Вопросы комплексной защиты оборудования систем теплоснабжения при переходных гидравлических режимах

К.т.н. Л. П. Канина, Г. А. Чапкина, инженер, ОАО «Инженерный центр ЕЭС», филиал «Фирма ОРГРЭС»

Выбранные неверно средства защиты либо просто не обеспечивают защиту оборудования системы теплоснабжения в аварийных переходных гидравлических режимах, либо могут привести к развитию аварии

Одним из требований нормативных документов [1, 2] способствующих повышению надежности и безопасности работы оборудования энергосистем, является требование о необходимости выполнения защиты оборудования системы теплоснабжения от недопустимых изменений давлений в переходных и послеаварийных гидравлических режимах.

При нормальной эксплуатации систем теплоснабжения в них имеет место медленное изменение параметров гидравлических режимов. Наличие в системе теплоснабжения большого количества насосного оборудования источников тепла и насосно-перекачивающих станций, запорно-регулирующей арматуры магистральных тепловых сетей неизбежно сопровождается увеличением вероятности отказа того или иного элемента оборудования. Соответствующие этим отказам неустановившиеся гидравлические процессы могут, как показывает опыт эксплуатации, сопровождаться возникновением давлений, недопустимых по условиям прочности оборудования системы теплоснабжения (источника тепла, тепловых сетей и теплопотребляющих установок).

Неустановившийся гидравлический режим, определяющий переход гидравлической системы из одного стационарного состояния в другое (например, к послеаварийному режиму), называется переходным гидравлическим режимом.

В зависимости от инерционных свойств трубопроводной системы и характеристик возмущающего воздействия переходные гидравлические режимы могут иметь характер гидравлического удара или квазистационарного режима [3]. Гидравлические удары характеризуются существенными значениями мгновенных давлений и вызываются, как правило, аварийным отключением (включением) под нагрузкой сетевых и перекачивающих насосных агрегатов, несанкционированным закрытием (открытием) запорно-регулирующей арматуры, быстрыми разрывами теплопроводов, обусловливающими снижение давления в отдельных точках системы теплоснабжения до давления вскипания. Квазистационарные режимы имеют монотонный характер и вызываются длительными возмущениями, например, плановым закрытием головных задвижек при отключении магистралей. В этих режимах опасность, как правило, может представлять конечное давление.

Исследованиям переходных гидравлических режимов в системах теплоснабжения и средствам защиты оборудования систем теплоснабжения посвящены работы [3,6−11]. В указанных работах подробно изложены методы расчета переходных гидравлических режимов, приведены результаты расчетного и экспериментального исследования переходных гидравлических режимов, показана адекватность используемых методик расчета реальным физическим процессам. гидравлический режим теплоснабжение давление Для систем теплоснабжения по сравнению с другими системами транспорта жидкости имеет место значительная разница допустимых давлений для различного оборудования систем теплоснабжения. При этом наименьшее допустимое давление характерно для зависимоприсоединенных отопительных установок — не выше 0,6 МПа. Аварийные отключения сетевых насосов, как правило, обусловливают повышение давления в обратных теплопроводах, недопустимое для зависимоприсоединенных отопительных установок теплопотребителей. Как следствие, разрывы отопительных приборов вызывают большие материальные ущербы и серьезные социальные проблемы. Кроме того, возможны разрушения сетевых подогревателей и встроенных теплофикационных пучков в конденсаторах.

Помимо повышения давления для оборудования системы теплоснабжения представляет опасность резкое снижение давления (до давления вскипания теплоносителя) и возможность возникновения последующей нестационарной (быстрой) конденсации, сопровождающейся значительным локальным увеличением давления. Наиболее часто встречающиеся аварийные ситуации такого рода — это вскипание теплоносителя за водогрейными котлами источников тепла при отключении сетевых насосов и последующая нестационарная конденсация (конденсационные удары) при повторном пуске сетевых насосов или включении резервного насоса. При этом возможны разрушения подающих теплопроводов, ожоговый травматизм персонала. Кроме того, существенную опасность представляет снижение давления в переходных гидравлических режимах на всасывающих патрубках сетевых насосов до давления кавитации. Срыв в работе сетевого насоса и последующий выход из режима кавитации сетевого насоса обусловливает резкий рост давления, которое, распространяясь по системе теплоснабжения со скоростью звука, может вызвать разрушение теплопроводов. Подобные режимы были зафиксированы в некоторых системах теплоснабжения.

Возможность возникновения неустановившихся гидравлических режимов, сопровождающихся недопустимыми давлениями по условиям прочности оборудования, обусловливает необходимость применения методов защиты в указанных режимах.

Для защиты оборудования систем теплоснабжения разработаны и используются различные противоударные устройства и мероприятия. Наибольшее применение нашли быстродействующие сбросные устройства: гидрозатворы-переливы, быстродействующие сбросные клапаны, мембрано-предохранительные устройства.

Многолетняя работа специалистов ОАО «ВНИПИэнергопром», «Фирмы ОРГРЭС» и других организаций позволила осуществить разработку и внедрение мероприятий по защите оборудования систем теплоснабжения от недопустимых изменений давлений в переходных гидравлических режимах.

Разработанные системы защит от недопустимых давлений в переходных гидравлических режимах внедрены в действующих системах теплоснабжения ряда городов: Москва, Кострома, Кисловодск, Ульяновск, Нерюнгри, Саратов, Рязань, Тюмень, Томск, Омск, Петропавловск-Камчатский, Владивосток, Сургут, Нижневартовск, Санкт-Петербург, Кемерово, Железноводск, Чебоксары, Нижнекамск, Ижевск, Белгород, Минск, Харьков, Кишинев, Таллин, Шяуляй, Рига, Тарту и др.

Выбор защитных устройств и мероприятий в системах теплоснабжения необходимо осуществлять на основе расчетных данных и (или) экспериментальных исследований переходных гидравлических режимов при наиболее часто встречающихся в практике эксплуатации возмущениях, вызванных отказами в работе оборудования систем централизованного теплоснабжения.

Защита оборудования в технологически и гидравлически единой системе теплоснабжения должна быть комплексной для того, чтобы предотвратить возникновение недопустимых давлений на оборудовании всех элементов системы теплоснабжения (источника тепла, тепловых сетей, систем теплопотребления) и учесть взаимовлияние средств защиты, установленных в различных точках системы теплоснабжения. Следует отметить, что вопросы защиты оборудования систем теплоснабжения от недопустимых давлений в переходных гидравлических режимах должны решаться, особенно для источников тепла, совместно с вопросами нарушения электроснабжения электродвигателей сетевых насосов и анализа соответствующих систем защиты в схемах электроснабжения источника тепла [12]. Более подробно вопросы работы системы теплоснабжения при кратковременных перерывах электроснабжения изложены в [12, 13]. Кроме того, внедрение противоударных устройств требует внесения изменений в существующие схемы защиты и автоматизации источников тепла и насосных станций (например, использование автоматики включения резерва (АВР) сетевых насосов, уставки защиты минимального напряжения на отключение электродвигателей сетевых насосов, изменение схем рассечки тепловых сетей на гидравлически изолированные зоны и др.).

Отдельно следует рассмотреть вопрос о внедрении средств защиты без предварительного обоснования (расчетного или экспериментального) системы защит и определения требований к конструктивным параметрам и настройке противоударных устройств. Выбранные неверно средства защиты либо просто не обеспечивают защиту оборудования системы теплоснабжения в аварийных переходных гидравлических режимах, либо могут привести к развитию аварии.

Подобная ситуация может быть проиллюстрирована результатами натурных испытаний, проведенных в одной из систем теплоснабжения, схема которой приведена на рисунке 1. На рис. 1 также показан график давления в эксплуатационном гидравлическом режиме. На ТЭЦ циркуляция сетевой воды обеспечивается двухступенчатой группой сетевых насосов типа СЭ 2500−70 (первая степень) и СЭ 2500−180 (вторая ступень) по два насоса в каждой группе. Для защиты сетевых подогревателей типа ПСГ в обратном коллекторе ТЭЦ установлен быстродействующий сбросной клапан (БСК). Обоснование выбора параметров БСК и его настройки не было выполнено в соответствии с вышеуказанными требованиями. Во время натурных испытаний был проведен ряд экспериментов, имитирующих аварийные ситуации. Один из опытов имитировал аварийное отключение одного сетевого насоса второй ступени ТЭЦ. Результаты указанного эксперимента приведены на рис. 2, где показано изменение мгновенных давлений во всасывающем и напорном коллекторах сетевых насосов второй ступени, до сетевых подогревателей типа ПСГ, в подающем и обратном коллекторах ТЭЦ.

Аварийное отключение одного сетевого насоса второй ступени на ТЭЦ из двух работающих обусловило резкий рост давления во всасывающем коллекторе сетевых насосов второй ступени (на 0,3 МПа за 1 с) и резкое снижение давления в напорном коллекторе сетевых насосов второй ступени (на 0,4 МПа за 1 с). Повышение давления, от всасывающего коллектора сетевых насосов второй ступени, проходя по станционным теплопроводам со скоростью звука в воде (с учетом упругих свойств трубопровода ~1000 м/с) привело к повышению давления перед сетевыми подогревателями типа ПСГ. Сложная конфигурация станционных теплопроводов, при значительной протяженности станционных теплопроводов, обусловила усиление роста давления перед ПСГ по сравнению с ростом давления во всасывающем коллекторе сетевых насосов второй ступени (рис. 2). Во время эксперимента сбросной клапан открылся по импульсу повышения давления перед сбросным клапаном до 0,75 кГ/см² (при времени t=20 c в соответствии с рис. 2). За это время давление перед ПСГ возросло до 1,1 МПа и превысило допустимое значение на 0,3 МПа. Срабатывание сбросного устройства обусловило резкое снижение давления в обратном коллекторе ТЭЦ, и, как следствие, снижение давления в подающем коллекторе ТЭЦ. Снижение давления в подающем коллекторе ТЭЦ, вызванное как аварийным отключением сетевого насоса, так и срабатыванием сбросного устройства, распространяясь по подающему трубопроводу от ТЭЦ к ПНС, приведет к снижению давления во всасывающем коллекторе ПНС.

Снижение давления может обусловить возникновение вскипания сетевой воды при высоких температурах (в зимний отопительный период). Опасность в этом режиме представляет последующая нестационарная (быстрая) конденсация при росте давления, вследствие, например, пуска насосов. Следует отметить, что эксплуатационный гидравлический режим характеризуется давлениями близкими к допустимым величинам, что существенно снижает надежность работы системы теплоснабжения при возникновении аварийных ситуаций. Таким образом, установленное быстродействующее сбросное устройство не только не обеспечило защиту ПСГ на ТЭЦ, но могло обусловить в отопительном сезоне развитие аварийной ситуации до полного останова системы теплоснабжения и разрыва теплопроводов.

При разработке технических решений по защите оборудования рассматриваемой системы теплоснабжения в одном из вариантов было предложено для локализации возмущающих воздействий от отключения сетевых насосов ТЭЦ обеспечить работой АВР сетевых насосов первой и второй ступени по факту отключения электродвигателя рабочего насоса. Установленное сбросное устройство на ТЭЦ должно быть настроено таким образом, чтобы не допускать избыточного снижения давления при его срабатывании, импульс на срабатывание БСК должен определяться давлением перед ПСГ.

Ниже представлен другой пример недопустимости использования противоударных устройств, не обоснованных расчетным и (или) экспериментальным исследованиями переходных гидравлических режимов.

В последнее время компанией «ДКМ Венчурные проекты» предлагается для противоаварийной защиты в системах теплоснабжения от недопустимых давлений в переходных гидравлических режимах и пульсаций давлений стабилизаторы давления [14]. Указанные устройства по принципу своего действия обеспечивают защиту в гидравлических режимах, сопровождающихся незначительными пульсациями давлений (амплитуда колебаний ~ ± 0,04 МПа). Изменения давлений, возникающие в системе теплоснабжения в результате аварийных переходных гидравлических режимах, не имеют характер пульсаций, причем величины повышения давлений составляют 0,5−0,6 МПа и выше, т. е. на порядок более амплитуды колебаний, гасимых стабилизаторами давлений «ДКМ Венчурные проекты». Приведенные на рис. 2 результаты натурных испытаний в системе теплоснабжения это подтверждают. Очевидно, что стабилизаторы давления «ДКМ Венчурные проекты» в рассмотренной ситуации бесполезны. Следует отметить, что согласно п. 4.11.1 [1] допустимым является отклонение давлений от заданного режима в подающих и обратных трубопроводах за головными задвижками источников тепла на 0,02 — 0,4 МПа. Сравнение допустимого диапазона отклонений давлений (0,02 — 0,4 МПа) с экспериментальными данными проверки эффективности работы стабилизаторов давления «ДКМ Венчурные проекты» (~ ± 0,04 МПа) свидетельствует о нецелесообразности применений этой конструкции стабилизаторов в системах теплоснабжения в качестве защитных устройств от недопустимых изменений давлений, возникающих в переходных гидравлических режимах.