燕勇鹏， 张玉晨， 贺 璠， 张 蓉， 王 淮

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 第六设计研究院， 天津 300381；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司， 天津 300381)

1 概述

在供热管网上间隔一定距离设置分段阀门是提高供热管网运行可靠性的重要措施之一。当管道发生故障时，可以关闭故障两侧的分段阀门，以减少检修时的放水量，降低运行成本；缩短放水、充水时间，加快抢修进度；保证尽可能多的用户正常运行，增加供热的可靠性。但分段阀门设置的数量应综合考虑，并非越多越好。

本文定义“长距离供热输送干线”为自热源至主要负荷区、长度超过20 km、无分支接出的供热干线，以下简称“长输干线”。定义“传统距离供热干线”为供热半径小于或等于20 km且沿线有大量分支接出的供热干线，以下简称“传统干线”。

CJJ 34—2010《城镇供热管网设计规范》(以下简称CJJ 34—2010)第8.5.2条规定：“输送干线分段阀门的间距宜为2～3 km”。目前，长输干线越来越多，为了节省造价，进行关于长输干线分段阀门间距是否可以适当加大(例如增加到4～6 km)的研究，对于提高供热管网可靠性和减少工程造价具有重要意义。以下从供热可靠性、故障修复时间、阀门造价、故障修复费用、长输干线与传统干线的分段阀门作用比较等几个方面进行分析。

2 供热可靠性

2.1 可靠性指标

供热管道中，当发生故障时，通过关断分段阀门来隔离故障元件，以便于实施抢修。在整个管网中，分段阀门设置得越密集，意味着故障隔离区域越小，将有效缩短维修时的放水和补水时间[1]。

由于管道和阀门本身也是一类故障元件，因此，分段阀门间距增大后会对每一个阀门分段和总管道系统的可靠性产生影响。供热管网的可靠性可以用可靠性指标R[2]来评价，计算公式如下：

(1)

ΔΦi=Φd-Φg,i

(2)

式中R——可靠性指标

n——故障隔离区域的数量,个

ΔΦi——第i个故障隔离区域对应故障工况下的供热不足量[3]，MW

Φd——系统设计热负荷，MW

ωi——第i个故障隔离区域内所有元件的故障率，a-1

t——供暖期延续时间，a

Φg,i——故障工况下系统的供热量，MW

ωi=2ωg,ili+ωf,ipi

(3)

式中ωg,i——第i个故障隔离区域内管道的故障率参数，1/(km·a)

li——第i个故障隔离区域内管道槽长，km

ωf,i——第i个故障隔离区域内阀门的故障率参数，1/(个·a)

pi——第i个故障隔离区域内阀门数量，个

2.2 元部件故障率参数

俄罗斯在供热管网元部件故障率的统计上做了大量的工作，主要数据见表1。我国在2002年对北京、沈阳等几个具有代表性的大型热水供热管网进行了调查统计。通过对供热管网调度日志、故障维修记录等资料的收集整理，得到了这几个供热管网多年的故障基础数据。其中北京市的统计年限跨越15 a，管径规格范围为DN 200～1 000 mm，在数据统计基础上总结出了供热管网元部件故障率参数[3]，见表1。

表1 供热管网元部件故障率参数

从调查结果可以看出，北京热水管道系统的故障率较小，代表了当年建设运行水平较高的热网。经过近20 a的发展，热水管道从设计、施工、运行、装备上都发生了长足的进步，而且长输干线的建设通常都受到格外重视，质量较好。因此，目前新建的长输干线系统故障率参数可以参考表1中北京的数据。

2.3 阀门间距增加后对供热可靠性的影响

某长输干线长达72 km，管径规格为DN 1 400 mm，中间无分支，供暖期延续时间为167 d(0.458 a)，分段阀门间距从传统的3 km增加到6 km，阀门故障率参数和管道故障率参数参考表1中北京的数据。对于72 km的长输干线，可以将其看作一个大的故障隔离区域，由公式(3)可以得出整个长输干线系统的故障率变化，见表2。

表2 整个长输干线系统故障率的变化

从表2可以看出，分段阀门间距增大后，由于阀门总数量减少了，整个长输干线系统的总故障率会相应减小，大约减小2.55%。

长输干线发生故障后，整个系统将全部停热，其供热不足量ΔQi即为系统设计热负荷Qd。将表2中的数据代入公式(1)，得出分段阀门间距为3 km时的可靠性指标R为0.650，分段阀门间距为6 km时的可靠性指标R为0.657，即分段阀门间距为6 km时的供热可靠性指标R比间距为3 km时的高。这是因为，阀门间距增加后，从管网系统整体看，阀门的数量减少，总的故障率会相应减小，从而使供热可靠性提高。

因此，与传统分段阀门间距相比，长输干线阀门间距增加后，供热可靠性提高了。

3 管道故障修复时间

3.1 管道故障修复时间划分

管道故障修复时间是研究长输干线分段阀门间距的一个重要参数，它与故障管道的管径、分段阀门间距和管道敷设方式等参数有关，还与维修人员的技术能力、维修设备的先进水平有关。考虑到从故障发生到故障修复过程中经历的不同阶段，可以把修复时间划分成故障发现及定位时间、放水时间、净维修时间、补水时间。

tx=t1+t2+t3+t4

(4)

式中tx——管道故障修复时间，h

t1——故障发现及定位时间，h

t2——放水时间，h

t3——净维修时间，h

t4——补水时间，h

如果采取相应措施，使长输干线分段阀门间距增加后的故障修复时间不超过传统干线的故障修复时间，就可以认为分段阀门间距增加后不会对故障修复时间造成影响。

3.2 故障发现及定位时间t1

长输干线一般都配套有分布式光纤测温系统，对长输干线进行实时监测，一旦发生故障，可以及时发现并实现故障的迅速定位。

故障发现及定位时间t1与分段阀门间距没有关系，因此，分段阀门间距增加后不会影响故障发现及定位时间t1。

3.3 放水时间t2

长输干线发生事故时，两相邻分段阀门之间的简单热水管道(由相同管径、相同坡度的管道所组成的管段)放水所需要的时间最长。为了保证安全，本文以简单热水管道为基础来考虑分段阀门间距与放水管管径之间的关系。

对于两相邻分段阀门之间的简单热水管道，放水管管径按公式(5)计算[4-5]，计算出的数据向上圆整取值为常用的公称直径。

(5)

式中dg——放水管公称直径，mm

Di——热水管道内直径，mm

m——与放水管上阀门流量系数μ有关的系数，对于闸阀m=0.011，截止阀m=0.014 4，本文m取0.011

t2——放水时间，h

L——两相邻分段阀门之间所发生事故的单根热水管道长度(即分段阀门间距)，m

i——两相邻分段阀门之间的热水管道坡度

由于放水管管径与放水量、管道坡度、放水点数目、放气管设置情况、允许放水时间等因素有关，CJJ 34—2010没有规定放水管管径，仅规定了放水时间，第8.5.5条规定热水管道管径规格大于或等于DN 600 mm时，放水时间为5～7 h，严寒地区采用规定的较小放水时间。

长输干线管径一般都较大，发生事故后影响的供暖面积大，因此，为了减小修复时间，本文建议放水时间取5 h。

已知：分段阀门间距分别为4 km、5 km和6 km，管道坡度i为0.002，与放水管上阀门流量系数μ有关的系数m取0.011，DN 1 000 mm、DN 1 200 mm和DN 1 400 mm的热水管道的内直径Di分别为922 mm、1 188 mm、1 380 mm。在此条件下计算得到满足放水时间5 h要求时，DN1 000 mm、DN 1 200 mm和DN 1 400 mm的热水管道在不同分段阀门间距时所要求的最小放水管管径，见表3。

表3 长输干线不同分段阀门间距时所要求的最小放水管管径

因此，为了减小或消除阀门间距增加后对放水时间t2的影响，长输干线的最小放水管管径应符合表3的要求。

3.4 净维修时间t3

对于相同的故障，相同管径的管道，净维修时间t3是一样的，与分段阀门间距无关。

3.5 补水时间t4

长输干线分段阀门间距增加到4～6 km后，与传统间距2～3 km相比，相同管径的热水管道的水容量增加了1倍。那么，为了减小或消除阀门间距增加后对补水时间t4的影响，应增加长输干线的补水能力。长输干线的补水能力应为传统间距系统的2倍。增大补水能力的措施有两个：在补水点处将软化水生产能力、事故补水泵和补水水箱的容量增大为传统系统的2倍；或者在长输干线中间合适位置增加事故补水点，设置与补水点相同生产能力的软化水装置、相同规格的补水泵和相同容量补水水箱。

4 阀门造价和故障修复费用分析

长输干线管道总长度不变，即管道造价不变。分段阀门间距增加后，分段阀门的数量减少，则阀门造价会相应减小。同时，与传统干线相比，相同管径的热水管道的水容量会增加，则故障修复费用会相应增加，主要表现在补水费用的增加。

下文以第2章中的实际工程为例，即长输干线槽长72 km，管径规格为DN 1 400 mm，中间无分支，分析分段阀门间距从传统的3 km增加到6 km时对阀门造价和补水费用的影响。造价和补水费用变化见表4。

表4 分段阀门间距增加后造价和补水费用的变化

从表4可以看出，分段阀门间距从传统的3 km增加到6 km后，造价可以减少2 580×104元，减少43%。如果发生故障，修复费用会相应增加，具体表现为补水费用增加2.33×104元，增加100%。增大分段阀门间距后，虽然补水费用比原来增加100%，但是所增加的补水费用与所节省的造价相比很小，可以忽略不计。

5 长输干线与传统干线分段阀门作用比较

5.1 隔离区域

无论是长输干线，还是传统干线，分段阀门间距越小，意味着可隔离区域越小，将有效缩短放水和充水时间，减小故障修复时间，及早恢复供热。但是分段阀门间距越小，阀门数量就越多，增加了阀门造价。

5.2 发生故障时供热不足量

对于传统干线，随故障所处位置不同，供热不足量大小差别很大。例如，靠近热源处的故障会造成较大的供热不足量，而管道末端处的故障造成的供热不足量却很小。在传统干线中，减小分段阀门的间距，增加阀门的数量，可以减小发生故障时的供热不足量，特别是在分支较多的管网中。

对于长输干线，故障对供热不足量的影响与位置无关，影响是一样的，一旦发生故障，供热不足量就是长输干线所负责的全部供热量。因此，在长输干线中，分段阀门的间距对发生故障时的供热不足量没有影响。

5.3 供热可靠性

对于传统干线，分段阀门可以起到减小停供范围的作用，因此，在分段阀门数量小于枝状管网节点数的情况下，减小分段阀门的间距，增加阀门的数量，可以大幅提高管道的供热可靠性。

分段阀门对传统枝状管网供热可靠性提高的贡献具有非等价性，管道中部的分段阀门对供热可靠性提高的程度大于管道两端[6]。

对于长输干线，分段阀门起不到减小停供范围的作用，由第2章可知，将分段阀门间距增加前后的数据分别代入公式(1)，发现分段阀门间距增加后的可靠性指标R增加了，即提高了管道的供热可靠性。因此，长输干线中增大分段阀门的间距有利于提高供热可靠性。

6 结论

① 长输干线分段阀门间距可以从2～3 km增加到4～6 km。

② 长输干线分段阀门间距增加后，长输干线系统的总故障率减小，供热可靠性提高。

③ 长输干线分段阀门间距增加后，故障修复时间会增加。其中，对故障发现及定位时间和净维修时间没有影响，但是会增加放水时间和补水时间。

④ 为了减小或消除长输干线阀门间距增加后对故障修复时间的影响，应适当加大长输干线的放水管管径，同时增加长输干线的补水能力。

⑤ 长输干线阀门间距增加后，虽然故障修复时补水费用增加了，但是所增加的补水费用与所节省的造价相比很小，可以忽略不计。