上述2個前提都難以保證，筆者認(rèn)為不宜設(shè)安全閥，可采用替代的保護(hù)方案解決極端事故工況，即由汽機廠通過設(shè)置中壓缸超壓冗余保護(hù)措施來實現(xiàn)。

具體做法是：增加中壓缸壓力測點，并同時增加壓力信號傳輸通道，確保只要出現(xiàn)中壓缸壓力超限就立即停機保護(hù)。筆者認(rèn)為此種替代保護(hù)方案不僅可行，而且比設(shè)計安全閥更經(jīng)濟、更可靠。

6 結(jié)論

為了保證熱電廠供熱首站設(shè)計安全、可靠，下列設(shè)計是值得借鑒的。

（1）在熱電廠供熱首站的回水管道上設(shè)置2級自動清污器：第1級為回水總管上設(shè)置過濾精度較低的臨時自動清污器，用以先行清除熱網(wǎng)管道中的像磚頭、碎石等大而堅硬的雜物；第2級為循環(huán)水泵入口各支管上設(shè)置過濾精度較高的自動濾網(wǎng)，用于去除其他影響設(shè)備安全及熱網(wǎng)首站換熱效果的細(xì)小雜物。

（2）對1級閉式熱網(wǎng)系統(tǒng)，熱網(wǎng)正常補水量可按熱網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)流量的1%設(shè)計，并對熱網(wǎng)事故補水水質(zhì)，尤其是其中的Cl-含量給予足夠重視。

（3）熱網(wǎng)首站回水管道的設(shè)計壓力及設(shè)計流速按熱網(wǎng)首站供水管道的設(shè)計參數(shù)來選取。

（4）在熱網(wǎng)循環(huán)水泵的回水母管和供水母管之間設(shè)置1個帶止回閥的泄壓旁通管，在熱網(wǎng)循環(huán)水泵出口設(shè)置防水錘的緩閉式止回閥，在熱網(wǎng)循環(huán)水泵進(jìn)口管上安裝重錘式安全閥等設(shè)計手段來防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生。

（5）不采用在采暖抽汽管道上設(shè)安全閥的傳統(tǒng)設(shè)計方案，而是與汽機廠配合，采用更經(jīng)濟、更可靠的替代保護(hù)方案。

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