淺談高寒地區長輸供熱管網水錘分析及防護措施

麻亞東

（內蒙古蒙東能源有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000）

0 引言

在我國“3060”雙碳行動的背景下，統籌城市周邊大型熱電廠資源實現長距離供將成為我國北方地區清潔取暖的主旋律，今后的長輸供熱管網將向著復雜化、大規模的方向發展，具有大溫差、大高差、大管徑、長距離等特點，這也大大增加了供熱管網水錘發生的概率，水錘的破壞力也大大提高。在供熱長輸熱水管網大規模建設下，如何保障長輸供熱熱水管網安全地運行，免受水錘影響，是該報告的研究內容。

在熱水供熱系統中，水擊現象會影響系統安全運行，必須采取積極的安全措施，防止水擊現象發生。水擊現象最容易出現在停泵、再起泵過程及事故停電或閥門開閉不當等情況下。特別是輸送介質溫度高、輸送距離長、落差大的管網，更應采取措施，防止水擊現象發生，盡量減少水擊危害。

該項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 ℃。長輸供熱管網的安全性顯得尤為重要。由于管網長度46 km、地形高差89 m，工程供熱規模大，供熱距離長，供熱管徑大，技術難度大，安全要求高，因此應避免管網在事故工況時的壓力瞬變出現水擊現象。

1 項目概況

根據項目的可行性研究，該項目采用大溫差供熱技術，供回水溫度130/40℃，設計壓力2.5MPa，管徑為DN1200，材質Q235B。從供熱首站至隔壓站管線總長46km，高差89m，以直埋敷設方式為主，局部特殊路段采用頂管敷設的方式[1]。

供熱管網系統如圖1所示，該長輸管線設置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。項目正常運行狀態時對主管線水壓進行計算，長輸熱網循環水量為6880 t/h，采用管徑2×DN1200(一供一回)。

圖1 供熱管網系統圖

2 水錘現象的危險性

在輸送水（或其他液體）的過程中，當閥門突然開啟或關閉，遇到水泵突然停車等非穩態工況時，水流速會突然發生變化，由于流體的慣性作用，因此管道內流體的壓力急劇變化，產生大幅度壓力波動的現象，該現象稱為水擊（也叫水錘）或水力瞬變過程。由水擊產生的這種大幅度瞬間壓力波動會導致管網中壓力瞬間升高和下降，壓力波在傳播過程中經過反射和疊加，攜帶巨大的能量，會導致管道系統強烈振動、噪聲，甚至有可能對管道系統產生很大的破壞作用。在熱水供熱系統中，水擊現象導致大幅度壓力波動，會使系統壓力產生瞬時驟變的現象，當管網中壓力瞬間升高時，設備、管道及管路附件可能因承壓能力不足而損壞。另外，當管網中壓力瞬間下降時，熱力網輸送的高溫熱水可能汽化形成空穴，破壞水流的連續性，當管網中的汽穴遇到升高的壓力波時，汽穴潰滅，形成新的水力瞬變過程，這都會影響熱水供熱系統的安全運行。供熱系統曾發生的水擊事故中，出現供熱干線爆管、循環泵房電氣設備破壞、管道大幅度振動推垮支架以及閥門、水泵損壞等情況，導致大面積停熱，產生較大的負面影響。從該項目概況可知，該工程輸送距離長、管徑很大、溫度高，容易出現水擊現象。

3 水錘分析的邊界條件和假設

3.1 介質物性參數

根據項目可行性研究設計，該系統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，溫差在90℃左右。其供回水密度、黏度等參數指標見表1。

表1 流體介質物性參數

3.2 循環泵特性參數

表2 循環泵的特性參數

該項目供熱首站、城區隔壓站均采用三用一備的模式設置循環泵，兩站設計循環泵流量均為2400 t/h，揚程分別為171 m、100 m，其運行功率分別為1600 kW、1000 kW，轉速均為1480 r/min。

3.3 換熱器的參數

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

表3 換熱器的特性參數

3.4 水錘分析工況

如表4所示，設置前三種事故工況為供熱首站3臺泵依次停用；事故工況4至6設置為隔壓站3臺泵依次停用；事故工況7、8分別采用關閉首站、換熱站出口閥門的方式，水錘分析試驗參照以上八種運行工況進行試驗分析。

表4 電廠首站到隔壓站的水錘分析工況

4 水錘分析結果

4.1 工況1：供熱首站停一臺泵

在首站停泵過程中，最大瞬態壓力為2.269MPa，發生在隔壓站泵出口處；且最大瞬態壓力小于管線的設計壓力2.5MPa；最小瞬態壓力為0.1245MPa，發生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒有發生汽蝕。因此該工況下沒有產生嚴重的水錘，也沒有發生汽蝕。

4.2 工況2：供熱首站停2臺泵

在首站停泵過程中，最大瞬態壓力為2.269 MPa，發生在隔壓站泵出口處；且最大瞬態壓力小于管線的設計壓力2.5 MPa；最小瞬態壓力為0.07035 MPa，發生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒有發生汽蝕。因此該工況下沒有產生嚴重的水錘，也沒有發生汽蝕。

4.3 工況3：供熱首站停三臺泵

在首站停泵過程中，最大瞬態壓力為2.269MPa，發生在隔壓站泵出口處；且最大瞬態壓力小于管線的設計壓力2.5MPa；最小瞬態壓力為-0.05698MPa，發生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒有發生汽蝕。因此該工況下沒有產生嚴重的水錘，也沒有發生汽蝕。

4.4 工況4：隔壓站停一臺泵

在隔壓站停泵過程中，最大瞬態壓力為2.468 MPa，發生在距離首站19000 m，標高644 m處；且最大瞬態壓力小于管線的設計壓力2.5 MPa；最小瞬態壓力為0.2256 MPa，發生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒有發生汽蝕。因此該工況下沒有產生嚴重的水錘，也沒有發生汽蝕。

4.5 工況5：隔壓站停兩臺泵

在隔壓站停泵過程中，最大瞬態壓力為2.485 MPa，發生在距離首站19000 m標高644 m處；且最大瞬態壓力小于管線的設計壓力2.5 MPa；最小瞬態壓力為0.1860 MPa，發生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒有發生汽蝕。因此該工況下沒有產生嚴重的水錘，也沒有發生汽蝕。

4.6 工況6：隔壓站停3臺泵

在隔壓站停泵過程中，最大瞬態壓力為2.493MPa，發生在距離首站19000m標高644m處；且最大瞬態壓力小于管線的設計壓力2.5 MPa；最小瞬態壓力為0.1111MPa，發生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒有發生汽蝕。因此該工況下沒有產生嚴重的水錘，也沒有發生汽蝕。

4.7 工況7：首站一換熱器出口閥門關閉

在閥門關閉過程中，最大瞬態壓力為2.269MPa，發生在隔壓站泵出口處；且最大瞬態壓力小于管線的設計壓力2.5MPa；最小瞬態壓力為0.2880MPa，發生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒有發生汽蝕，因此該工況下沒有產生嚴重的水錘，也沒有發生汽蝕。

4.8 工況8：隔壓站一換熱器出口閥門關閉

在閥門關閉過程中，最大瞬態壓力為2.269MPa，發生在隔壓站泵出口處；且最大瞬態壓力小于管線的設計壓力2.5MPa；最小瞬態壓力為0.2879MPa，發生在首站入口處，且該壓力大于水的飽和蒸汽壓，沒有發生汽蝕，因此該工況下沒有產生嚴重的水錘，也沒有發生汽蝕。

5 水錘結論及防護措施

5.1 水錘分析結論

從以上水錘分析結果可以看出，當首站停泵時，沒有發生較為嚴重的水錘，最大瞬態壓力均小于管道的設計壓力，也未發生汽蝕；隔壓站停泵時，未發生較為嚴重的水錘，最大瞬態壓力均小于管道的設計壓力，也沒有發生汽蝕；首站和隔壓站一個換熱器出口閥門關閉時，沒有發生較為嚴重的水錘，最大瞬態壓力均小于管道的設計壓力，也沒有發生汽蝕。因此，從以上分析結果可以看出，該供熱管線在發生停泵和一個換熱器進出口閥門關閉時，最大的瞬態壓力均小于管道的設計壓力，不會出現因上述事故產生的瞬態壓力導致爆管問題。

由于該熱網工程輸送距離長，路由有起伏高差，管網運行壓力較高，因此必須采取強有力的防止水錘措施，否則一旦發生水錘，其后果不堪設想。在停泵、再啟泵過程及事故停電或閥門開閉不當等情況下最容易產生管網水錘現象，水錘產生后主要對循環水泵、管道急拐段及熱力站設備沖擊較大。

5.2 水錘防護措施

在熱水供熱系統中，水錘現象是客觀存在的，且長輸多級加壓供熱管網自身具有復雜性、特殊性，為了保證系統的安全，必須采取積極的預防措施，盡量防止水錘現象的發生。針對該項目，在設計中采取以下7條措施：1）泵站防護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而引起的，有效地避免啟泵水錘只需要在水泵啟動時解決管路的排氣問題。停泵水錘是泵站防護的重點，其主要目的是為了防止水泵葉輪長時間反轉以及管道升壓。在水泵出口處安裝可兩階段關閉的緩閉止回閥，可有效避免由于水流倒泄引起的水泵葉輪長時間反轉的情況，并能夠消減水力瞬變，且成本低，易操作，是泵站防護的有效措施之一。此外，給水泵并聯一個帶止回閥的泄壓旁通管，也能夠有效降低水錘升壓，旁通管的構造非常簡單，因此其造價一般也非常低廉，在中小型供熱輸水管網中得到廣泛應用。在零級熱水管網系統中，主循環水泵采用變頻調速裝置，這將進一步有效地減少水錘現象發生的可能性。2）當布置管線時，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，這樣避免在停泵過程中最高點由于汽化產生“水柱分離 ”現象，將大大減少水錘產生的可能性。3）由于鋼管的機械強度高，管道連接簡便可靠，因此長輸供熱管網系統一般選用側堂的模式。由于不同規格的鋼管其承壓值也各不相同，并且存在性價比的問題，當發生水錘時，為了能夠承受一定程度的升壓，防止管道破裂，應選用承壓值高的鋼管。4）熱水管網一旦產生水錘現象，受 沖擊較大的是循環水泵，針對該情況，在設計時將循環水泵的進出水總管之間設置一帶止回閥的泄壓旁通管。在循環水泵運行時，由于水泵出水側水壓高于吸水側的水壓，止回閥呈關閉狀態。當突然停泵的瞬間，泵出水側壓力急劇降低，而吸水側壓力大幅度增加，在該壓差作用下，循環水泵吸水側管路中的水即推開止回閥至泵出水側的管網系統，從而降低了吸水側管網中壓力增高的幅度，減少和防止水擊危害。5）熱水管網的管路系統上每隔4 km～5 km設置1套分段隔離閥門，在實際操作中閥門只能逐漸關閉，在閥門關閉過程中將向上游和下游相繼發出一系列的水錘壓力波，波的反射和通過各自傳播進行代數疊加，因此在條件允許的情況下，應盡量延長閥門的啟閉時間，這樣水擊的上升速率減慢，在水錘壓力還沒有升至最大值時，與沿管道傳回來的負反射波相疊加，可以很大程度地減少管道中的水錘壓力，所以該項目設計中選用關閉時間曲線較佳的緩開啟蝶閥，且在所有隔離閥門處設旁路系統，這樣使用起來效果更好。長輸供熱管網因其距離長，沿線需要配備大量的閥門，如何確定閥門的安裝位置對于防范水錘具有重要意義。閥門的配備安裝應該以熱力網設計規范為依據，綜合考慮管理、經濟、管道長度以及檢修等多方面因素后確定。閥門的關閉要經歷一定的時間，快慢兩階段關閥要比勻速關閥更能夠有效減少水錘壓力值，絕對禁止突然關閉閥門。因此，運行維護時須嚴格按照規程操作。6）在零級熱水管網系統中，因水錘壓力是在穩態壓力的基礎上疊加而來，如果恒壓點壓力定的過高，當發生水錘時，系統更容易超壓，若恒壓點壓力定的過低，又容易出現汽化和負壓。如果需要使管網按照水壓圖給定的壓力狀況運行，就要通過膨脹水箱定壓、補給水泵定壓、惰性氣體定壓和蒸汽定壓等定壓方式來確定1個恒壓點[2]。7）根據水錘分析結果及實際運行情況，建議選擇性添加如下水錘防護和抑制措施：1）建議首站換熱器進出口閥門關閉的時間不小于60 s。2）建議隔壓站換熱器進出口閥門關閉的時間不小于30 s。3）首站和隔壓站循環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 結論

通過以上分析，充分論證了在高寒地區應用長輸管網供熱技術時水錘防護的必要性，為高寒地區長距離多級加壓供熱輸水管網在設計、施工以及調試時如何避免水錘危害提供了理論和實踐基礎，對長距離多級加壓供熱輸水管網的安全運行起到指導作用。