034 三管制熱網(wǎng)的輸送備用研究

1、三管制熱網(wǎng)的輸送備用研究哈爾濱工業(yè)大學(xué) 王威 鄒平華 摘 要：三管制熱網(wǎng)是枝狀管網(wǎng)具有輸送備用的一種形式。采用三管制的熱網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)利用供、回水管的功能改變實(shí)現(xiàn)輸送備用。本文給出了兩種三管制熱網(wǎng)備用結(jié)構(gòu)形式的輸送備用計(jì)算方法，用于確定在滿足限額供熱工況下的可靠性指標(biāo)前提下的熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：三管制熱網(wǎng)，備用，可靠性，限額流量系數(shù)1 問(wèn)題的提出一般熱網(wǎng)是由一根供水管和一根回水管構(gòu)成的雙管制系統(tǒng)。該管網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，全部或大面積用戶失去供熱，可靠性低。三管制熱網(wǎng)是指干線為“一供兩回”或“兩供一回”的熱網(wǎng)形式。三管制熱網(wǎng)是提高枝狀管網(wǎng)可靠性最有效的手段。其原理是基于兩個(gè)故障同時(shí)發(fā)生的概率是小概率

2、事件。因此，在事故工況下，可關(guān)斷一根事故干管，由另兩根干管完成熱媒輸送。三根干線的供水或回水功能由閥門切換，以此實(shí)現(xiàn)備用。三管制熱網(wǎng)在故障期間，由原來(lái)的3根干管“一供兩回”或“兩供一回”運(yùn)行變成2根干管“一供一回”運(yùn)行，熱媒流通截面積變小，管網(wǎng)的流動(dòng)阻力發(fā)生變化，管網(wǎng)循環(huán)流量減少，轉(zhuǎn)入限額供熱狀態(tài)，可防止全部用戶被停止供熱的事故發(fā)生。三管制管網(wǎng)中供、回水管的管徑取值決定了限額流量系數(shù)的大小，也就確定了表征熱網(wǎng)可靠性指標(biāo)的限額供熱能力的大小。限額流量系數(shù)的定義式為： (1)式中限額供熱工況下的熱網(wǎng)流量，m3/h； 設(shè)計(jì)工況下的熱網(wǎng)流量，m3/h。以“兩供一回”三管制熱網(wǎng)為例。用表示供回水干線總的

3、比壓降。由于三管制熱網(wǎng)的供、回水管管線長(zhǎng)度相同，可得 (2)式中管網(wǎng)的設(shè)計(jì)總比壓降，Pa/m；供水管的設(shè)計(jì)比壓降，Pa/m； 回水管的設(shè)計(jì)比壓降，Pa/m。三管制熱網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式，即兩根供水干管和一根回水干管（兩根回水干管和一根供水干管）的管徑?jīng)Q定了回水管比壓降（供水管比壓降）占供、回水管總比壓降的份額。設(shè)回水干管比壓降與干線總比壓降的比值為，則有 (3) (4)由式（3）、（4）可知，是表征管網(wǎng)管徑比例的物理量【1】，同時(shí)也決定了管網(wǎng)所具備的輸送備用能力。本文重點(diǎn)分析與限額流量系數(shù)間的關(guān)系，為三管制熱網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。2 三管制熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式三管制熱網(wǎng)根據(jù)管線功能改變程度可分為管線功能整

4、體改變的三管制熱網(wǎng)和管線功能局部改變的三管制熱網(wǎng)兩種型式，分別見(jiàn)圖1和圖2。圖1表示了兩供一回的管線整體切換的三管制熱網(wǎng)的示意圖。其中管線I、II為供水干管，管線III為回水干管。正常工況下，閥門4、7、關(guān)閉，網(wǎng)路為兩供一回制系統(tǒng)。當(dāng)回水干線III上A點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，關(guān)閉回水干線閥門3、供水干線閥門2、用戶支線閥門8、以及6、，打開(kāi)閥門4、7、，原來(lái)的供水干線II變成回水干管，管線I仍作為供水干管，系統(tǒng)變?yōu)橐还┮换刂啤?圖1 三管制兩供一回系統(tǒng)示意圖當(dāng)故障管段發(fā)生在供水干線I（II）上時(shí)，只需關(guān)閉干線閥門1（2）和用戶支線閥門5、（6、），保留一根供水干管。任一供水干線故障，閥門4、7、始終處于

5、關(guān)閉狀態(tài)。對(duì)于設(shè)置兩根回水干管和一根供水干管的情況與此類似。圖2 管線局部切換三管制算例管網(wǎng)平面示意圖圖2給出了管線功能局部改變的三管制熱網(wǎng)示意圖，可實(shí)現(xiàn)只將分段閥間的故障管段剝離，依靠與故障點(diǎn)相關(guān)的供、回水管段的功能改變來(lái)完成管網(wǎng)的輸送備用1。在正常工況下，圖2中的閥門3、3V以及、7V-1處于關(guān)閉狀態(tài)，供熱由供水管I 、II和回水管III完成。當(dāng)故障點(diǎn)位于閥門和間的管段時(shí)，關(guān)閉閥門、，管網(wǎng)的供水從O點(diǎn)沿管線I、II供至熱用戶1，然后經(jīng)閉合管IV流入管線II，經(jīng)閥門和閉合管V供給熱用戶2，而用戶35的供水仍由管線I、II來(lái)完成輸送。回水仍由管線III輸送。當(dāng)故障點(diǎn)位于和間的管段時(shí)，關(guān)閉閥門、

6、和閥門、以及閥門、，管線II中的供水流經(jīng)閥門后經(jīng)閉合管IV進(jìn)入管線I，與管線I中管段1-的供水匯合供給熱用戶2，后經(jīng)閉合管V分流到供水管II中，與供水管I共同完成熱用戶35的供熱；熱用戶2以及熱用戶35的回水經(jīng)閥門流入管線II，經(jīng)閥門與熱用戶1的回水匯合流入管線III后回到熱源。上述兩種不同的管網(wǎng)形式其差異在于限額供熱工況下管道的壓降不同。圖2所示管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由于是故障管段的局部切換，使得在故障工況下管網(wǎng)總的壓降的增加值比圖1所示的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)要低。3 管線功能整體改變的三管制熱網(wǎng)的限額流量系數(shù)以圖1所示的熱網(wǎng)為例，當(dāng)回水干線III發(fā)生故障時(shí)，一根供水干管頂替回水干管，實(shí)現(xiàn)備用。假設(shè)故障前后管網(wǎng)的總

7、比壓降不變，并且已知故障后的供、回水干管的比壓降相同。當(dāng)所有熱用戶（熱力站）的流量可控時(shí)，可得 (5)式中故障工況管網(wǎng)的總比壓降，Pa/m；故障工況供水管的比壓降，Pa/m； (6)對(duì)式（1）、（5）、（6）聯(lián)立求得回水管發(fā)生故障時(shí)的限額流量系數(shù) (7)式（7）是不考慮故障工況下循環(huán)水泵備用時(shí)，即故障前后干線的總比壓降不變，回水管發(fā)生故障時(shí)，管線功能整體改變的三管制熱網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)的最大限額流量系數(shù)。當(dāng)供水干管發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)回水干管的比壓降 (8)系統(tǒng)供水干管的比壓降 (9)而，得 (10)整理得當(dāng)其中一根供水干管發(fā)生故障時(shí)，三管制熱網(wǎng)的限額流量系數(shù)為 (11)圖3給出了供水干管故障或回水干管故障

8、時(shí)的限額流量系數(shù)、與（回水干管比壓降與干管總比壓降的比值）間的關(guān)系。圖3 三管制系統(tǒng)限額流量系數(shù)與的關(guān)系若當(dāng)故障前后供、回水管總比壓降發(fā)生變化時(shí)，式（7）、（11）變成 (12) (13)由上述分析可知，兩供一回式系統(tǒng)中的回水干管或一供兩回式系統(tǒng)中的供水干管發(fā)生故障時(shí)是管網(wǎng)最不利的工況。在“兩供一回”的系統(tǒng)形式中，若滿足熱網(wǎng)可靠性要求的限額流量系數(shù)高于根據(jù)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)由式（11）計(jì)算出的結(jié)果，則熱源的循環(huán)水泵揚(yáng)程要有故障儲(chǔ)備，備用系數(shù)的大小可由式（12）計(jì)算得到，同時(shí)還要考慮熱用戶的資用壓頭與循環(huán)流量的平方成正比，在限額流量下熱用戶的資用壓頭比正常工況下的要小這一有利因素。4 管線局部切換的三管制

9、熱網(wǎng)的限額流量系數(shù)在圖2所示的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，干線上共連接個(gè)支線，干線總長(zhǎng)，第i個(gè)熱用戶與第i-1個(gè)熱用戶間管段長(zhǎng)度為，則干線上供水管、回水管某一管段的阻力損失為：， (14)式中第i段回水干管的阻力損失，Pa；第i段供水干管的壓降，Pa；故障管段長(zhǎng)度。 對(duì)于兩供一回式系統(tǒng)，當(dāng)回水干管某一管段關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)流向發(fā)生變化，此時(shí)備用管段（供水管）的流量為其它管段的2倍，則該管段的阻力損失為 (15)式中故障后第i段回水管的壓降，Pa；故障后第i段供水管的壓降，Pa。若熱網(wǎng)總的比壓降在故障前后不變，即。而故障前后的管網(wǎng)流量分別為、，則故障時(shí)回水干管的阻力損失為： (16)供水干管的阻力損失為： (17)由

10、及限額流量系數(shù)的定義式（1），并合并式（16）、（17）得 (18)同理分析，當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生在回水干線的管段上時(shí)，限額流量系數(shù) (19)當(dāng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性確定時(shí)，由式（18）、（19）可以計(jì)算出不同用戶數(shù)時(shí)限額流量系數(shù)的取值范圍。當(dāng)限額供熱工況的管網(wǎng)總的阻力損失與正常供熱工況不一致時(shí)，則式（18）、（19）變?yōu)?(20) (21)對(duì)于管線局部切換的三管制系統(tǒng)，最不利的故障工況是故障點(diǎn)位于單獨(dú)承擔(dān)熱媒輸送任務(wù)的管線上最長(zhǎng)的管段。通過(guò)以上分析得知，在相同的管網(wǎng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)形式下，管線局部切換的三管制系統(tǒng)所具備的輸送備用能力要高于管線整體切換的三管制系統(tǒng)，但前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管件多，需要準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)的位置，并且在每個(gè)用戶的入口裝置操作完成分段切換，操作較繁瑣。此兩種方案均有各自適用的場(chǎng)所。在熱網(wǎng)運(yùn)行中，因供水管線介質(zhì)溫度高、管道腐蝕程度比回水管嚴(yán)重，使得供水管比回水管的故障率高，因此采用兩供一回的三管制系統(tǒng)型式要比一供兩回的系統(tǒng)型式更具有優(yōu)勢(shì)。5 結(jié)論本文分析了兩種不同形式的三管制熱網(wǎng)限額流量系數(shù)與回水管比壓降占管網(wǎng)總比壓降的份額間的關(guān)系及其各自的優(yōu)勢(shì)；給出了在限額