箱式雙向調壓塔對城市供熱管網的水錘防護分析

趙　莉，宋張馳，汪建平

(1.西安航空學院 能源與建筑學院，陜西 西安710077； 2.長安大學 環境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

箱式雙向調壓塔對城市供熱管網的水錘防護分析

趙莉1，宋張馳2，汪建平2

(1.西安航空學院 能源與建筑學院，陜西 西安710077； 2.長安大學 環境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

摘要：城市供熱管網突然停泵、閥門突然關閉和熱負荷突然改變都會導致管道系統壓力降低，容易產生蒸汽空腔，繼而引發斷流彌合水錘。介紹了供熱管網中常用的水錘防護設施，簡述了箱式雙向調壓塔的特點及邊界條件，通過工程實例，兩階段緩閉止回閥結合箱式雙向調壓塔的防護方案對于供熱管網水錘防護效果顯著。

關鍵詞：供熱管網；蒸汽空腔；斷流彌合水錘；水錘防護設施；箱式雙向調壓塔；邊界條件

0引言

近年來，我國城市集中供熱工程取得了飛速的發展。由于熱力管網系統復雜，突然斷電導致停泵、閥門突然關閉、熱負荷改變等都會引起水錘發生，甚至導致水錘事故[1]，水錘使管道系統產生劇烈振動，容易導致管道的保溫層脫落，甚至導致管道疲勞，降低使用壽命[1]。供熱管網系統是閉式系統，水錘波速達到1km/s，迅速在整個管道傳播，高溫熱水的飽和蒸汽壓值比常溫水的值要大，一旦管道出現降壓波，管道系統中就會存在蒸汽空腔，當升壓波到來，蒸汽空腔破滅，產生壓力極大的斷流彌合水錘，其強度可以達到數十米甚至上百米水柱壓力，足以損壞管道及水泵、閥門、散熱器等設備，使管道產生巨大振動，破壞管道的支撐[1]，對供熱管道的危害十分嚴重。

在現代熱網中，由于加大了熱源(熱電廠或集中供熱區的鍋爐房)的單位容量，大管徑、長距離的熱力管道和裝有許多的調節閥、閘板閥等的大型水泵增壓站點投入運行，使發生水錘的機率大大增加了，水錘的破壞力也加大了。因此，供熱管網的水錘防護對于管網系統安全至關重要，是目前國內外重要的研究課題。

水錘安全分析可以根據管道系統具體情況，預知可能產生的水錘壓力以及發生水錘的地點，根據分析來設定水錘防護方案，保證管道系統的安全運行。供熱網系統屬于大型民生工程，不可能通過實驗來判斷其安全與否，目前通行的方法是通過計算機模擬計算來判斷管道系統的安全性，用數值模擬計算給出熱水管網在各種事故工況下計算節點的流量-時間曲線圖和壓力-時間曲線圖，為工程設計和運行提供依據。

1供熱管網常用的水錘防護設施

傳統的水錘防護措施有兩階段緩閉止回閥、超壓泄壓閥、氣壓罐、單向調壓塔、雙向調壓塔等。新興的箱式雙向調壓塔則克服了傳統防護設施的缺點，經過工程檢驗，防護水錘效果顯著，逐漸廣泛應用。

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

(2)超壓泄壓閥。根據管線實際需要，設定安全壓力值，一旦超過設定壓力值，泄流高壓水，降低管道系統壓力。但是超壓泄壓閥存在滯動作現象，不能及時降低壓力，對熱力管道系統來說存在安全隱患。

(3)氣壓罐。多用在常溫管道的水錘防護中，如果用在供熱管網中，因為溫度高，對氣壓罐的內襯需要采用隔熱和耐高溫設計，造價過高，實際應用價值不高。

(4)單向調壓塔。當管道壓力大于設定安全值時，泄放高壓水，降低管線壓力，保護管道系統安全。在熱力管網中，很多情況是防止管道壓力降低而產生蒸汽空腔，避免斷流彌合水錘的發生，而單向調壓塔不具備增壓功能，實際應用價值不高。

(5)雙向調壓塔。當管線壓力大于設定安全值上限時，能泄除高壓水，降低管道系統壓力。當壓力小于設計安全值下限時，能通過進水補充管道系統壓力，但是要求雙向調壓塔的高度必須大于管道正常運行時的水力線，多數情況下需要設置的調壓塔非常高，甚至達到上百米，這樣不僅增加了工程造價，也增加了維護費用，存在安全隱患，同時與周圍景觀極不協調。因而，雙向調壓塔在熱力管網系統中的實際應用受到了限制。

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

2箱式雙向調壓塔原理及特點

箱式雙向調壓塔是在普通雙向調壓塔的基礎上進行改良，利用活塞面積壓力來代替傳統水壓線壓力，使安裝高度大大降低。箱式雙向調壓塔內部結構，設置上下不等面積活塞，上部活塞面積大，連通調壓塔儲水箱；下部活塞面積小，連通管道水。由壓力等于壓強乘以受力面積可知，這樣無需要求調壓塔儲水箱的壓強大于管道水壓強，上部活塞越大，調壓塔所需的高度越低，當管道水壓力大于設定的安全值上限時，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，降低系統壓力。

當管道壓力低于設定安全值下限時，下部活塞的受力小于上部活塞的受力，活塞下移，儲水箱內水向管道內補充，預防或消除斷流彌合水錘現象[2-3]。

由此可見，箱式雙向調壓塔能夠及時降壓和補壓，其建筑高度可根據具體情況設定，通過改變上部活塞面積即可[2-3]。一般情況下，箱式雙向調壓塔的建筑高度為5～15米[2，4]。不僅降低了工程造價，也方便運行維護管理。箱式雙向調壓塔一般安裝在水泵出口附近，發生停泵，根據水錘波傳播原理，管路首端最先產生降壓波，安裝箱式雙向調壓塔可以及時補壓，避免斷流產生。一般裝設在距離泵站50～100米范圍內，此范圍方便人員管理[4]。

3箱式雙向調壓塔的邊界條件

箱式雙向調壓塔的相容性方程為[2]：

(1)

(2)

式中，QP1為流入調壓塔內的流量，QP2為流出調壓塔內的流量，HP為調壓塔內泄流或注水后的水深，Ht為調壓塔內原來水深。

箱式雙向調壓塔的泄壓值即為設定安全值的上限，一般取正常運行壓力值Hn加上10m水柱[2]；箱式雙向調壓塔的補壓值即為設定安全值的下限，一般取調壓塔位置處的管中心線標高h加上5m水柱，當箱式雙向調壓塔該點的瞬時壓力H超過安全值上限時開始泄壓；當該點壓力低于安全值下限時開始注水。即

H>Hn+10m時，H=Hn+5m

(3)

H

(4)

式中，H為管路壓強(m)，Hn為正常運行時壓強(m)，h為管中心線標高(m)。

將上式與相容性方程式聯立求解，即可得出箱式雙向調壓塔的邊界條件方程[2]。

4工程實例

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

管路總長37.8km，高差170m[5]，兩套長輸供熱管線系統分別設置兩套6級加壓泵組，全部變頻控制，同頻緩慢啟停，每套系統各設置4臺循環泵變頻控制，3用1備，每臺泵額定流量4300t/h，管線總體布置及系統流程如圖1所示。

圖1電廠至太原供熱系統流程圖(單套系統)

各泵站循環泵揚程如表1所示。

表1　泵站循環泵揚程

管道壓力均在設計承壓值以內，管中心線標高以上，系統無發生斷流水錘的隱患，管道運行安全有保障，系統正常運行時穩態壓力如圖2所示。

圖2正常運行管道系統壓力線

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

經過模擬計算分析，確定防護方案如下，在樁號0+100、17+500、20+100、38+400、39+800、54+000、59+300處分別安裝箱式雙向調壓塔，調壓塔口徑為DN700，箱式雙向調壓塔設定安全值上限為正常運行壓力加10米水柱，安全值下限為管中心線標高加5米水柱。優化水泵出口緩閉止回閥兩階段關閥方案為：快關70°，快關時間10s，全關時間120s。

圖3只安裝緩閉止回閥無其他防護措施時管道壓力包絡線

管線最大壓力均在設計承壓值以內，最小壓力均大于管中心線標高，系統無斷流水錘隱患，無爆管危險，管道壓力安全穩定，達到了有效防護管道水錘升壓的效果。如圖4所示。

圖4安裝箱式雙向調壓塔后水錘包絡線

通過箱式雙向調壓塔注入管道的水量如表2所示。

表2　最佳防護措施的調壓塔設備數量和規格

5結語

供熱管網系統中，熱水的汽化壓力比常溫水的汽化壓力高，更容易發生斷流彌合水錘，合理選擇防護設備、制定防護方案對供熱管網系統的安全運行意義重大。箱式雙向調壓塔具有自身特點，能夠及時泄壓和補壓，對于供熱管網中的水錘防護效果顯著。經過工程實踐驗證，兩階段緩閉止回閥結合箱式雙向調壓塔的防護方案對供熱管網水錘防護效果良好[6]。

參考文獻

[1] 徐瑩.供熱管網停泵水錘及水泵旁通管選擇分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,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研究[C]//中國給水排水.2013給水深度處理及飲用水安全保障技術交流會論文集.武漢：中國給水排水，2014：476-482.

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

[4] 趙莉.有無斷流水力過渡計算模型在高揚程大管徑多起伏長距離輸水管道中水力計算結果的比較[D].西安：長安大學,2010.

[5] 周傳淞.長距離供熱管網保溫厚度及中繼泵站設置的研究[D].天津：天津大學,2014.

[6] 趙莉,馮繼科.設置高位水池的長距離輸水管路的水錘防護研究[J].西安文理學院學報(自然科學版),2010(1)：65-67.

[責任編輯、校對：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

基金項目：西安航空學院重點項目(2015KY11020)；西安市科技局產學研協同創新計劃(高校類) (CXY1518(3))

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

中圖分類號：TU991

文獻標識碼：A

文章編號：1008-9233(2016)03-0056-05