热电厂供热首站设计安全问题探讨

袁雄俊，刘利

（华北电力设计院工程有限公司，北京市，100120）

0 引言

近年来，在三北（西北、华北和东北）地区已建和新建了较多热电联产的供热机组，城市集中供热方式正逐渐取代家户式的分散取暖炉方式。供热系统的安全性不仅是经济问题，更是关系国计民生的大问题。而要保证整个供热系统的安全稳定，首先应保证热电厂供热首站设计合理、安全可靠。本文结合热电厂供热首站设计工作的实践，就热电厂供热首站设计安全的5个问题进行探讨。

1 自动清污器设置

在热网启动初期，热网内的杂物很多，尤其像砖头、碎石和焊渣等坚硬杂物进入热网循环水管道，可能造成热网循环泵叶轮断裂或者首站的换热器换热管破坏等严重后果。为了避免发生上述严重事故，应在热网首站回水管道上设置2级自动清污器，具体设计如下：在回水母管的适当位置先设置过滤精度相对低的1级临时自动清污器，用以在热网运行初期先行清除热网管道中的像砖头、碎石等大而坚硬的杂物，待系统运行一段时间管网中大而坚硬的杂物基本被清除后，拆除该临时清污器或者去掉临时清污器滤芯直接过流；第2级滤网为设置在热网循环水泵入口管上的过滤精度较高的自动滤网，用于去除其他细小杂物，该滤网为永久滤网。

与单级自动清污器设计相比，2级自动清污器有如下优点：

（1）由于自动清污器为临时的，可以不为该自动清污器设置旁路，这样就节省了3个大口径的电动关断阀。

（2）1级临时自动清污器只要求清除热网管道中的像砖头、碎石等大而坚硬的杂物，过滤精度比单级自动清污器低，因而成本也更低；再有，热网系统运行更方便，更可靠。当某台泵前的滤网故障时，只要启用备用泵，就可以停泵检修此滤网，这样对热网系统的运行不产生影响。而单级自动清污器若故障，就必须走旁路，这样就可能对热网首站的安全性及经济性造成影响。

在1级临时自动清污器选型及布置时，笔者认为以下几点需要注意：

（1）应选择可连续排污的自动清污器，且以旋流式清污器为好[1]。

（2）自动清污器的设计参数建议取用热网循环水的供水设计参数。

（3）由于该自动清污器要除去像砖头、碎石这样大且坚硬的杂物，要求所配滤网及其他过水断面部件要有高的强度及耐磨性。

2 热网补水

2.1 热网正常补水量问题

根据CJJ 34—2002《城市热力网设计规范》的第7.5.3条中规定[2]：闭式热力网补水装置的流量不应小于供热系统循环流量的2%；事故补水量不应小于供热系统循环流量的4%。即要求热网正常补水量最小应为2%系统循环流量。假定热网系统循环流量为1万t/h，则要求正常补水量至少达到200 t/h。对一级闭式热网系统来说这个比例过高，随着我国整体工业技术水平的提高，其热水损失已能达到很小，这一点在DL/T 5068—2005《火力发电厂化学设计技术规程》表7.1.3（发电厂各项正常水汽损失）也得到体现[3]。该表对闭式热水网损失要求按热水网水量的0.5%～1%或根据资料来设计。为此建议对一级闭式热网系统，热电厂供热首站的正常补水量按1%系统循环流量设计。

2.2 事故补水水质问题

应对热网事故补水水质给予足够重视，尤其是其中的Cl-含量。根据CJJ 34—2002《城市热力网设计规范》的第7.5.3条中规定：事故补水时，软化除氧水量不足，可以补充工业水；而第4.3.5条又规定当供热系统有不锈钢设备时，应考虑Cl-腐蚀问题，供热介质中Cl-含量不宜高于0.002 5%，或者不锈钢设备采取防腐措施。而在热网首站实际设计当中，往往采用生水作为事故补水，生水大都有可能是中水，Cl-含量都在0.02%以上。如果这样的水直接补入热网系统，则会给整个热网系统造成二次损害。为了解决这一矛盾，采取下列措施是必要的：首先，先行落实生水的水质，并尽早告之外网设计单位，以便外网系统尽早采取相应的防范措施；其次，在首站设计中，在造价允许的范围内尽量采用耐高Cl-的设备及材料，或者在相应设备内加装内衬方式防止Cl-腐蚀。

3 回水管道设计压力及设计流速选取

3.1 回水管道设计压力选取

根据CJJ 34—2002《城市热力网设计规范》第9.0.2中规定“热网供、回水管道的设计均取循环水泵最高处出口压力加上循环水泵与管道最低点地形高差产生的静水压力”。即该规定要求热网首站的供回水管道的设计压力是相同的，且都取循环水泵出口的供水管道的设计压力。这样设计是安全、可靠的，因为当某种原因突然致使热网供水管道将外网热用户“旁路”或者当泵因突然失电或其他原因造成严重水锤事故发生时，都会使热网首站回水管道压力陡增，大大超过外网提供的正常回水压力。为此，在进行回水管道上的各阀门、流量测量装置、滤网等设备及管道设计选型时，也应按供水管道的设计压力来设计选取。

3.2 回水管道的流速选取

根据CJJ 34—2002《城市热力网设计规范》第9.0.2中规定“热力网应按允许压力降确定管径，但供热介质流速不应大于3.5 m/s”。而根据DL/T 5054—1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》第3.1.2中推荐的流速如下[4]：离心泵出口管道是2～3 m/s；离心泵入口管道是0.5～1.5 m/s。笔者认为对于热网首站的回水管道其设计流速可按供水管道的流速选取，可取2.5 m/s。这主要是基于以下2点考虑：首先，要求离心泵入口降低流速主要是为了防止汽蚀，而对于热网循环泵，由于在回水管道上设有定压补水系统，保证了在回水温度下回水管道上任一点都不会发生汽化，因而无需通过降低流速来防止汽蚀。其次，可以降低热网站的初投资。如果按离心泵入口管道推荐的流速来设计，则回水管道规格比供水管道会大几档，以热网循环水量1万t/h为例，当回水管道取流速为1.5 m/s时，回水管道的规格应为DN1600，而流速取2.5 m/s，回水管道的规格应为DN1200，可以节省大约40%的钢材用量。

在实际热网站设计中，其容量一般是考虑了规划热负荷的，即在热网投运后的较长时间内，热网循环水量都达不到设计流量，因而实际回水管道的流速小于2.5 m/s。

4 防水锤措施

在供热系统中，水锤现象是客观存在的，为了保证系统的安全，必须采取积极的预防措施，尽量减小水锤现象的发生及由此产生的危害[5-6]。

热网循环泵正常工作时供水均匀，在水泵和管路系统中流速和压力是稳定的。按操作规程在停泵前缓慢关闭泵出口阀门，泵和管路系统中流速和压力变化也是很小的，因而泵在运转过程中和正常停泵时是不会引起水锤现象发生。而当泵因突然失电或其他原因，造成出口阀门开阀停泵，在水泵及管路中水流速度在短时间内急剧变化引起一系列压力交替急剧升降的水力冲击，这种现象就称为水锤（也称停泵水锤）。这种冲击性压力突然升高是很大的，最高可达到正常压力的2倍，对管路和设备有很大的危害性。

采用下述设计可防止水锤现象的发生或者可尽可能降低水锤带来的危害。

（1）设置带止回阀的泄压旁通管。

在循环水泵的回水母管和供水母管之间设置带止回阀的泄压旁通管。在循环水泵正常运行时，由于水泵出水侧水压高于吸水侧的水压，止回阀呈关闭状态。在突然停泵的瞬间，泵出水侧压力急剧降低，而吸水侧压力则大幅度增高，在此压差作用下，循环水泵吸水侧管路中的水即推开止回阀至泵出水侧的管网系统，从而降低了吸水侧管网中压力增高的幅度，减少和防止了水锤的危害。泄压旁通管上的止回阀应选用阻力较小、开启灵活的产品。泄压旁通管的管径越大，对减小水锤越有力，可以根据规定的压力界限确定经济的管径，一般管径可选比进口管小1号。

（2）设置缓闭式止回阀。

在泵出口设置防水锤的缓闭式止回阀，而不采用普通的止回阀，理由如下：普通的止回阀有诸如事故停泵时阀门迅速关闭，造成阀后的空穴，空穴在正负水锤波的作用下，反复产生和自灭，造成阀门的空蚀破坏，使其寿命缩短；当阀瓣动作不灵活时，关闭缓慢，水倒流，冲击叶轮产生飞逸反转而破坏泵设备；以及正常运行时，阀瓣飘在水中，不停地摆动和振动，因而流阻大、摩擦大、耗能高、寿命短等。而防水锤止回阀除克服了普通止回阀的上述缺点，还具有如下特点：启泵后阀门能及时迅速打开；正常运行时，要求阀瓣有尽可能大的开启角，并能稳定在全开位置；停泵时阀门有优化的关闭特性，在突然停泵时即能阻止水倒流，保护水泵不致发生飞逸反转，达到保护水泵的目的，又能使其在关闭的最后阶段实现缓闭，减少突然关闭造成管路中的水锤，达到保护管路的目的。

（3）设置重锤式安全阀。

在水泵进口管上安装重锤式安全阀，防止回水压力由于停泵急剧升高对循环泵带来危害。

5 采暖抽汽管道上安全阀的设置

5.1 安全阀的作用

目前，很多供热机组的采暖抽汽管道上都装设了汽机厂提供的安全阀，该安全阀的主要作用是为了防止中压缸超压，保护汽机。设置此安全阀的原因是基于可能出现这样的极端事故工况：即采暖抽汽管道上的快关阀由于某种原因突然关闭，同时中压缸到低压缸之间联通管上的调节阀也由于某种原因无法调节，此时中压缸排汽无法及时排出，压力会很快升高，引起中压缸超压。故设此安全阀及时将采暖抽汽排到室外，从而达到保护汽机的目的。

5.2 安全阀起作用的2个前提

要实现这一功能得有2个前提：其一是需要设置100%容量的安全阀，其二是确保安全阀此时能正常工作。

（1）对于第1个前提，现场设计时往往无法实现，因为100%容量安全阀排汽管道很大，即使是按2× 50%容量设计的安全阀，其排汽管道也到达2× DN1000左右（以330 MW机组，额定抽汽550 t/h为例）。该管道受主厂房空间的限制，无法布置开。正基于此，汽机厂往往提供2×15%～2×25%容量的安全阀，然而此时的安全阀已经起不到其最初保护中压缸不超压的作用。以330 MW采暖机组为例，额定采暖抽汽量是550 t/h，此时通过联通管去低压缸的蒸汽流量大约是110 t/h，如果按50%容量安全阀设置考虑，则通过安全阀可排出的蒸汽量是275 t/h，剩下275 t/h需要通过联通管上的调节阀进入低压缸。此时由于调节阀故障，调阀开度不变，此时阀前的流量将是原来的3.5倍。而阀前后的压差与其通过流量的平方成正比，故此时阀前后的压差将达原来的12倍，而阀后压力基本不变，则阀前压力将增加很大，也要造成中压缸超压。

（2）对于第2个前提，由于出现这种极端事故工况的可能性很小，电厂运行人员也反映该安全阀基本没用过。对这样长时间不用而得不到维护重视的阀门，很难确保在发生极端事故工况时能发挥正常功能。即使100%容量安全阀起作用，也要求机组尽快停机，因为任何一个电厂都不会允许将550 t/h的蒸汽这样白白浪费掉。

5.3 替代的保护方案

正是基于上述2个前提都难以保证，笔者认为不宜设安全阀，可采用替代的保护方案解决极端事故工况，即由汽机厂通过设置中压缸超压冗余保护措施来实现。

具体做法是：增加中压缸压力测点，并同时增加压力信号传输通道，确保只要出现中压缸压力超限就立即停机保护。笔者认为此种替代保护方案不仅可行，而且比设计安全阀更经济、更可靠。

6 结论

为了保证热电厂供热首站设计安全、可靠，下列设计是值得借鉴的。

（1）在热电厂供热首站的回水管道上设置2级自动清污器：第1级为回水总管上设置过滤精度较低的临时自动清污器，用以先行清除热网管道中的像砖头、碎石等大而坚硬的杂物；第2级为循环水泵入口各支管上设置过滤精度较高的自动滤网，用于去除其他影响设备安全及热网首站换热效果的细小杂物。

（2）对1级闭式热网系统，热网正常补水量可按热网系统循环流量的1%设计，并对热网事故补水水质，尤其是其中的Cl-含量给予足够重视。

（3）热网首站回水管道的设计压力及设计流速按热网首站供水管道的设计参数来选取。

（4）在热网循环水泵的回水母管和供水母管之间设置1个带止回阀的泄压旁通管，在热网循环水泵出口设置防水锤的缓闭式止回阀，在热网循环水泵进口管上安装重锤式安全阀等设计手段来防止水锤现象的发生。

（5）不采用在采暖抽汽管道上设安全阀的传统设计方案，而是与汽机厂配合，采用更经济、更可靠的替代保护方案。

[1]杨旭中，郭晓克，康慧.热电联产规划设计手册[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2]CJJ 34—2002城市热力网设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]DL/T 5068—2005火力发电厂化学设计技术规程[S].北京：中国电力出版社，2006.

[4]DL 5000—2000火力发电厂设计技术规程[S].北京：中国电力出版社，2000.

[5]郭立君.泵与风机[M].北京：中国电力出版社，1995.

[6]石兆玉.供热系统运行与调节[M].北京：清华大学出版社，1994.

[7]高守华.热网首站水击危害与安全稳定运行[J].中国设备工程，2006（6）：10-11.

[8]张素伟.热水锅炉及热网补水除氧研究[J].山西建筑，2003（5）：140-141.

[9]张健.热网补水量确定及节水措施的探讨[J].山西建筑，2005（3）：118-119.

[10]刘晓玲.热网失水分析根本减少补水量的有效途径[J].区域供热，2003（4）：20-22.