某地區(qū)集中供熱管網(wǎng)不同運(yùn)行方式比較

欒天華

(中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160)

某地區(qū)集中供熱管網(wǎng)不同運(yùn)行方式比較

欒天華

(中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160)

根據(jù)某地區(qū)集中供熱管網(wǎng)的特點(diǎn)，分別介紹了枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)的水力計(jì)算方法。通過水力計(jì)算分別得到供熱管網(wǎng)在枝狀運(yùn)行工況和環(huán)狀運(yùn)行工況下的循環(huán)阻力，并對(duì)不同工況下的供熱管網(wǎng)循環(huán)阻力進(jìn)行比較，指出特定條件下環(huán)狀管網(wǎng)在運(yùn)行能耗和可靠性方面相對(duì)于枝狀管網(wǎng)的優(yōu)越性，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

集中供熱；枝狀管網(wǎng)；環(huán)狀管網(wǎng)；水力計(jì)算；循環(huán)阻力

0 引言

集中供熱系統(tǒng)主要由熱源、熱用戶和連接2者的供熱管網(wǎng)3部分組成。其應(yīng)用最早出現(xiàn)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，集中供熱技術(shù)也日趨成熟，在世界嚴(yán)寒地區(qū)得到了大范圍應(yīng)用，一些城市的集中供熱普及率已達(dá)到很高水平。我國(guó)集中供熱系統(tǒng)的應(yīng)用起步較晚，新中國(guó)成立前僅個(gè)別大城市的個(gè)別建筑或區(qū)域設(shè)置了集中供熱系統(tǒng)，新中國(guó)成立后我國(guó)的集中供熱系統(tǒng)應(yīng)用才得到了長(zhǎng)足發(fā)展，供暖熱源也從分散的區(qū)域鍋爐房逐步發(fā)展為熱電廠與配套調(diào)峰鍋爐相結(jié)合的聯(lián)合熱源。

供熱管網(wǎng)是集中供熱系統(tǒng)必不可少的組成部分，其水力工況和熱力工況的好壞將直接影響集中供熱系統(tǒng)的應(yīng)用效果。水力工況與熱力工況之間存在著密不可分的聯(lián)系，如果水力工況發(fā)生改變，那么熱力工況受其影響也將隨之發(fā)生改變。集中供熱系統(tǒng)的目標(biāo)是獲得良好的供熱效果，因此良好的熱力工況是我們追求的目標(biāo)，良好的水力工況是成功實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的保障[1]。目前我國(guó)城鎮(zhèn)集中供熱管網(wǎng)主要采用枝狀布置和環(huán)狀布置2種形式，枝狀布置具有管網(wǎng)形式簡(jiǎn)單、投資省、運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，最為常用。而環(huán)狀布置雖然投資高，但其運(yùn)行可靠安全，尤其在多熱源聯(lián)合供熱條件下有不少應(yīng)用。本文將以某地區(qū)集中供熱管網(wǎng)為例，對(duì)其枝狀運(yùn)行和環(huán)狀運(yùn)行2種工況分別進(jìn)行水力計(jì)算，并將2種工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)城鎮(zhèn)集中供熱管網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行提出建議。

1 供熱管網(wǎng)水力計(jì)算方法

1.1 枝狀供熱管網(wǎng)水力計(jì)算基本方法[2]

首先，根據(jù)各個(gè)熱力站所轄熱用戶的類型、建筑物使用功能等情況確定各個(gè)熱力站的實(shí)際供熱量，并以實(shí)際供熱量為依據(jù)計(jì)算各個(gè)熱力站一級(jí)網(wǎng)部分的熱媒流量。其次，以計(jì)算得到的熱媒流量為基礎(chǔ)，結(jié)合供熱管網(wǎng)布置圖確定管網(wǎng)中各個(gè)管段的熱媒流量，進(jìn)而可以根據(jù)已有管網(wǎng)的實(shí)際情況計(jì)算得到管網(wǎng)中各管段的比摩阻。然后，按照當(dāng)量長(zhǎng)度法估算管網(wǎng)中各管段折算長(zhǎng)度并計(jì)算各管段壓力損失。最后，可以根據(jù)選定的最不利環(huán)路來確定此管網(wǎng)的循環(huán)阻力。

1.2 環(huán)狀供熱管網(wǎng)水力計(jì)算基本方法

環(huán)狀供熱管網(wǎng)通常由環(huán)狀主干線和連接熱用戶的枝狀支線構(gòu)成。其枝狀支線部分的水力計(jì)算方法與本文1.1節(jié)所述的枝狀供熱管網(wǎng)水力計(jì)算方法基本相同。首先對(duì)環(huán)狀供熱管網(wǎng)的枝狀支線部分進(jìn)行水力計(jì)算。獲得枝狀支線部分水力計(jì)算結(jié)果之后即可確定環(huán)狀部分的各節(jié)點(diǎn)流量。然后，根據(jù)管網(wǎng)布置和各管段結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合流量平衡規(guī)律和壓力平衡規(guī)律對(duì)環(huán)狀部分進(jìn)行管網(wǎng)平差計(jì)算，求解環(huán)狀管網(wǎng)的水力工況參數(shù)。最后，將環(huán)狀部分與枝狀支線部分計(jì)算結(jié)果相結(jié)合，確定管網(wǎng)的循環(huán)阻力。

2 某地區(qū)集中供熱情況

該地區(qū)集中供熱系統(tǒng)于2001年初步建成，為配套城市建設(shè)發(fā)展，保障民生，集中供熱系統(tǒng)經(jīng)多次改、擴(kuò)建形成了現(xiàn)有的規(guī)模。與本文相關(guān)的主要集中供熱設(shè)施情況和供熱能力如下。

2.1 一級(jí)供熱管網(wǎng)

管網(wǎng)主干管公稱直徑為DN700，接于熱電廠內(nèi)的熱網(wǎng)首站。管道材料采用預(yù)制直埋保溫管，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦蔚孛卜笤O(shè)方式以直埋敷設(shè)為主。運(yùn)行供回水溫度為110/58 ℃。管網(wǎng)最不利環(huán)路敷設(shè)的管道長(zhǎng)度約為12.9 km。供熱管網(wǎng)在工程設(shè)計(jì)階段及運(yùn)行初期采用枝狀管網(wǎng)形式，后經(jīng)逐步改、擴(kuò)建，部分輸配干線已連成環(huán)狀，并在實(shí)際運(yùn)行中形成環(huán)狀管網(wǎng)。

表1 熱力站情況一覽

2.2 熱力站

目前與一級(jí)管網(wǎng)連接的熱力站共有27座，全部采用水/水換熱器與二級(jí)網(wǎng)間接連接，所承擔(dān)的供熱面積達(dá)237.2萬m2。根據(jù)現(xiàn)行的《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]及當(dāng)?shù)亟ㄖ?shí)際情況確定住宅建筑供暖熱指標(biāo)采用55 W/m2，公共建筑供暖熱指標(biāo)采用65 W/m2。結(jié)合當(dāng)?shù)責(zé)崃驹趯?shí)際供熱運(yùn)營(yíng)中統(tǒng)計(jì)的各個(gè)熱力站所轄熱用戶情況，得出與本文相關(guān)的熱力站供熱情況，詳見表1。

表1中熱力站供熱量根據(jù)式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Q為熱力站供熱量，kW；Az，Ag分別為熱力站所轄住宅、公建的供熱建筑面積，m2；qz，qg為住宅、公建供暖熱指標(biāo)，W/m2。

表1中熱力站一級(jí)網(wǎng)流量根據(jù)式(2)計(jì)算：

(2)

式中：G為換熱站一級(jí)網(wǎng)流量，t/h；c為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；t1為供熱管網(wǎng)供水溫度，℃；t2為供熱管網(wǎng)回水溫度，℃。

3 供熱管網(wǎng)水力計(jì)算

該地區(qū)集中供熱工程供熱管網(wǎng)水力計(jì)算如圖1所示，根據(jù)熱力公司的運(yùn)行維護(hù)情況，供熱管網(wǎng)可在2種工況下運(yùn)行。當(dāng)圖中所示的切換閥門關(guān)閉時(shí)，供熱管網(wǎng)為枝狀運(yùn)行工況。當(dāng)切換閥門開啟時(shí)，供熱管網(wǎng)為環(huán)狀運(yùn)行工況。

3.1 水力計(jì)算原則及參數(shù)確定

首先需要確定管網(wǎng)的最不利環(huán)路，本工程選取圖1中熱力站A13所在的環(huán)路(環(huán)路J0-J1-J7-J8′-J15-A13-J15-J8′-J7-J1-J0)為最不利環(huán)路。在水力計(jì)算過程中，管網(wǎng)局部阻力以當(dāng)量長(zhǎng)度計(jì)取，根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]的要求，管道局部阻力與沿程阻力比值取0.3(管道公稱直徑≤400 mm)和0.4(450 mm≤管道公稱直徑≤1 200 mm)；管道內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度取0.5 mm。對(duì)于熱網(wǎng)首站和熱力站內(nèi)部的壓力損失，本工程按熱網(wǎng)首站壓力損失為150 kPa、熱力站壓力損失為100 kPa確定。

圖1 供熱管網(wǎng)水力計(jì)算

3.2 水力計(jì)算公式[2]

熱網(wǎng)每米管長(zhǎng)的沿程損失(比摩阻)按式(3)計(jì)算確定：

(3)

式中：R為每米管長(zhǎng)的沿程損失(比摩阻)，Pa/m；G為管段的熱媒流量，t/h；d為管段的內(nèi)徑，m；ρ為熱媒的密度，kg/m3；K為管道內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度，m。

管段總壓力損失按式(4)計(jì)算確定：

(4)

式中：ΔP為計(jì)算管段總壓力損失，Pa；l為計(jì)算管段實(shí)際長(zhǎng)度，m；ld為計(jì)算管段局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度，m；lzh為計(jì)算管段的折算長(zhǎng)度，m。

管段內(nèi)水的流速按式(5)計(jì)算確定：

(5)

式中：v為管段內(nèi)熱媒的流速，m/s。

3.3 枝狀運(yùn)行工況水力計(jì)算

根據(jù)式(3)、(4)、(5)，按照?qǐng)D1所示的最不利環(huán)路對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

3.4 環(huán)狀運(yùn)行工況水力計(jì)算

根據(jù)式(3)、(4)、(5)，按照?qǐng)D1所示的最不利環(huán)路對(duì)環(huán)狀供熱管網(wǎng)的枝狀支線部分J8′-A13段和J0-J1段進(jìn)行水力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

根據(jù)熱力站和熱網(wǎng)首站的布置情況，在水力計(jì)算簡(jiǎn)圖中將環(huán)狀供熱管網(wǎng)的枝狀支線部分以節(jié)點(diǎn)流量的形式簡(jiǎn)化，得到如圖2所示的環(huán)狀部分管網(wǎng)水力計(jì)算簡(jiǎn)圖。

表2 枝狀工況水力計(jì)算結(jié)果

續(xù)表

表3 環(huán)狀工況枝狀支線部分水力計(jì)算結(jié)果

采用文獻(xiàn)[4-5]中介紹的環(huán)狀干線水力計(jì)算方法，對(duì)圖2所示的環(huán)狀管網(wǎng)進(jìn)行水力平差計(jì)算，得到各管段的水力工況參數(shù)和各節(jié)點(diǎn)的參考?jí)毫?，見?、表5。

圖2 環(huán)狀部分管網(wǎng)水力計(jì)算

表4 環(huán)狀工況環(huán)狀部分水力計(jì)算結(jié)果

表5 環(huán)狀工況環(huán)狀部分節(jié)點(diǎn)參考?jí)毫τ?jì)算結(jié)果

注：節(jié)點(diǎn)流向按供水管考慮；選取節(jié)點(diǎn)1為壓力參考點(diǎn)。

5 結(jié)束語

通過第3節(jié)對(duì)該地區(qū)集中供熱管網(wǎng)枝狀運(yùn)行和環(huán)狀運(yùn)行兩種工況的水力計(jì)算，可以看出，當(dāng)各熱力站都達(dá)到表1所列的實(shí)際供熱能力時(shí)，供熱系統(tǒng)在枝狀運(yùn)行工況下循環(huán)阻力為995.7 kPa；在環(huán)狀運(yùn)行工況下循環(huán)阻力為828.5 kPa。不考慮熱力站與熱網(wǎng)首站內(nèi)部壓力損失的情況下，環(huán)狀運(yùn)行工況管道部分的阻力比枝狀運(yùn)行工況降低了約22.42%。由此可以得知，當(dāng)供熱能力一定時(shí)，環(huán)狀運(yùn)行工況比枝狀運(yùn)行工況降低了熱網(wǎng)循環(huán)水泵的運(yùn)行能耗。抑或是說，在熱源供熱能力和管道流通能力允許的前提下，不更換熱網(wǎng)循環(huán)水泵就可以增加一定的供熱面積，但增加的數(shù)量和位置還需要根據(jù)管網(wǎng)情況通過計(jì)算確定。

其他集中供熱地區(qū)可借鑒此地區(qū)的集中供熱管網(wǎng)改造經(jīng)驗(yàn)，在綜合考慮熱源、熱網(wǎng)循環(huán)水泵、管網(wǎng)和投資等因素后，將原枝狀管網(wǎng)改、擴(kuò)建成環(huán)狀管網(wǎng)，不但提高了供熱系統(tǒng)的可靠性，還一定程度降低了集中供熱系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，在特定條件下是一項(xiàng)值得推廣應(yīng)用的技術(shù)措施。

[1]王思瑩.集中供熱管網(wǎng)熱力工況研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]賀平，孫剛，等.供熱工程[M].4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[3]城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范:CJJ 34—2010[S].

[4]肖益民，付祥釗.環(huán)狀供熱管網(wǎng)水力計(jì)算方法探討[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，28(11)：122-124.

[5]付祥釗，肖益民.流體輸配管網(wǎng)[M].3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

(本文責(zé)編：齊琳)

2017-04-27；

2017-05-27

TU 995

A

1674-1951(2017)07-0015-05

欒天華(1984—)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師，從事電力行業(yè)暖通設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail:luantianhua@163.com)。