供熱長(zhǎng)輸干線分段閥門間距增加的研究

燕勇鵬， 張玉晨， 賀 璠， 張 蓉， 王 淮

(1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 第六設(shè)計(jì)研究院， 天津 300381；2.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 天津 300381)

1 概述

在供熱管網(wǎng)上間隔一定距離設(shè)置分段閥門是提高供熱管網(wǎng)運(yùn)行可靠性的重要措施之一。當(dāng)管道發(fā)生故障時(shí)，可以關(guān)閉故障兩側(cè)的分段閥門，以減少檢修時(shí)的放水量，降低運(yùn)行成本；縮短放水、充水時(shí)間，加快搶修進(jìn)度；保證盡可能多的用戶正常運(yùn)行，增加供熱的可靠性。但分段閥門設(shè)置的數(shù)量應(yīng)綜合考慮，并非越多越好。

本文定義“長(zhǎng)距離供熱輸送干線”為自熱源至主要負(fù)荷區(qū)、長(zhǎng)度超過20 km、無分支接出的供熱干線，以下簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)輸干線”。定義“傳統(tǒng)距離供熱干線”為供熱半徑小于或等于20 km且沿線有大量分支接出的供熱干線，以下簡(jiǎn)稱“傳統(tǒng)干線”。

CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱CJJ 34—2010)第8.5.2條規(guī)定：“輸送干線分段閥門的間距宜為2～3 km”。目前，長(zhǎng)輸干線越來越多，為了節(jié)省造價(jià)，進(jìn)行關(guān)于長(zhǎng)輸干線分段閥門間距是否可以適當(dāng)加大(例如增加到4～6 km)的研究，對(duì)于提高供熱管網(wǎng)可靠性和減少工程造價(jià)具有重要意義。以下從供熱可靠性、故障修復(fù)時(shí)間、閥門造價(jià)、故障修復(fù)費(fèi)用、長(zhǎng)輸干線與傳統(tǒng)干線的分段閥門作用比較等幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

2 供熱可靠性

2.1 可靠性指標(biāo)

供熱管道中，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通過關(guān)斷分段閥門來隔離故障元件，以便于實(shí)施搶修。在整個(gè)管網(wǎng)中，分段閥門設(shè)置得越密集，意味著故障隔離區(qū)域越小，將有效縮短維修時(shí)的放水和補(bǔ)水時(shí)間[1]。

由于管道和閥門本身也是一類故障元件，因此，分段閥門間距增大后會(huì)對(duì)每一個(gè)閥門分段和總管道系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生影響。供熱管網(wǎng)的可靠性可以用可靠性指標(biāo)R[2]來評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下：

(1)

ΔΦi=Φd-Φg,i

(2)

式中R——可靠性指標(biāo)

n——故障隔離區(qū)域的數(shù)量,個(gè)

ΔΦi——第i個(gè)故障隔離區(qū)域?qū)?yīng)故障工況下的供熱不足量[3]，MW

Φd——系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，MW

ωi——第i個(gè)故障隔離區(qū)域內(nèi)所有元件的故障率，a-1

t——供暖期延續(xù)時(shí)間，a

Φg,i——故障工況下系統(tǒng)的供熱量，MW

ωi=2ωg,ili+ωf,ipi

(3)

式中ωg,i——第i個(gè)故障隔離區(qū)域內(nèi)管道的故障率參數(shù)，1/(km·a)

li——第i個(gè)故障隔離區(qū)域內(nèi)管道槽長(zhǎng)，km

ωf,i——第i個(gè)故障隔離區(qū)域內(nèi)閥門的故障率參數(shù)，1/(個(gè)·a)

pi——第i個(gè)故障隔離區(qū)域內(nèi)閥門數(shù)量，個(gè)

2.2 元部件故障率參數(shù)

俄羅斯在供熱管網(wǎng)元部件故障率的統(tǒng)計(jì)上做了大量的工作，主要數(shù)據(jù)見表1。我國在2002年對(duì)北京、沈陽等幾個(gè)具有代表性的大型熱水供熱管網(wǎng)進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)。通過對(duì)供熱管網(wǎng)調(diào)度日志、故障維修記錄等資料的收集整理，得到了這幾個(gè)供熱管網(wǎng)多年的故障基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中北京市的統(tǒng)計(jì)年限跨越15 a，管徑規(guī)格范圍為DN 200～1 000 mm，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上總結(jié)出了供熱管網(wǎng)元部件故障率參數(shù)[3]，見表1。

表1 供熱管網(wǎng)元部件故障率參數(shù)

從調(diào)查結(jié)果可以看出，北京熱水管道系統(tǒng)的故障率較小，代表了當(dāng)年建設(shè)運(yùn)行水平較高的熱網(wǎng)。經(jīng)過近20 a的發(fā)展，熱水管道從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、裝備上都發(fā)生了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而且長(zhǎng)輸干線的建設(shè)通常都受到格外重視，質(zhì)量較好。因此，目前新建的長(zhǎng)輸干線系統(tǒng)故障率參數(shù)可以參考表1中北京的數(shù)據(jù)。

2.3 閥門間距增加后對(duì)供熱可靠性的影響

某長(zhǎng)輸干線長(zhǎng)達(dá)72 km，管徑規(guī)格為DN 1 400 mm，中間無分支，供暖期延續(xù)時(shí)間為167 d(0.458 a)，分段閥門間距從傳統(tǒng)的3 km增加到6 km，閥門故障率參數(shù)和管道故障率參數(shù)參考表1中北京的數(shù)據(jù)。對(duì)于72 km的長(zhǎng)輸干線，可以將其看作一個(gè)大的故障隔離區(qū)域，由公式(3)可以得出整個(gè)長(zhǎng)輸干線系統(tǒng)的故障率變化，見表2。

表2 整個(gè)長(zhǎng)輸干線系統(tǒng)故障率的變化

從表2可以看出，分段閥門間距增大后，由于閥門總數(shù)量減少了，整個(gè)長(zhǎng)輸干線系統(tǒng)的總故障率會(huì)相應(yīng)減小，大約減小2.55%。

長(zhǎng)輸干線發(fā)生故障后，整個(gè)系統(tǒng)將全部停熱，其供熱不足量ΔQi即為系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷Qd。將表2中的數(shù)據(jù)代入公式(1)，得出分段閥門間距為3 km時(shí)的可靠性指標(biāo)R為0.650，分段閥門間距為6 km時(shí)的可靠性指標(biāo)R為0.657，即分段閥門間距為6 km時(shí)的供熱可靠性指標(biāo)R比間距為3 km時(shí)的高。這是因?yàn)?，閥門間距增加后，從管網(wǎng)系統(tǒng)整體看，閥門的數(shù)量減少，總的故障率會(huì)相應(yīng)減小，從而使供熱可靠性提高。

因此，與傳統(tǒng)分段閥門間距相比，長(zhǎng)輸干線閥門間距增加后，供熱可靠性提高了。

3 管道故障修復(fù)時(shí)間

3.1 管道故障修復(fù)時(shí)間劃分

管道故障修復(fù)時(shí)間是研究長(zhǎng)輸干線分段閥門間距的一個(gè)重要參數(shù)，它與故障管道的管徑、分段閥門間距和管道敷設(shè)方式等參數(shù)有關(guān)，還與維修人員的技術(shù)能力、維修設(shè)備的先進(jìn)水平有關(guān)。考慮到從故障發(fā)生到故障修復(fù)過程中經(jīng)歷的不同階段，可以把修復(fù)時(shí)間劃分成故障發(fā)現(xiàn)及定位時(shí)間、放水時(shí)間、凈維修時(shí)間、補(bǔ)水時(shí)間。

tx=t1+t2+t3+t4

(4)

式中tx——管道故障修復(fù)時(shí)間，h

t1——故障發(fā)現(xiàn)及定位時(shí)間，h

t2——放水時(shí)間，h

t3——凈維修時(shí)間，h

t4——補(bǔ)水時(shí)間，h

如果采取相應(yīng)措施，使長(zhǎng)輸干線分段閥門間距增加后的故障修復(fù)時(shí)間不超過傳統(tǒng)干線的故障修復(fù)時(shí)間，就可以認(rèn)為分段閥門間距增加后不會(huì)對(duì)故障修復(fù)時(shí)間造成影響。

3.2 故障發(fā)現(xiàn)及定位時(shí)間t1

長(zhǎng)輸干線一般都配套有分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，對(duì)長(zhǎng)輸干線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生故障，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)故障的迅速定位。

故障發(fā)現(xiàn)及定位時(shí)間t1與分段閥門間距沒有關(guān)系，因此，分段閥門間距增加后不會(huì)影響故障發(fā)現(xiàn)及定位時(shí)間t1。

3.3 放水時(shí)間t2

長(zhǎng)輸干線發(fā)生事故時(shí)，兩相鄰分段閥門之間的簡(jiǎn)單熱水管道(由相同管徑、相同坡度的管道所組成的管段)放水所需要的時(shí)間最長(zhǎng)。為了保證安全，本文以簡(jiǎn)單熱水管道為基礎(chǔ)來考慮分段閥門間距與放水管管徑之間的關(guān)系。

對(duì)于兩相鄰分段閥門之間的簡(jiǎn)單熱水管道，放水管管徑按公式(5)計(jì)算[4-5]，計(jì)算出的數(shù)據(jù)向上圓整取值為常用的公稱直徑。

(5)

式中dg——放水管公稱直徑，mm

Di——熱水管道內(nèi)直徑，mm

m——與放水管上閥門流量系數(shù)μ有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于閘閥m=0.011，截止閥m=0.014 4，本文m取0.011

t2——放水時(shí)間，h

L——兩相鄰分段閥門之間所發(fā)生事故的單根熱水管道長(zhǎng)度(即分段閥門間距)，m

i——兩相鄰分段閥門之間的熱水管道坡度

由于放水管管徑與放水量、管道坡度、放水點(diǎn)數(shù)目、放氣管設(shè)置情況、允許放水時(shí)間等因素有關(guān)，CJJ 34—2010沒有規(guī)定放水管管徑，僅規(guī)定了放水時(shí)間，第8.5.5條規(guī)定熱水管道管徑規(guī)格大于或等于DN 600 mm時(shí)，放水時(shí)間為5～7 h，嚴(yán)寒地區(qū)采用規(guī)定的較小放水時(shí)間。

長(zhǎng)輸干線管徑一般都較大，發(fā)生事故后影響的供暖面積大，因此，為了減小修復(fù)時(shí)間，本文建議放水時(shí)間取5 h。

已知：分段閥門間距分別為4 km、5 km和6 km，管道坡度i為0.002，與放水管上閥門流量系數(shù)μ有關(guān)的系數(shù)m取0.011，DN 1 000 mm、DN 1 200 mm和DN 1 400 mm的熱水管道的內(nèi)直徑Di分別為922 mm、1 188 mm、1 380 mm。在此條件下計(jì)算得到滿足放水時(shí)間5 h要求時(shí)，DN1 000 mm、DN 1 200 mm和DN 1 400 mm的熱水管道在不同分段閥門間距時(shí)所要求的最小放水管管徑，見表3。

表3 長(zhǎng)輸干線不同分段閥門間距時(shí)所要求的最小放水管管徑

因此，為了減小或消除閥門間距增加后對(duì)放水時(shí)間t2的影響，長(zhǎng)輸干線的最小放水管管徑應(yīng)符合表3的要求。

3.4 凈維修時(shí)間t3

對(duì)于相同的故障，相同管徑的管道，凈維修時(shí)間t3是一樣的，與分段閥門間距無關(guān)。

3.5 補(bǔ)水時(shí)間t4

長(zhǎng)輸干線分段閥門間距增加到4～6 km后，與傳統(tǒng)間距2～3 km相比，相同管徑的熱水管道的水容量增加了1倍。那么，為了減小或消除閥門間距增加后對(duì)補(bǔ)水時(shí)間t4的影響，應(yīng)增加長(zhǎng)輸干線的補(bǔ)水能力。長(zhǎng)輸干線的補(bǔ)水能力應(yīng)為傳統(tǒng)間距系統(tǒng)的2倍。增大補(bǔ)水能力的措施有兩個(gè)：在補(bǔ)水點(diǎn)處將軟化水生產(chǎn)能力、事故補(bǔ)水泵和補(bǔ)水水箱的容量增大為傳統(tǒng)系統(tǒng)的2倍；或者在長(zhǎng)輸干線中間合適位置增加事故補(bǔ)水點(diǎn)，設(shè)置與補(bǔ)水點(diǎn)相同生產(chǎn)能力的軟化水裝置、相同規(guī)格的補(bǔ)水泵和相同容量補(bǔ)水水箱。

4 閥門造價(jià)和故障修復(fù)費(fèi)用分析

長(zhǎng)輸干線管道總長(zhǎng)度不變，即管道造價(jià)不變。分段閥門間距增加后，分段閥門的數(shù)量減少，則閥門造價(jià)會(huì)相應(yīng)減小。同時(shí)，與傳統(tǒng)干線相比，相同管徑的熱水管道的水容量會(huì)增加，則故障修復(fù)費(fèi)用會(huì)相應(yīng)增加，主要表現(xiàn)在補(bǔ)水費(fèi)用的增加。

下文以第2章中的實(shí)際工程為例，即長(zhǎng)輸干線槽長(zhǎng)72 km，管徑規(guī)格為DN 1 400 mm，中間無分支，分析分段閥門間距從傳統(tǒng)的3 km增加到6 km時(shí)對(duì)閥門造價(jià)和補(bǔ)水費(fèi)用的影響。造價(jià)和補(bǔ)水費(fèi)用變化見表4。

表4 分段閥門間距增加后造價(jià)和補(bǔ)水費(fèi)用的變化

從表4可以看出，分段閥門間距從傳統(tǒng)的3 km增加到6 km后，造價(jià)可以減少2 580×104元，減少43%。如果發(fā)生故障，修復(fù)費(fèi)用會(huì)相應(yīng)增加，具體表現(xiàn)為補(bǔ)水費(fèi)用增加2.33×104元，增加100%。增大分段閥門間距后，雖然補(bǔ)水費(fèi)用比原來增加100%，但是所增加的補(bǔ)水費(fèi)用與所節(jié)省的造價(jià)相比很小，可以忽略不計(jì)。

5 長(zhǎng)輸干線與傳統(tǒng)干線分段閥門作用比較

5.1 隔離區(qū)域

無論是長(zhǎng)輸干線，還是傳統(tǒng)干線，分段閥門間距越小，意味著可隔離區(qū)域越小，將有效縮短放水和充水時(shí)間，減小故障修復(fù)時(shí)間，及早恢復(fù)供熱。但是分段閥門間距越小，閥門數(shù)量就越多，增加了閥門造價(jià)。

5.2 發(fā)生故障時(shí)供熱不足量

對(duì)于傳統(tǒng)干線，隨故障所處位置不同，供熱不足量大小差別很大。例如，靠近熱源處的故障會(huì)造成較大的供熱不足量，而管道末端處的故障造成的供熱不足量卻很小。在傳統(tǒng)干線中，減小分段閥門的間距，增加閥門的數(shù)量，可以減小發(fā)生故障時(shí)的供熱不足量，特別是在分支較多的管網(wǎng)中。

對(duì)于長(zhǎng)輸干線，故障對(duì)供熱不足量的影響與位置無關(guān)，影響是一樣的，一旦發(fā)生故障，供熱不足量就是長(zhǎng)輸干線所負(fù)責(zé)的全部供熱量。因此，在長(zhǎng)輸干線中，分段閥門的間距對(duì)發(fā)生故障時(shí)的供熱不足量沒有影響。

5.3 供熱可靠性

對(duì)于傳統(tǒng)干線，分段閥門可以起到減小停供范圍的作用，因此，在分段閥門數(shù)量小于枝狀管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)的情況下，減小分段閥門的間距，增加閥門的數(shù)量，可以大幅提高管道的供熱可靠性。

分段閥門對(duì)傳統(tǒng)枝狀管網(wǎng)供熱可靠性提高的貢獻(xiàn)具有非等價(jià)性，管道中部的分段閥門對(duì)供熱可靠性提高的程度大于管道兩端[6]。

對(duì)于長(zhǎng)輸干線，分段閥門起不到減小停供范圍的作用，由第2章可知，將分段閥門間距增加前后的數(shù)據(jù)分別代入公式(1)，發(fā)現(xiàn)分段閥門間距增加后的可靠性指標(biāo)R增加了，即提高了管道的供熱可靠性。因此，長(zhǎng)輸干線中增大分段閥門的間距有利于提高供熱可靠性。

6 結(jié)論

① 長(zhǎng)輸干線分段閥門間距可以從2～3 km增加到4～6 km。

② 長(zhǎng)輸干線分段閥門間距增加后，長(zhǎng)輸干線系統(tǒng)的總故障率減小，供熱可靠性提高。

③ 長(zhǎng)輸干線分段閥門間距增加后，故障修復(fù)時(shí)間會(huì)增加。其中，對(duì)故障發(fā)現(xiàn)及定位時(shí)間和凈維修時(shí)間沒有影響，但是會(huì)增加放水時(shí)間和補(bǔ)水時(shí)間。

④ 為了減小或消除長(zhǎng)輸干線閥門間距增加后對(duì)故障修復(fù)時(shí)間的影響，應(yīng)適當(dāng)加大長(zhǎng)輸干線的放水管管徑，同時(shí)增加長(zhǎng)輸干線的補(bǔ)水能力。

⑤ 長(zhǎng)輸干線閥門間距增加后，雖然故障修復(fù)時(shí)補(bǔ)水費(fèi)用增加了，但是所增加的補(bǔ)水費(fèi)用與所節(jié)省的造價(jià)相比很小，可以忽略不計(jì)。