程學(xué)遠(yuǎn)，武明皓

（中國電建集團(tuán)河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050031）

1 前言

長距離供熱輸送對于大氣污染防治和助力碳達(dá)峰與碳中和具有重要意義。國內(nèi)的太原、銀川、石家莊等地已經(jīng)實(shí)施了長距離供熱。長距離供熱管網(wǎng)的運(yùn)行中，由于高低起伏的地形、不同地區(qū)變化多端的天氣變化要求的閥門和泵的開啟和閉合等，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)一些安全性問題，其中水錘沖擊是最重要的現(xiàn)象。水錘一旦產(chǎn)生，在管道中快速傳播壓力波，速度非常大，從而發(fā)生振蕩現(xiàn)象。長距離輸送高溫水的供熱管網(wǎng)特別容易發(fā)生水錘問題，嚴(yán)重時(shí)水錘事故將造成超強(qiáng)的破壞能力，極有可能發(fā)生工程事故和人員傷亡。

文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)出口閥門的關(guān)閉規(guī)律對末端水錘的影響很大，由于受閥門自身限制，出口閥門按最優(yōu)關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生較大末端水錘，需要使用其他防護(hù)措施消除或降低末端水錘。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為實(shí)際工程中，閥門關(guān)閉的時(shí)間既不能過短，又不能過長，最佳的關(guān)閥時(shí)間應(yīng)通過計(jì)算確定。文獻(xiàn)[5]以山西省某熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)長輸管道為例，也進(jìn)行了類似的研究。

綜上所述，閥門開啟對于長輸供熱管道的水錘現(xiàn)象影響很大。因此本文以某實(shí)際工程為例，通過數(shù)值模擬，研究閥門開啟對水錘的影響。

2 計(jì)算對象

本文以寧夏華電靈武公司向銀川市供熱熱網(wǎng)項(xiàng)目一期工程熱網(wǎng)為對象，其中熱力網(wǎng)的主干線約67.9km，支干線及支線約48.1km。設(shè)有2個(gè)中繼泵站，其中1#中繼泵站為供、回水加壓泵站，3#中繼泵站為隔壓站。供熱管網(wǎng)的主干線設(shè)計(jì)直徑為DN1400，管內(nèi)輸送熱水，壓力為1.6MPa。循環(huán)水流量為15433.5t/h，管內(nèi)流速為2.85m/s。在輸送干線上有一個(gè)輸送干線閥門，利用ANSYS的design model建立模型。流體的模型選擇k-omega雙方程湍流模型。

本文模擬3種閥門關(guān)閉速度，閥門關(guān)閉的速度設(shè)置分別為 180 deg/s、90deg/s和45deg/s。

3 結(jié)果分析

不同閥門關(guān)閉轉(zhuǎn)速下，處于上游的閥門前面的監(jiān)視面平均壓力值隨時(shí)間變化如圖1至圖3所示。

由圖1至圖3可知，隨著閥門的關(guān)閉，閥門前的面平均壓力值出現(xiàn)壓力值的急速變化，短時(shí)間內(nèi)壓力值呈正負(fù)浮動(dòng)，并且曲線呈周期性波動(dòng)。同時(shí)對于這3種情況，管內(nèi)壓力均超過了1.6MPa的額定設(shè)計(jì)值。說明閥門前的面平均壓力值超壓。

圖1 閥門前的面平均壓力值的變化（轉(zhuǎn)速180deg/s）

圖2 閥門前的面平均壓力值的變化（轉(zhuǎn)速90deg/s

圖3 閥門前的面平均壓力值的變化（轉(zhuǎn)速45deg/s）

由圖3可知，閥門關(guān)閉轉(zhuǎn)速較低時(shí)，壓力周期性變化的頻率降低，并且出現(xiàn)最高壓力的次數(shù)也有所降低。

不同閥門關(guān)閉轉(zhuǎn)速下，處于下游的閥門前面的監(jiān)視面平均壓力值隨時(shí)間變化如圖4至圖6所示。

圖4 閥門后的面平均壓力值的變化（轉(zhuǎn)速180deg/s）

圖5 閥門后的面平均壓力值的變化（轉(zhuǎn)速90deg/s）

圖6 閥門后的面平均壓力值的變化（轉(zhuǎn)速45deg/s）

由圖4至圖6可知，隨著閥門的關(guān)閉，閥門后的面平均壓力值也出現(xiàn)壓力值的急速變化，在短時(shí)間內(nèi)壓力值同樣呈正負(fù)浮動(dòng)，并且曲線呈周期性波動(dòng)。但是壓力值均為正值。個(gè)別時(shí)間壓力趨于0。說明此時(shí)流體容易汽化。

對比圖4至圖6，在閥門轉(zhuǎn)速較低的情況下，壓力波動(dòng)的頻率降低，并且出現(xiàn)壓力低值的情況也在減少。這說明閥門關(guān)閉轉(zhuǎn)速較低時(shí)，管內(nèi)流體出現(xiàn)汽化的可能性降低。而閥門關(guān)閉轉(zhuǎn)速較高時(shí)，管內(nèi)流體出現(xiàn)汽化的可能性增加。

如圖7所示。對于閥門關(guān)閉速度為180deg/s時(shí)，速度云圖也表明在閥門附近，流體運(yùn)動(dòng)軌跡有很明顯的小范圍來回振蕩撞擊現(xiàn)象，這就是由于流體速度的突然變化導(dǎo)致其壓力也突變從而發(fā)生水力振蕩沖擊的水錘效應(yīng)。

圖7 閥門關(guān)閉速度為180deg/s時(shí)的內(nèi)部流動(dòng)軌跡圖

4 結(jié)語

在長距離供熱管道輸送工程中，閥門的開啟和閉合會(huì)引起水錘沖擊等問題。本文以寧夏華電靈武公司向銀川市供熱熱網(wǎng)項(xiàng)目一期工程熱網(wǎng)為對象，研究不同閥門關(guān)閉速度對水錘效應(yīng)的影響分析。得到以下結(jié)論。（1）不同閥門關(guān)閉速度下，閥門前后的壓力變化均不相同。對于輸送干線閥門，無論閥門關(guān)閉時(shí)間多長，均會(huì)導(dǎo)致閥前超壓、閥后汽化。（2）適當(dāng)降低閥門開關(guān)速度，對水錘沖擊效應(yīng)有一定的減緩作用。因此在工程實(shí)際中，可考慮采用液控蝶閥等緩閉止回閥，通過對閥門閉合的速度減緩，從而達(dá)到水錘防護(hù)的目的。