034 三管制热网的输送备用研究

1、三管制热网的输送备用研究哈尔滨工业大学 王威 邹平华 摘 要：三管制热网是枝状管网具有输送备用的一种形式。采用三管制的热网发生故障时利用供、回水管的功能改变实现输送备用。本文给出了两种三管制热网备用结构形式的输送备用计算方法，用于确定在满足限额供热工况下的可靠性指标前提下的热网结构的设计。关键词：三管制热网，备用，可靠性，限额流量系数1 问题的提出一般热网是由一根供水管和一根回水管构成的双管制系统。该管网发生故障时，全部或大面积用户失去供热，可靠性低。三管制热网是指干线为“一供两回”或“两供一回”的热网形式。三管制热网是提高枝状管网可靠性最有效的手段。其原理是基于两个故障同时发生的概率是小概率

2、事件。因此，在事故工况下，可关断一根事故干管，由另两根干管完成热媒输送。三根干线的供水或回水功能由阀门切换，以此实现备用。三管制热网在故障期间，由原来的3根干管“一供两回”或“两供一回”运行变成2根干管“一供一回”运行，热媒流通截面积变小，管网的流动阻力发生变化，管网循环流量减少，转入限额供热状态，可防止全部用户被停止供热的事故发生。三管制管网中供、回水管的管径取值决定了限额流量系数的大小，也就确定了表征热网可靠性指标的限额供热能力的大小。限额流量系数的定义式为： (1)式中限额供热工况下的热网流量，m3/h； 设计工况下的热网流量，m3/h。以“两供一回”三管制热网为例。用表示供回水干线总的

3、比压降。由于三管制热网的供、回水管管线长度相同，可得 (2)式中管网的设计总比压降，Pa/m；供水管的设计比压降，Pa/m； 回水管的设计比压降，Pa/m。三管制热网的结构形式，即两根供水干管和一根回水干管（两根回水干管和一根供水干管）的管径决定了回水管比压降（供水管比压降）占供、回水管总比压降的份额。设回水干管比压降与干线总比压降的比值为，则有 (3) (4)由式（3）、（4）可知，是表征管网管径比例的物理量【1】，同时也决定了管网所具备的输送备用能力。本文重点分析与限额流量系数间的关系，为三管制热网的优化设计提供理论依据。2 三管制热网结构形式三管制热网根据管线功能改变程度可分为管线功能整

4、体改变的三管制热网和管线功能局部改变的三管制热网两种型式，分别见图1和图2。图1表示了两供一回的管线整体切换的三管制热网的示意图。其中管线I、II为供水干管，管线III为回水干管。正常工况下，阀门4、7、关闭，网路为两供一回制系统。当回水干线III上A点发生故障时，关闭回水干线阀门3、供水干线阀门2、用户支线阀门8、以及6、，打开阀门4、7、，原来的供水干线II变成回水干管，管线I仍作为供水干管，系统变为一供一回制。 图1 三管制两供一回系统示意图当故障管段发生在供水干线I（II）上时，只需关闭干线阀门1（2）和用户支线阀门5、（6、），保留一根供水干管。任一供水干线故障，阀门4、7、始终处于

5、关闭状态。对于设置两根回水干管和一根供水干管的情况与此类似。图2 管线局部切换三管制算例管网平面示意图图2给出了管线功能局部改变的三管制热网示意图，可实现只将分段阀间的故障管段剥离，依靠与故障点相关的供、回水管段的功能改变来完成管网的输送备用1。在正常工况下，图2中的阀门3、3V以及、7V-1处于关闭状态，供热由供水管I 、II和回水管III完成。当故障点位于阀门和间的管段时，关闭阀门、，管网的供水从O点沿管线I、II供至热用户1，然后经闭合管IV流入管线II，经阀门和闭合管V供给热用户2，而用户35的供水仍由管线I、II来完成输送。回水仍由管线III输送。当故障点位于和间的管段时，关闭阀门、

6、和阀门、以及阀门、，管线II中的供水流经阀门后经闭合管IV进入管线I，与管线I中管段1-的供水汇合供给热用户2，后经闭合管V分流到供水管II中，与供水管I共同完成热用户35的供热；热用户2以及热用户35的回水经阀门流入管线II，经阀门与热用户1的回水汇合流入管线III后回到热源。上述两种不同的管网形式其差异在于限额供热工况下管道的压降不同。图2所示管网结构，由于是故障管段的局部切换，使得在故障工况下管网总的压降的增加值比图1所示的管网结构要低。3 管线功能整体改变的三管制热网的限额流量系数以图1所示的热网为例，当回水干线III发生故障时，一根供水干管顶替回水干管，实现备用。假设故障前后管网的总

7、比压降不变，并且已知故障后的供、回水干管的比压降相同。当所有热用户（热力站）的流量可控时，可得 (5)式中故障工况管网的总比压降，Pa/m；故障工况供水管的比压降，Pa/m； (6)对式（1）、（5）、（6）联立求得回水管发生故障时的限额流量系数 (7)式（7）是不考虑故障工况下循环水泵备用时，即故障前后干线的总比压降不变，回水管发生故障时，管线功能整体改变的三管制热网可实现的最大限额流量系数。当供水干管发生故障时，系统回水干管的比压降 (8)系统供水干管的比压降 (9)而，得 (10)整理得当其中一根供水干管发生故障时，三管制热网的限额流量系数为 (11)图3给出了供水干管故障或回水干管故障

8、时的限额流量系数、与（回水干管比压降与干管总比压降的比值）间的关系。图3 三管制系统限额流量系数与的关系若当故障前后供、回水管总比压降发生变化时，式（7）、（11）变成 (12) (13)由上述分析可知，两供一回式系统中的回水干管或一供两回式系统中的供水干管发生故障时是管网最不利的工况。在“两供一回”的系统形式中，若满足热网可靠性要求的限额流量系数高于根据管网结构由式（11）计算出的结果，则热源的循环水泵扬程要有故障储备，备用系数的大小可由式（12）计算得到，同时还要考虑热用户的资用压头与循环流量的平方成正比，在限额流量下热用户的资用压头比正常工况下的要小这一有利因素。4 管线局部切换的三管制

9、热网的限额流量系数在图2所示的管网结构下，干线上共连接个支线，干线总长，第i个热用户与第i-1个热用户间管段长度为，则干线上供水管、回水管某一管段的阻力损失为：， (14)式中第i段回水干管的阻力损失，Pa；第i段供水干管的压降，Pa；故障管段长度。 对于两供一回式系统，当回水干管某一管段关闭时，介质流向发生变化，此时备用管段（供水管）的流量为其它管段的2倍，则该管段的阻力损失为 (15)式中故障后第i段回水管的压降，Pa；故障后第i段供水管的压降，Pa。若热网总的比压降在故障前后不变，即。而故障前后的管网流量分别为、，则故障时回水干管的阻力损失为： (16)供水干管的阻力损失为： (17)由

10、及限额流量系数的定义式（1），并合并式（16）、（17）得 (18)同理分析，当故障点发生在回水干线的管段上时，限额流量系数 (19)当管网结构特性确定时，由式（18）、（19）可以计算出不同用户数时限额流量系数的取值范围。当限额供热工况的管网总的阻力损失与正常供热工况不一致时，则式（18）、（19）变为 (20) (21)对于管线局部切换的三管制系统，最不利的故障工况是故障点位于单独承担热媒输送任务的管线上最长的管段。通过以上分析得知，在相同的管网规模和结构形式下，管线局部切换的三管制系统所具备的输送备用能力要高于管线整体切换的三管制系统，但前者结构复杂，管件多，需要准确判断故障点的位置，并且在每个用户的入口装置操作完成分段切换，操作较繁琐。此两种方案均有各自适用的场所。在热网运行中，因供水管线介质温度高、管道腐蚀程度比回水管严重，使得供水管比回水管的故障率高，因此采用两供一回的三管制系统型式要比一供两回的系统型式更具有优势。5 结论本文分析了两种不同形式的三管制热网限额流量系数与回水管比压降占管网总比压降的份额间的关系及其各自的优势；给出了在限额