袁雄俊，劉利

（華北電力設計院工程有限公司，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)的安全性不僅是經濟問題，更是關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，首先應保證熱電廠供熱首站設計合理、安全可靠。本文結合熱電廠供熱首站設計工作的實踐，就熱電廠供熱首站設計安全的5個問題進行探討。

1 自動清污器設置

在熱網啟動初期，熱網內的雜物很多，尤其像磚頭、碎石和焊渣等堅硬雜物進入熱網循環(huán)水管道，可能造成熱網循環(huán)泵葉輪斷裂或者首站的換熱器換熱管破壞等嚴重后果。為了避免發(fā)生上述嚴重事故，應在熱網首站回水管道上設置2級自動清污器，具體設計如下：在回水母管的適當位置先設置過濾精度相對低的1級臨時自動清污器，用以在熱網運行初期先行清除熱網管道中的像磚頭、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級濾網為設置在熱網循環(huán)水泵入口管上的過濾精度較高的自動濾網，用于去除其他細小雜物，該濾網為永久濾網。

與單級自動清污器設計相比，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置旁路，這樣就節(jié)省了3個大口徑的電動關斷閥。

（2）1級臨時自動清污器只要求清除熱網管道中的像磚頭、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，熱網系統(tǒng)運行更方便，更可靠。當某臺泵前的濾網故障時，只要啟用備用泵，就可以停泵檢修此濾網，這樣對熱網系統(tǒng)的運行不產生影響。而單級自動清污器若故障，就必須走旁路，這樣就可能對熱網首站的安全性及經濟性造成影響。

在1級臨時自動清污器選型及布置時，筆者認為以下幾點需要注意：

（1）應選擇可連續(xù)排污的自動清污器，且以旋流式清污器為好[1]。

（2）自動清污器的設計參數建議取用熱網循環(huán)水的供水設計參數。

（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，要求所配濾網及其他過水斷面部件要有高的強度及耐磨性。

2 熱網補水

2.1 熱網正常補水量問題

根據CJJ 34—2002《城市熱力網設計規(guī)范》的第7.5.3條中規(guī)定[2]：閉式熱力網補水裝置的流量不應小于供熱系統(tǒng)循環(huán)流量的2%；事故補水量不應小于供熱系統(tǒng)循環(huán)流量的4%。即要求熱網正常補水量最小應為2%系統(tǒng)循環(huán)流量。假定熱網系統(tǒng)循環(huán)流量為1萬t/h，則要求正常補水量至少達到200 t/h。對一級閉式熱網系統(tǒng)來說這個比例過高，隨著我國整體工業(yè)技術水平的提高，其熱水損失已能達到很小，這一點在DL/T 5068—2005《火力發(fā)電廠化學設計技術規(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]。該表對閉式熱水網損失要求按熱水網水量的0.5%～1%或根據資料來設計。為此建議對一級閉式熱網系統(tǒng)，熱電廠供熱首站的正常補水量按1%系統(tǒng)循環(huán)流量設計。

2.2 事故補水水質問題

應對熱網事故補水水質給予足夠重視，尤其是其中的Cl-含量。根據CJJ 34—2002《城市熱力網設計規(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)定當供熱系統(tǒng)有不銹鋼設備時，應考慮Cl-腐蝕問題，供熱介質中Cl-含量不宜高于0.002 5%，或者不銹鋼設備采取防腐措施。而在熱網首站實際設計當中，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系統(tǒng)，則會給整個熱網系統(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，并盡早告之外網設計單位，以便外網系統(tǒng)盡早采取相應的防范措施；其次，在首站設計中，在造價允許的范圍內盡量采用耐高Cl-的設備及材料，或者在相應設備內加裝內襯方式防止Cl-腐蝕。

3 回水管道設計壓力及設計流速選取

3.1 回水管道設計壓力選取

根據CJJ 34—2002《城市熱力網設計規(guī)范》第9.0.2中規(guī)定“熱網供、回水管道的設計均取循環(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生的靜水壓力”。即該規(guī)定要求熱網首站的供回水管道的設計壓力是相同的，且都取循環(huán)水泵出口的供水管道的設計壓力。這樣設計是安全、可靠的，因為當某種原因突然致使熱網供水管道將外網熱用戶“旁路”或者當泵因突然失電或其他原因造成嚴重水錘事故發(fā)生時，都會使熱網首站回水管道壓力陡增，大大超過外網提供的正?；厮畨毫?。為此，在進行回水管道上的各閥門、流量測量裝置、濾網等設備及管道設計選型時，也應按供水管道的設計壓力來設計選取。

3.2 回水管道的流速選取

根據CJJ 34—2002《城市熱力網設計規(guī)范》第9.0.2中規(guī)定“熱力網應按允許壓力降確定管徑，但供熱介質流速不應大于3.5 m/s”。而根據DL/T 5054—1996《火力發(fā)電廠汽水管道設計技術規(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。筆者認為對于熱網首站的回水管道其設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，而對于熱網循環(huán)泵，由于在回水管道上設有定壓補水系統(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，可以降低熱網站的初投資。如果按離心泵入口管道推薦的流速來設計，則回水管道規(guī)格比供水管道會大幾檔，以熱網循環(huán)水量1萬t/h為例，當回水管道取流速為1.5 m/s時，回水管道的規(guī)格應為DN1600，而流速取2.5 m/s，回水管道的規(guī)格應為DN1200，可以節(jié)省大約40%的鋼材用量。

在實際熱網站設計中，其容量一般是考慮了規(guī)劃熱負荷的，即在熱網投運后的較長時間內，熱網循環(huán)水量都達不到設計流量，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，必須采取積極的預防措施，盡量減小水錘現(xiàn)象的發(fā)生及由此產生的危害[5-6]。

熱網循環(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，因而泵在運轉過程中和正常停泵時是不會引起水錘現(xiàn)象發(fā)生。而當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，最高可達到正常壓力的2倍，對管路和設備有很大的危害性。

采用下述設計可防止水錘現(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，由于水泵出水側水壓高于吸水側的水壓，止回閥呈關閉狀態(tài)。在突然停泵的瞬間，泵出水側壓力急劇降低，而吸水側壓力則大幅度增高，在此壓差作用下，循環(huán)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(tǒng)，從而降低了吸水側管網中壓力增高的幅度，減少和防止了水錘的危害。泄壓旁通管上的止回閥應選用阻力較小、開啟靈活的產品。泄壓旁通管的管徑越大，對減小水錘越有力，可以根據規(guī)定的壓力界限確定經濟的管徑，一般管徑可選比進口管小1號。

（2）設置緩閉式止回閥。

在泵出口設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閉，造成閥后的空穴，空穴在正負水錘波的作用下，反復產生和自滅，造成閥門的空蝕破壞，使其壽命縮短；當閥瓣動作不靈活時，關閉緩慢，水倒流，沖擊葉輪產生飛逸反轉而破壞泵設備；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)化的關閉特性，在突然停泵時即能阻止水倒流，保護水泵不致發(fā)生飛逸反轉，達到保護水泵的目的，又能使其在關閉的最后階段實現(xiàn)緩閉，減少突然關閉造成管路中的水錘，達到保護管路的目的。

（3）設置重錘式安全閥。

在水泵進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，保護汽機。設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閥由于某種原因突然關閉，同時中壓缸到低壓缸之間聯(lián)通管上的調節(jié)閥也由于某種原因無法調節(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。故設此安全閥及時將采暖抽汽排到室外，從而達到保護汽機的目的。

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%容量設計的安全閥，其排汽管道也到達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起不到其最初保護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)通管上的調節(jié)閥進入低壓缸。此時由于調節(jié)閥故障，調閥開度不變，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 替代的保護方案

正是基于上述2個前提都難以保證，筆者認為不宜設安全閥，可采用替代的保護方案解決極端事故工況，即由汽機廠通過設置中壓缸超壓冗余保護措施來實現(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。筆者認為此種替代保護方案不僅可行，而且比設計安全閥更經濟、更可靠。

6 結論

為了保證熱電廠供熱首站設計安全、可靠，下列設計是值得借鑒的。

（1）在熱電廠供熱首站的回水管道上設置2級自動清污器：第1級為回水總管上設置過濾精度較低的臨時自動清污器，用以先行清除熱網管道中的像磚頭、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置過濾精度較高的自動濾網，用于去除其他影響設備安全及熱網首站換熱效果的細小雜物。

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

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

（4）在熱網循環(huán)水泵的回水母管和供水母管之間設置1個帶止回閥的泄壓旁通管，在熱網循環(huán)水泵出口設置防水錘的緩閉式止回閥，在熱網循環(huán)水泵進口管上安裝重錘式安全閥等設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安全閥的傳統(tǒng)設計方案，而是與汽機廠配合，采用更經濟、更可靠的替代保護方案。

[1]楊旭中，郭曉克，康慧.熱電聯(lián)產規(guī)劃設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]CJJ 34—2002城市熱力網設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]DL/T 5068—2005火力發(fā)電廠化學設計技術規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2006.

[4]DL 5000—2000火力發(fā)電廠設計技術規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2000.

[5]郭立君.泵與風機[M].北京：中國電力出版社，1995.

[6]石兆玉.供熱系統(tǒng)運行與調節(jié)[M].北京：清華大學出版社，1994.

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