AFT Impulse在长距离热水供热项目水锤分析的应用

为了减少城市污染物排放和提高能源利用效率,许多热水供热项目现在都在采用从郊区发电厂长距离输送到市区给居民供热。由于输送距离很长和沿程标高变化大,若发生跳闸停泵或阀门关闭等事故将不可避免地引起较大的瞬态压力波动。从目前的已经完成的或正在设计施工的长距离热水供热项目来看,进行水锤分析已经成为业内共识,已成为热水供热项目设计中必不可少的一项工作。

AFT Impulse是一款功能强大的动态仿真和水锤模拟分析软件,用于计算由水锤引起的液体管道系统中的瞬态压力波动。AFT Impulse软件操作非常简单,运行速度快,并且没有模型大小限制。长距离热水供热工程管网较为复杂,规模较大,水锤分析的工作量也较大。因此,将AFT Impulse用在长距离热水供热项目中进行水锤分析是一个完美的组合。

AFT Impulse软件有一个独一无二的优势功能,就是可以考虑管道中物性的变化的影响(图1)。

图 1  可变物性选项

软件中有两个选项:Constant Fluid Properties 和 Variable Fluid Properties。在大多数情况下,我们选择“Constant FluidProperties”选项,因为流体介质在运输过程中温度下降很小,物理性质几乎没有变化; 但对于热水供热工程项目,我们就要选择“Variable FluidProperties”选项,因为供回水管道内的热水温差非常大,供水管道中水温一般在130℃左右,回水管道中水温一般在60℃左右。热水的物理性质变化很大,特别是饱和蒸气压的值变化很大。130℃水的饱和蒸气压为2.7bar(图2),60℃水的饱和蒸气压为0.2bar(图3)。

图2   130℃热水的饱和蒸汽压

图3   60℃热水的饱和蒸汽压

饱和蒸汽压是水锤分析中的一个重要参数。AFT Impulse软件内置了两种算法(图4),可以考虑水锤过程中的气蚀现象:Discrete Vapor Cavity Model and Discrete Gas Cavity Model。AFT Impulse可以精确判断气蚀发生的位置和模拟气蚀发生后导致管网中的瞬态压力波动。

图4  模拟气蚀的算法

对于热水供热项目来说,供水管线的压力(比如10bar)一般都比回水管线的压力(比如5bar)高,如果供回水管线上的热水都输入130℃(此时饱和蒸汽压为2.7bar),由于回水管线上压力较低,但是饱和蒸汽压力较高,从而回水管线上的压力安全裕度就由原本的4.8bar(5bar–0.2bar=4.8bar)减少到2.3bar(5bar–2.7bar=2.3bar),在这种情况下进行水锤模拟时,可能导致管线上出现大范围的气蚀,导致瞬态压力变化很大,很可能远远大于管道的设计压力;如果供回水管线上的热水都输入60℃,由于供水管线压力较高,但饱和蒸汽压较低,从而供水管线上的压力安全裕度就由原本的7.3bar(10bar–2.7bar=7.3bar)增加到9.8bar(10bar–0.2bar=9.8bar),在这种情况下进行水锤模拟时,可能会导致供水管线上本该发生气蚀的位置而没有出现气蚀,导致瞬态压力变化较小,不能充分考虑供水管线上因气蚀对瞬态压力的影响。由以上分析可以看出,只有准确的输入供回水管线上热水的物性,才能对热水供热项目进行准确地水锤分析,得到更可靠的瞬态压力。

下图(图5)是一个分布式的长距离热水供热水锤分析模型。该热水供热项目,从首站经过30多千米到达最远热力站,中间还有7个分布式热力站。首站包括4台泵、4台换热器,4台除污器及进出口阀门等。8个热力站都在回水管线上设置增压泵。我分别给供回水管线定义了各自相应的物性,供水管线上的热水温度为130℃,回水管线上的热水温度为60℃。

图5  热水供热系统水锤分析模型

如果关阀时间较短,可能会因水锤导致严重的瞬态压力波动,从而可能超过管道设计压力导致管道爆裂。因此为了避免这类事故的发生,我们要选择恰当的关阀时间和方式。

我分别定义阀门在150秒、200秒和250秒内线性关闭,阀门关闭时间为150秒时,最大瞬态压力为2.38Mpa,超过了管道的设计压力2Mpa;阀门关闭时间为200秒和250秒时,最大瞬态压力分别为1.95Mpa和1.82Mpa,均小于管道设计压力。由以上分析结果可得出只要阀门关闭时间超过200秒,就不会造成瞬态压力超过管道设计压力的水锤事故,因此可以将阀门的关闭时间设定在大于200秒即可。下图(图6)是阀门在200秒内线性关闭,沿主管道上的最大最小瞬态压力包络线。


图6  主管线沿程最大最小压力包络线

由于担心首站四台泵同时失电停运会导致发生严重的水锤事故。我专门模拟该工况,结果发现该供热管道系统中最大瞬态压力为2.29Mpa(图7),远超过管道的设计压力2Mpa。最小的瞬态压力为0.27Mpa,130℃热水的饱和蒸汽压也是0.27Mpa,从而可知在距离首站950米、1200米、1300米位置出现了气蚀。为了避免四泵全停的工况,首站特采用两路电源的方案,每两台泵用一路电源。

图 7  主管线沿程最大最小压力包络线

从以上的分析结果可以看出,AFT Impulse不仅模拟了最大瞬态压力,还模拟了最小瞬态压力,得出了系统中是否出现了气蚀及发生气蚀的位置。AFT Impulse通过水锤分析帮助确定了阀门的关闭时间和避免了四台泵同时停造成严重瞬态压力波动的问题。

对于区域供热项目来说,使用AFT Impulse模拟各种水锤工况有很多优势:

  • 定义阀门关闭时,不仅可以定义阀门按照线性方式关闭,还可以定义阀门按照等百分比方式关闭。
  • 模拟停泵时,不仅可以模拟不允许倒转的泵,还可以模拟允许倒转的泵。模拟允许倒转的泵时,AFT Impulse中内置了21条泵的全性能曲线,以供用户在使用时选择。因为大多数泵厂家是不能提供泵的全性能曲线的,这样用户在模拟停泵时就直接可以根据泵的比转速选择相应的全性能曲线即可。
  • AFT Impulse模拟水锤时,可以考虑管道内流体的物性的变化。因为在供回水管线上热水的物性变化较大,尤其是饱和蒸汽压。并且软件还内置了气蚀模型,可以准确的模拟管网中是否发生气蚀,是否会因为气蚀的原因导致管网的瞬态压力波动较大,甚至超过管道的设计压力。

综合以上优势可以看出,AFT Impulse是一个模拟计算长距离热水供热项目水锤分析很实用的软件工具。

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