浅谈高寒地区长输供热管网水锤分析及防护措施

时间：2024-05-17

麻亚东

（内蒙古蒙东能源有限公司，内蒙古呼伦贝尔 021000）

0 引言

在我国“3060”双碳行动的背景下，统筹城市周边大型热电厂资源实现长距离供将成为我国北方地区清洁取暖的主旋律，今后的长输供热管网将向着复杂化、大规模的方向发展，具有大温差、大高差、大管径、长距离等特点，这也大大增加了供热管网水锤发生的概率，水锤的破坏力也大大提高。在供热长输热水管网大规模建设下，如何保障长输供热热水管网安全地运行，免受水锤影响，是该报告的研究内容。

在热水供热系统中，水击现象会影响系统安全运行，必须采取积极的安全措施，防止水击现象发生。水击现象最容易出现在停泵、再起泵过程及事故停电或阀门开闭不当等情况下。特别是输送介质温度高、输送距离长、落差大的管网，更应采取措施，防止水击现象发生，尽量减少水击危害。

该项目所在地为呼伦贝尔市，处于高纬度、高寒地带，冬季最低温度在-31 ℃以下，年平均气温为-5 ℃～-1 ℃。长输供热管网的安全性显得尤为重要。由于管网长度46 km、地形高差89 m，工程供热规模大，供热距离长，供热管径大，技术难度大，安全要求高，因此应避免管网在事故工况时的压力瞬变出现水击现象。

1 项目概况

根据项目的可行性研究，该项目采用大温差供热技术，供回水温度130/40℃，设计压力2.5MPa，管径为DN1200，材质Q235B。从供热首站至隔压站管线总长46km，高差89m，以直埋敷设方式为主，局部特殊路段采用顶管敷设的方式[1]。

供热管网系统如图1所示，该长输管线设置1座供热首站与1座隔压站，采用4组水泵加压的方式输送热水。项目正常运行状态时对主管线水压进行计算，长输热网循环水量为6880 t/h，采用管径2×DN1200(一供一回)。

图1 供热管网系统图

2 水锤现象的危险性

在输送水（或其他液体）的过程中，当阀门突然开启或关闭，遇到水泵突然停车等非稳态工况时，水流速会突然发生变化，由于流体的惯性作用，因此管道内流体的压力急剧变化，产生大幅度压力波动的现象，该现象称为水击（也叫水锤）或水力瞬变过程。由水击产生的这种大幅度瞬间压力波动会导致管网中压力瞬间升高和下降，压力波在传播过程中经过反射和叠加，携带巨大的能量，会导致管道系统强烈振动、噪声，甚至有可能对管道系统产生很大的破坏作用。在热水供热系统中，水击现象导致大幅度压力波动，会使系统压力产生瞬时骤变的现象，当管网中压力瞬间升高时，设备、管道及管路附件可能因承压能力不足而损坏。另外，当管网中压力瞬间下降时，热力网输送的高温热水可能汽化形成空穴，破坏水流的连续性，当管网中的汽穴遇到升高的压力波时，汽穴溃灭，形成新的水力瞬变过程，这都会影响热水供热系统的安全运行。供热系统曾发生的水击事故中，出现供热干线爆管、循环泵房电气设备破坏、管道大幅度振动推垮支架以及阀门、水泵损坏等情况，导致大面积停热，产生较大的负面影响。从该项目概况可知，该工程输送距离长、管径很大、温度高，容易出现水击现象。

3 水锤分析的边界条件和假设

3.1 介质物性参数

根据项目可行性研究设计，该系统中用热水的物理特性为供水水温130℃，回水水温40℃；为大温差供热管网，温差在90℃左右。其供回水密度、黏度等参数指标见表1。

表1 流体介质物性参数

3.2 循环泵特性参数

表2 循环泵的特性参数

该项目供热首站、城区隔压站均采用三用一备的模式设置循环泵，两站设计循环泵流量均为2400 t/h，扬程分别为171 m、100 m，其运行功率分别为1600 kW、1000 kW，转速均为1480 r/min。

3.3 换热器的参数

如表3所示，该项目供热首站以四用零备的模式设置换热器，单台换热量180 MW；隔压站以十一用零备的模式设置换热器，单台换热量70 MW。

表3 换热器的特性参数

3.4 水锤分析工况

如表4所示，设置前三种事故工况为供热首站3台泵依次停用；事故工况4至6设置为隔压站3台泵依次停用；事故工况7、8分别采用关闭首站、换热站出口阀门的方式，水锤分析试验参照以上八种运行工况进行试验分析。

表4 电厂首站到隔压站的水锤分析工况

4 水锤分析结果

4.1 工况1：供热首站停一台泵

在首站停泵过程中，最大瞬态压力为2.269MPa，发生在隔压站泵出口处；且最大瞬态压力小于管线的设计压力2.5MPa；最小瞬态压力为0.1245MPa，发生在首站入口处，且该压力大于水的饱和蒸汽压，没有发生汽蚀。因此该工况下没有产生严重的水锤，也没有发生汽蚀。

4.2 工况2：供热首站停2台泵

在首站停泵过程中，最大瞬态压力为2.269 MPa，发生在隔压站泵出口处；且最大瞬态压力小于管线的设计压力2.5 MPa；最小瞬态压力为0.07035 MPa，发生在首站入口处，且该压力大于水的饱和蒸汽压，没有发生汽蚀。因此该工况下没有产生严重的水锤，也没有发生汽蚀。

4.3 工况3：供热首站停三台泵

在首站停泵过程中，最大瞬态压力为2.269MPa，发生在隔压站泵出口处；且最大瞬态压力小于管线的设计压力2.5MPa；最小瞬态压力为-0.05698MPa，发生在首站入口处，且该压力大于水的饱和蒸汽压，没有发生汽蚀。因此该工况下没有产生严重的水锤，也没有发生汽蚀。

4.4 工况4：隔压站停一台泵

在隔压站停泵过程中，最大瞬态压力为2.468 MPa，发生在距离首站19000 m，标高644 m处；且最大瞬态压力小于管线的设计压力2.5 MPa；最小瞬态压力为0.2256 MPa，发生在首站入口处，且该压力大于水的饱和蒸汽压，没有发生汽蚀。因此该工况下没有产生严重的水锤，也没有发生汽蚀。

4.5 工况5：隔压站停两台泵

在隔压站停泵过程中，最大瞬态压力为2.485 MPa，发生在距离首站19000 m标高644 m处；且最大瞬态压力小于管线的设计压力2.5 MPa；最小瞬态压力为0.1860 MPa，发生在首站入口处，且该压力大于水的饱和蒸汽压，没有发生汽蚀。因此该工况下没有产生严重的水锤，也没有发生汽蚀。

4.6 工况6：隔压站停3台泵

在隔压站停泵过程中，最大瞬态压力为2.493MPa，发生在距离首站19000m标高644m处；且最大瞬态压力小于管线的设计压力2.5 MPa；最小瞬态压力为0.1111MPa，发生在首站入口处，且该压力大于水的饱和蒸汽压，没有发生汽蚀。因此该工况下没有产生严重的水锤，也没有发生汽蚀。

4.7 工况7：首站一换热器出口阀门关闭

在阀门关闭过程中，最大瞬态压力为2.269MPa，发生在隔压站泵出口处；且最大瞬态压力小于管线的设计压力2.5MPa；最小瞬态压力为0.2880MPa，发生在首站入口处，且该压力大于水的饱和蒸汽压，没有发生汽蚀，因此该工况下没有产生严重的水锤，也没有发生汽蚀。

4.8 工况8：隔压站一换热器出口阀门关闭

在阀门关闭过程中，最大瞬态压力为2.269MPa，发生在隔压站泵出口处；且最大瞬态压力小于管线的设计压力2.5MPa；最小瞬态压力为0.2879MPa，发生在首站入口处，且该压力大于水的饱和蒸汽压，没有发生汽蚀，因此该工况下没有产生严重的水锤，也没有发生汽蚀。

5 水锤结论及防护措施

5.1 水锤分析结论

从以上水锤分析结果可以看出，当首站停泵时，没有发生较为严重的水锤，最大瞬态压力均小于管道的设计压力，也未发生汽蚀；隔压站停泵时，未发生较为严重的水锤，最大瞬态压力均小于管道的设计压力，也没有发生汽蚀；首站和隔压站一个换热器出口阀门关闭时，没有发生较为严重的水锤，最大瞬态压力均小于管道的设计压力，也没有发生汽蚀。因此，从以上分析结果可以看出，该供热管线在发生停泵和一个换热器进出口阀门关闭时，最大的瞬态压力均小于管道的设计压力，不会出现因上述事故产生的瞬态压力导致爆管问题。

由于该热网工程输送距离长，路由有起伏高差，管网运行压力较高，因此必须采取强有力的防止水锤措施，否则一旦发生水锤，其后果不堪设想。在停泵、再启泵过程及事故停电或阀门开闭不当等情况下最容易产生管网水锤现象，水锤产生后主要对循环水泵、管道急拐段及热力站设备冲击较大。

5.2 水锤防护措施

在热水供热系统中，水锤现象是客观存在的，且长输多级加压供热管网自身具有复杂性、特殊性，为了保证系统的安全，必须采取积极的预防措施，尽量防止水锤现象的发生。针对该项目，在设计中采取以下7条措施：1）泵站防护分为停泵水锤和启泵水锤两部分，启泵水锤主要是由于水泵在管道中存气的情况下非正常启动而引起的，有效地避免启泵水锤只需要在水泵启动时解决管路的排气问题。停泵水锤是泵站防护的重点，其主要目的是为了防止水泵叶轮长时间反转以及管道升压。在水泵出口处安装可两阶段关闭的缓闭止回阀，可有效避免由于水流倒泄引起的水泵叶轮长时间反转的情况，并能够消减水力瞬变，且成本低，易操作，是泵站防护的有效措施之一。此外，给水泵并联一个带止回阀的泄压旁通管，也能够有效降低水锤升压，旁通管的构造非常简单，因此其造价一般也非常低廉，在中小型供热输水管网中得到广泛应用。在零级热水管网系统中，主循环水泵采用变频调速装置，这将进一步有效地减少水锤现象发生的可能性。2）当布置管线时，尽可能地使管道纵断面平顺地上升而不形成类似于驼峰凸部的特异点，这样避免在停泵过程中最高点由于汽化产生“水柱分离 ”现象，将大大减少水锤产生的可能性。3）由于钢管的机械强度高，管道连接简便可靠，因此长输供热管网系统一般选用侧堂的模式。由于不同规格的钢管其承压值也各不相同，并且存在性价比的问题，当发生水锤时，为了能够承受一定程度的升压，防止管道破裂，应选用承压值高的钢管。4）热水管网一旦产生水锤现象，受冲击较大的是循环水泵，针对该情况，在设计时将循环水泵的进出水总管之间设置一带止回阀的泄压旁通管。在循环水泵运行时，由于水泵出水侧水压高于吸水侧的水压，止回阀呈关闭状态。当突然停泵的瞬间，泵出水侧压力急剧降低，而吸水侧压力大幅度增加，在该压差作用下，循环水泵吸水侧管路中的水即推开止回阀至泵出水侧的管网系统，从而降低了吸水侧管网中压力增高的幅度，减少和防止水击危害。5）热水管网的管路系统上每隔4 km～5 km设置1套分段隔离阀门，在实际操作中阀门只能逐渐关闭，在阀门关闭过程中将向上游和下游相继发出一系列的水锤压力波，波的反射和通过各自传播进行代数叠加，因此在条件允许的情况下，应尽量延长阀门的启闭时间，这样水击的上升速率减慢，在水锤压力还没有升至最大值时，与沿管道传回来的负反射波相叠加，可以很大程度地减少管道中的水锤压力，所以该项目设计中选用关闭时间曲线较佳的缓开启蝶阀，且在所有隔离阀门处设旁路系统，这样使用起来效果更好。长输供热管网因其距离长，沿线需要配备大量的阀门，如何确定阀门的安装位置对于防范水锤具有重要意义。阀门的配备安装应该以热力网设计规范为依据，综合考虑管理、经济、管道长度以及检修等多方面因素后确定。阀门的关闭要经历一定的时间，快慢两阶段关阀要比匀速关阀更能够有效减少水锤压力值，绝对禁止突然关闭阀门。因此，运行维护时须严格按照规程操作。6）在零级热水管网系统中，因水锤压力是在稳态压力的基础上叠加而来，如果恒压点压力定的过高，当发生水锤时，系统更容易超压，若恒压点压力定的过低，又容易出现汽化和负压。如果需要使管网按照水压图给定的压力状况运行，就要通过膨胀水箱定压、补给水泵定压、惰性气体定压和蒸汽定压等定压方式来确定1个恒压点[2]。7）根据水锤分析结果及实际运行情况，建议选择性添加如下水锤防护和抑制措施：1）建议首站换热器进出口阀门关闭的时间不小于60 s。2）建议隔压站换热器进出口阀门关闭的时间不小于30 s。3）首站和隔压站循环泵出口止回阀采用带缓闭装置的止回阀。4）建议隔压站采用双路电源，尽量避免泵站泵全停的事故。