燕勇鵬， 張玉晨， 賀 璠， 張 蓉， 王 淮

(1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司 第六設(shè)計研究院， 天津 300381；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司， 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)運行可靠性的重要措施之一。當管道發(fā)生故障時，可以關(guān)閉故障兩側(cè)的分段閥門，以減少檢修時的放水量，降低運行成本；縮短放水、充水時間，加快搶修進度；保證盡可能多的用戶正常運行，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“長距離供熱輸送干線”為自熱源至主要負荷區(qū)、長度超過20 km、無分支接出的供熱干線，以下簡稱“長輸干線”。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，以下簡稱“傳統(tǒng)干線”。

CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱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，長輸干線越來越多，為了節(jié)省造價，進行關(guān)于長輸干線分段閥門間距是否可以適當加大(例如增加到4～6 km)的研究，對于提高供熱管網(wǎng)可靠性和減少工程造價具有重要意義。以下從供熱可靠性、故障修復(fù)時間、閥門造價、故障修復(fù)費用、長輸干線與傳統(tǒng)干線的分段閥門作用比較等幾個方面進行分析。

2 供熱可靠性

2.1 可靠性指標

供熱管道中，當發(fā)生故障時，通過關(guān)斷分段閥門來隔離故障元件，以便于實施搶修。在整個管網(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，將有效縮短維修時的放水和補水時間[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對每一個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R[2]來評價，計算公式如下：

(1)

ΔΦi=Φd-Φg,i

(2)

式中R——可靠性指標

n——故障隔離區(qū)域的數(shù)量,個

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

Φd——系統(tǒng)設(shè)計熱負荷，MW

ωi——第i個故障隔離區(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個故障隔離區(qū)域內(nèi)管道槽長，km

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

pi——第i個故障隔離區(qū)域內(nèi)閥門數(shù)量，個

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)計上做了大量的工作，主要數(shù)據(jù)見表1。我國在2002年對北京、沈陽等幾個具有代表性的大型熱水供熱管網(wǎng)進行了調(diào)查統(tǒng)計。通過對供熱管網(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，代表了當年建設(shè)運行水平較高的熱網(wǎng)。經(jīng)過近20 a的發(fā)展，熱水管道從設(shè)計、施工、運行、裝備上都發(fā)生了長足的進步，而且長輸干線的建設(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 閥門間距增加后對供熱可靠性的影響

某長輸干線長達72 km，管徑規(guī)格為DN 1 400 mm，中間無分支，供暖期延續(xù)時間為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)。對于72 km的長輸干線，可以將其看作一個大的故障隔離區(qū)域，由公式(3)可以得出整個長輸干線系統(tǒng)的故障率變化，見表2。

表2 整個長輸干線系統(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，整個長輸干線系統(tǒng)的總故障率會相應(yīng)減小，大約減小2.55%。

長輸干線發(fā)生故障后，整個系統(tǒng)將全部停熱，其供熱不足量ΔQi即為系統(tǒng)設(shè)計熱負荷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時的可靠性指標R為0.650，分段閥門間距為6 km時的可靠性指標R為0.657，即分段閥門間距為6 km時的供熱可靠性指標R比間距為3 km時的高。這是因為，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)時間

3.1 管道故障修復(fù)時間劃分

管道故障修復(fù)時間是研究長輸干線分段閥門間距的一個重要參數(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)時間劃分成故障發(fā)現(xiàn)及定位時間、放水時間、凈維修時間、補水時間。

tx=t1+t2+t3+t4

(4)

式中tx——管道故障修復(fù)時間，h

t1——故障發(fā)現(xiàn)及定位時間，h

t2——放水時間，h

t3——凈維修時間，h

t4——補水時間，h

如果采取相應(yīng)措施，使長輸干線分段閥門間距增加后的故障修復(fù)時間不超過傳統(tǒng)干線的故障修復(fù)時間，就可以認為分段閥門間距增加后不會對故障修復(fù)時間造成影響。

3.2 故障發(fā)現(xiàn)及定位時間t1

長輸干線一般都配套有分布式光纖測溫系統(tǒng)，對長輸干線進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)生故障，可以及時發(fā)現(xiàn)并實現(xiàn)故障的迅速定位。

故障發(fā)現(xiàn)及定位時間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影響故障發(fā)現(xiàn)及定位時間t1。

3.3 放水時間t2

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

對于兩相鄰分段閥門之間的簡單熱水管道，放水管管徑按公式(5)計算[4-5]，計算出的數(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)，對于閘閥m=0.011，截止閥m=0.014 4，本文m取0.011

t2——放水時間，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、放水點數(shù)目、放氣管設(shè)置情況、允許放水時間等因素有關(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，放水時間為5～7 h，嚴寒地區(qū)采用規(guī)定的較小放水時間。

長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)時間，本文建議放水時間取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。在此條件下計算得到滿足放水時間5 h要求時，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所要求的最小放水管管徑，見表3。

表3 長輸干線不同分段閥門間距時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放水時間t2的影響，長輸干線的最小放水管管徑應(yīng)符合表3的要求。

3.4 凈維修時間t3

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

3.5 補水時間t4

長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補水時間t4的影響，應(yīng)增加長輸干線的補水能力。長輸干線的補水能力應(yīng)為傳統(tǒng)間距系統(tǒng)的2倍。增大補水能力的措施有兩個：在補水點處將軟化水生產(chǎn)能力、事故補水泵和補水水箱的容量增大為傳統(tǒng)系統(tǒng)的2倍；或者在長輸干線中間合適位置增加事故補水點，設(shè)置與補水點相同生產(chǎn)能力的軟化水裝置、相同規(guī)格的補水泵和相同容量補水水箱。

4 閥門造價和故障修復(fù)費用分析

長輸干線管道總長度不變，即管道造價不變。分段閥門間距增加后，分段閥門的數(shù)量減少，則閥門造價會相應(yīng)減小。同時，與傳統(tǒng)干線相比，相同管徑的熱水管道的水容量會增加，則故障修復(fù)費用會相應(yīng)增加，主要表現(xiàn)在補水費用的增加。

下文以第2章中的實際工程為例，即長輸干線槽長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時對閥門造價和補水費用的影響。造價和補水費用變化見表4。

表4 分段閥門間距增加后造價和補水費用的變化

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，造價可以減少2 580×104元，減少43%。如果發(fā)生故障，修復(fù)費用會相應(yīng)增加，具體表現(xiàn)為補水費用增加2.33×104元，增加100%。增大分段閥門間距后，雖然補水費用比原來增加100%，但是所增加的補水費用與所節(jié)省的造價相比很小，可以忽略不計。

5 長輸干線與傳統(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間，減小故障修復(fù)時間，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。

5.2 發(fā)生故障時供熱不足量

對于傳統(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)生故障時的供熱不足量，特別是在分支較多的管網(wǎng)中。

對于長輸干線，故障對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，供熱不足量就是長輸干線所負責(zé)的全部供熱量。因此，在長輸干線中，分段閥門的間距對發(fā)生故障時的供熱不足量沒有影響。

5.3 供熱可靠性

對于傳統(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。

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

對于長輸干線，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R增加了，即提高了管道的供熱可靠性。因此，長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 長輸干線分段閥門間距可以從2～3 km增加到4～6 km。

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

③ 長輸干線分段閥門間距增加后，故障修復(fù)時間會增加。其中，對故障發(fā)現(xiàn)及定位時間和凈維修時間沒有影響，但是會增加放水時間和補水時間。

④ 為了減小或消除長輸干線閥門間距增加后對故障修復(fù)時間的影響，應(yīng)適當加大長輸干線的放水管管徑，同時增加長輸干線的補水能力。

⑤ 長輸干線閥門間距增加后，雖然故障修復(fù)時補水費用增加了，但是所增加的補水費用與所節(jié)省的造價相比很小，可以忽略不計。