024基于可靠性的环型热网模式的研究

1基于可靠性的环型热网模式的研究*哈尔滨工业大学王威☆，邹平华摘要：本文分析了具有分级结构的环型热网的优点。提出了构建高可靠性环型热网的要素。论述了热网分级设置的部署，输送备用的依据，各支干线规模的限定、限额供热指标及阀门的优化设置等问题。并用算例热网论证了高可靠性环型热网的模式。关键词：环型热网，可靠性，分级结构0问题的提出环型热网在运行可靠性高，水力稳定性好，水力工况灵活，调节调度方案多样，可减少事故影响范围和损失，能充分发挥各热源的经济效益等诸多方面具有枝状热网无可比拟的优越性。随着供热规模和范围的不断扩大，几年来我国环型热网的数量逐渐增多。目前国内一些环型热网是在规划和改扩建过程中逐步发展起来的，未进行充分的事故工况水力计算和可靠性分析，使得环网的优势未能充分发挥。本文结合某开发区热网的实际情况提出构建高可靠性热网的模式。该开发区热网位于黑龙江省某市区，室外采暖计算温度-26℃。总规划供热面积763万平方米。始建于1993年，从98年后发展速度加快，到2002年初供热面积已达390万平方米。由1#、2#热电厂作为主要供热热源；同时还配备有4台29MW热水锅炉的区域锅炉房作为调峰热源。规划时的理想状态是3个热源联网。高可靠性热网应从规划开始，在建设过程中贯彻始终。在新建热网时打好高可靠性的基础，在改扩建过程中发展壮大。该开发区热网发展过程基本符合在规划和建设阶段贯彻利用多热源环型热网优势的技术这一策略。分级结构是指将供热系统按照可靠性的高低分级设置。根据这一思想，热网应分为三级。热源为最高级，热网干线为次高级，支干线为低级，以获得最高可靠性下的最少投资。1热源热源是热网热量和动力的来源，应具有最高的可靠性。要充分考虑备用，最大可能地减少因热源发生故障而引起的大面积停止供热。对于大型集中供热环网，多热源联网运行是最佳的运行模式。联网运行时能发挥多热源环型热网的优势，正常工况下可以调剂各热源之间的供热量，充分发挥技术经济指标好的热源的潜力，水力工况和水力稳定性好；在事故工况下可缩小事故发生的影响范围，减小发生事故时的社会影响和经济损失。从提高可靠性原则出发，热源设置应充分考虑以下原则：1）有条件时尽量设置多热源。多热源供热能力的匹配要尽可能满足限额供热要求。初期可建造一个热源，以减少投资。逐步发展为多热源联网运行的模式。发生事故时。若未同热网关断的用户能得到限额供热，则不构成事故。限额供热系数是衡量这一状态的指标之一，被定义为系统发生事故时，最大供热负荷与设计热负荷之比。应满足在最严重事故工况下，用户室内温度不降低到最低水平（10~12℃），同时减少热网投资的供热要求。俄罗斯热网设计规范中规定对不通行地沟和直埋敷设方式时的限额供热系数k如表1所示[1]。表1俄罗斯热网设计规范中限额供热系数k管径(mm)采暖室外温度(℃)300400500600≥700-10--------0.52-20------0.50.6-30----0.50.60.7-40--0.50.60.70.8-500.50.60.70.80.9表中“--”表示不需要备用。表中的数值表达了限额供热系数与管径和采暖室外计算温度的关系。中国热力网设计规范中限额供热系数如表2所示[2]。表2中国热力网设计规范中限额供热系数k采暖室外温度(℃)-10-10~-20≤-20限额供热系数0.40.550.65中国规范中规定的限额供热系数未指明敷设方式及供热规模（用管径来表达）的影响，有关限额供热系数的研究正处于初始阶段，有待进一步深入。为了减少事故范围和事故损失，建议严寒地区，限额供热系数k在0.6以上时，采用三个热源，热源之间的负荷匹配应满足任意两两组合实现事故工况下限额供热的要求；限额供热系数k在0.5及以下的寒冷地区，建议热源数量不宜少于2个。2）单热源或热源供热能力相差悬殊多热源系统中的主热源，在热源内部设备的配置也应考虑可靠性要求和事故工况下的供热保证率。严寒地区的锅炉台数不少于三台，寒冷地区的锅炉台数不低于两台。当一台发生故障时，其他锅炉运行可以保证事故工况下的限额供热要求。3）对多热源的供热系统，有条件时尽量将各热源从热网的不同方向接入。分析开发区的供热系统，开发区热网所在地区的采暖室外计算温度-26℃，借鉴表1可取限额供热系数55%。其中1#热电厂负荷为230MW（828GJ/h），供热面积320万平方米；2#热电厂负荷为213.3MW（768GJ/h），供热面积，297万平方米；调峰锅炉房：104.4MW（376GJ/h），供热面积146万平方米。当调峰锅炉房发生事故时，1#热电厂和2#热电厂可负担总设计热负荷的81%；当1#热电厂发生事故时，调峰锅炉房和2#热电厂可承担总设计负荷的58%；当2#热电厂发生事故时，调峰锅炉房和1#热电厂可承担总设计负荷的61%。基本满足事故工况下限额供热的要求。符合上述高可靠性环型热网的有关热源部署的设计策略。在多热源系统中，各热源承担的热负荷如满足事故工况下限额供热要求，不仅可抵御热源事故造成的严重后果，还可减少热源通向热网的输送干线事故所造成的重大损失。事故工况下的限额供热应由热源的设备配置和热网的布局共同来实现。2管网热网发生事故是不可避免的随机事件。在规划、设计和改扩建阶段重视可靠性建设，可使事故的影响范围降到最低。就可靠性而言，相对支线热网干线为高级，支线为低级。对于大型热网系统，管径大，主干线长，热网故障流参数高，发生事故的概率高。如不采取措施发生故障影响范围也大、损失严重。因此对可靠性要求高的干线给予更多重视，应考虑备用。备用分为结构备用和输送能力备用[3]。2.1采用有备用性能的干线由于不可能修建绝对可靠的热网，因此在大型系统中设计有结构备用和输送备用能力的干线是创建可靠热网的重要手段，使系统具备在事故工况下能够实现限额供热的条件。借助于备用可以减少事故状态次数、事故影响范围和事故损失。环状管网、设置连通管的枝状管网和三管制是有结构备用的管网。(1)环状管网大型热网干线设计成环状是系统结构备用的最常见和最有效的措施之一。当环网上某一部件发生故3障时，只要关闭该部件邻近管段上的阀门，管网其它部分可实现反向供热，大大减少了供热事故状态次数和影响范围。规划环形供热管网时，环数不宜过多，有利于降低投资。环形干线应尽量通过负荷集中区，有利于减小支线长度和管径。设计时应兼顾远期规划、分步实施，待发展到一定规模后再连接成环，此举有利于减少初期投资负担过大，而远期管网可靠性能良好。(2)事故工况连通管对于大中型枝状管网可设置事故连通管，实现事故工况下的反向供热，减少事故时被切断的用户数。如图1所示。可采用双管制连通管或单管制连通管将干线构成环形。正常工况下，连通管两端的阀门关闭，管网按枝状运行；事故工况下打开连通管两端的阀门，构成环型管网。（3）三管制的备用结构热电厂经常位于远离热网的地区，该输送干线不仅较长，而且多为枝状干线。一旦发生事故影响严重。因此单热源的热网或是供热能力相差悬殊的主热源出口处的管道的备用能力应作为重大问题来研究，避免因此处的故障导致全线停热事故的发生。建议可在此管段设置三管制结构来提高管网的可靠性。开发区热网规划为由南环、北环两环构成的热网。在发展过程中，随热负荷分布的变化，建成了西北环和西南环。环形干线穿过负荷密集区，比摩阻小。同时，三个热源分别从三个点连接到环形干线上，安全可靠性高。为保证供热质量、抵御事故奠定了基础，为今后系统的扩建和管网的发展提供了较大的空间。热网虽然有结构备用，但在事故工况下因部分用户停止供热，未停止供热的热用户转入限额供热状态使得供热路径变化，流量重新分配，因此在设计时应验算在最严重的事故状态下，热网管径的输送备用能力。发生在采暖期室外设计温度、最大管径处的管道损坏事故为最严重事故。因最大管径的管道损坏，其排除事故的时间最长，影响范围大、所造成的损失也最严重。此外还要增加控制设施，以保证事故工况下重要用户按需供热和大多数用户按限额均匀供热的要求，并发挥具有结构备用和输送能力备用热网的效力。要扩大不满足输送能力备用管段的管径，在结构备用基础上实现事故工况下的限额供热要求。对开发区管网验算了7种最严重事故时的水力工况。这些事故均假设发生在整个管网的最大管径上或代表了最大范围的停热事故的故障状态。经验算，在上述故障状态下，热源和热网基本上能满足限额供热55%以上的要求。值得注意的是，在考虑热源和热网满足限额供热要求的同时，热源内循环泵的流量和扬程也要具备实现上述要求的能力。2．2限制支干线和支线的规模对于分配管网和热用户支管，可不考虑备用，以利于减少因提高可靠性增加的投资。如无备用措施，发生事故时就要关闭分支管与环型干线相连处的关断阀停止供热。停止供热的时间为发现事故具体地点、放水、修理和充水时间之和。为此要限制枝状管网的规模，即限制其最大管径和支线的最大长度。保证支线任何部件发生故障时，能在允许停止供热时间内修复。否则枝状管网也要考虑备a）(b)图1枝状热网设连通管图(a)双管制连通管；图(b)单管制连通管1—热源2—供水管3—回水管4—关断阀5—连通管12345428F14F22F13图2热网节点28详图4用。同时不要将小负荷支线或用户直接连接到大干线上。在设计和改扩建时宜合并小型枝状管线，减少控制设施的费用[4]。3管件的优化设置3.1关断阀关断阀的作用是减少事故发生时的泄水量和事故影响范围。关断阀应设置在热源出口处、支线与干线相连处、热源与环型干线连接处的管段上以及环与环相交处。各管段上阀门的设置应以事故工况下影响供热范围最小为原则。图2为开发区热网节点28处详图。该节点是2#热源与环型干线相连点，F22为热源与环型干线连接管上的关断阀。若此管段或2#热源发生故障，关闭阀门F22，则其他热源可通过F14（反向）向F13后的用户连续供热。若没有F22，在上述情况下，F13和F14要关闭，将增大事故的影响范围，缩小了供热能力。因此，环型干线上关断阀的数量要适当增加，优化设置。根据上述理论，建议开发区热网应增设的阀门如图3所示。图3.开发区热网平面图3.2分段阀在负荷集中的管段设置分段阀可重新划分可靠性计算当量区，有效提高热网的可靠性；同时，分段阀的设置可缩短事故检修时的放水、充水时间（据统计，放水和充水时间约占故障总修理时间的22%左右），进而通过适当降低热网限额供热系数和适当增大从环网接出的无备用支线的最大管径来提高热网的经济性[5]。但分段阀的设置会增加热网的故障流参数而降低个别用户的可靠性指标。因此，分段阀在热网所起的作用是极其重要的。由于其具有可选择性，因此在设计热网时应重点考虑。热网可靠性计算公式[4]：0(1)()1jtjjsysjQeRtQ（1）5式中jQ——故障时被切断的实际功率，MW；j——系统各元件的故障流参数和；1jte——按泊松定律计算t时间内的故障概率和；0Q——热网额定供热量，MW。由公式（1）可知，故障时被切断的实际功率与管网可靠性的高低密切相关。而负荷集中的管段表现为故障时被切断的功率和大，而对可靠性指标的贡献大。为表述这一思想，在计算枝状热网的可靠性时，引入管段权重ijk的概念来确定影响可靠性指标的主要因素。ijijijkQl（2）其中ijQ——管段ij的负荷，MW；ijl——管段ij的长度，m。通过根据公式（2）比较每个节点处分支管的权重值大小可以依次确定非备用枝状热网的主干线的走向。值大的为主干线管段。主干线所形成的可靠性计算当量区对热网总的可靠性指标贡献最大。在主干线上合理设置分段阀能有效提高可靠性。主干线的合理分区实际上是重新划分可靠性计算的当量区，有效降低同热网切断的功率之和。因此，分段阀的设置应满足合理分配可靠性计算当量区的大小。分段阀的数量应同时考虑将较长的管线分割，减少事故充水、放水时间。并在两分段阀之间的管段低处设防水阀，高出设放气阀，同时根据管径、坡度合理计算放水阀和放气阀的管径，以保证分段阀作用的充分发挥。俄罗斯热力网设计规范中关于分段阀设置间距与管径有关，规