熱水供熱長距離輸送技術(shù)

陳繼平，劉 沖

(中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001)

隨著“十三五”規(guī)劃的實(shí)施，清潔能源供熱得到推廣應(yīng)用。在所有能源應(yīng)用中，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱是能源利用最為合理，也是大面積集中供熱最可行的一種方式。城鎮(zhèn)供熱應(yīng)以熱電聯(lián)產(chǎn)為主，其它清潔能源為輔。截止2016年底，我國北方地區(qū)城鄉(xiāng)供暖總面積2.06×1010m2，其中：城鎮(zhèn)供暖面積1.47×1010m2，農(nóng)村供暖面積6.5×109m2。用能結(jié)構(gòu)以燃煤為主，占83%，其它能源占17%，總用能折標(biāo)煤4×108t/a(城鎮(zhèn)用2×108t/a，農(nóng)村用2×108t/a)。而北方地區(qū)的電力、鋼鐵、水泥等3.0×108t標(biāo)煤的低品位余熱資源沒有利用。理論上講，將這些余熱利用可解決北方地區(qū)3/4的供熱面積，而且用能成本比較低。在這些余熱利用中，火力發(fā)電廠是主力軍，而火力發(fā)電廠中熱電機(jī)組的余熱利用率平均不到50%，大型純凝機(jī)組還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有開發(fā)利用，開發(fā)潛力極大。

一方面電廠熱能沒有被充分利用，另一方面城鎮(zhèn)和農(nóng)村又嚴(yán)重缺乏熱源，不得不使用大型的燃煤鍋爐、燃?xì)?、電力作為熱源。造成這種能源不能合理利用的主要原因是輸送距離。由于余熱所在地距離大中型城市比較遠(yuǎn)，如果不善加利用，將其長途輸送到目的地，無論從投資和運(yùn)行成本上都是不經(jīng)濟(jì)的，因此，如何整合資源，將余熱合理規(guī)劃利用，形成熱源、熱力公司、用戶都能共贏的局面是長距離熱水輸送供熱管網(wǎng)研究的課題。

1 長距離輸送供熱管網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)

長輸供熱有別于傳統(tǒng)供熱管網(wǎng)技術(shù)，其特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)。

1.1 大溫差技術(shù)

由于供熱管線長，管道的輸送電耗增加，要求每噸循環(huán)水?dāng)y帶的熱量要盡可能多，如傳統(tǒng)的供熱熱媒參數(shù)是130/70℃、120/60℃、110/50℃，溫差最大60℃，而長距離供熱管線一般選取的熱媒參數(shù)為130/20、120/20、90/15℃，溫差75℃～110℃，比傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱的輸送能力大25%～80%。如太原至古交長輸管線熱媒參數(shù)130/30℃，供回水溫差100℃。

1.2 低溫回水技術(shù)

傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱回水溫度45℃～55℃，而長輸供熱為了充分利用火力發(fā)電廠余熱，需要將回水溫度降到35℃～15℃，以便得到更多的余熱，取得更經(jīng)濟(jì)的熱價。降低回水溫度的方法有以下幾種。

1.2.1 熱力站設(shè)置大溫差熱水型溴化鋰換熱機(jī)組

在用戶熱力站處安裝吸收式換熱機(jī)組，用于替代常規(guī)的水-水換熱器，在不改變二次網(wǎng)供回水溫度的前提下，降低一次網(wǎng)回水溫度至25℃左右(顯著低于二次網(wǎng)回水溫度)，熱網(wǎng)供回水溫度由原來的130/70℃變?yōu)?30/25℃，輸送溫差是原來的1.75倍，同等管徑下熱力輸送能力也是原來的1.75倍，由此大幅度的降低了熱網(wǎng)投資和運(yùn)行費(fèi)用。

1.2.2 熱力站設(shè)置電動水源熱泵降溫方式

在傳統(tǒng)熱力站板式換熱器一級網(wǎng)回水側(cè)串聯(lián)電動水源熱泵，將一級網(wǎng)的回水降到35～20℃，有利于熱電廠乏汽充分利用，原有熱力站可增容40%左右。

1.2.3 熱力站混水降溫方式

當(dāng)用戶側(cè)二級網(wǎng)回水溫度比較低，在熱力站可采用一級網(wǎng)供水與二級網(wǎng)回水混和，做為二級網(wǎng)供水，二級網(wǎng)多余回水進(jìn)入一級管網(wǎng)的回水干管中。

熱力站混水降溫由于采用直接混水換熱，換熱效率高，占地少，投資少。

1.2.4 利用熱泵集中回水降溫方式

在一級網(wǎng)回水總管上設(shè)置大型電動或汽動熱泵將回水溫度由45℃～55℃降低到35℃～25℃返回火力發(fā)電廠，提取的余熱經(jīng)過熱泵做功后將二級網(wǎng)回水加熱到85℃～110℃，可獨(dú)立向附近的供熱區(qū)域供熱。

1.3 支架隔熱技術(shù)

長輸供熱管線支架的熱耗約占管網(wǎng)輸送熱耗的10%～15%左右，采用隔熱支架可顯著降低輸送熱耗，古交電廠至太原長輸供熱管線由于采用了隔熱支架，37.8 km的溫降小于1.5℃，節(jié)能效果顯著。

1.4 火力發(fā)電廠余熱梯級利用

長輸供熱經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在火力發(fā)電廠的余熱利用是否充分，長輸供熱將回水降低到35℃以下，一方面拉大供回水溫差，增加熱能輸送能力，一方面可將電廠的余熱梯級利用，如太古長輸供熱項目中，根據(jù)溫度對口、梯級利用的用能原則，供熱管網(wǎng)的回水順序經(jīng)過古交電廠6#機(jī)組、5#機(jī)組、4#機(jī)組、3#機(jī)組、2#機(jī)組、1#機(jī)組熱網(wǎng)凝汽器，根據(jù)機(jī)組的不同背壓逐級提升溫度，達(dá)到乏汽余熱梯級利用的目的，將火力發(fā)電廠采暖季機(jī)組能源效率提高到85%以上，使供熱成本大幅降低，為長輸供熱項目提供了良好的經(jīng)濟(jì)性，使火力發(fā)電廠、熱力公司、用戶互惠互利。

2 熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)設(shè)計要點(diǎn)

熱水長距離輸送工程項目，目前在國內(nèi)運(yùn)行的還不多，設(shè)計、施工、運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)也不足，為確保系統(tǒng)的安全性，應(yīng)重視以下幾個方面的工作。

2.1 應(yīng)力計算

熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)的管徑往往大于DN1200，已超出CJJ/T81—2013《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》適用范圍，從保證熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，建議管道材質(zhì)和管徑壁厚的選擇及應(yīng)力計算在滿足中國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CJJ34《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》和CJJ/T81《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》要求的同時，兼顧歐洲EN13941標(biāo)準(zhǔn)、俄羅斯GOST55596標(biāo)準(zhǔn)。

就管道的強(qiáng)度分析而言，中國標(biāo)準(zhǔn)和俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)都采用了應(yīng)力分類分析法，歐洲標(biāo)準(zhǔn)采用了極限荷載法，以下為國內(nèi)外集中供熱設(shè)計規(guī)范的適用條件：

(1) 中國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CJJ34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》，該規(guī)范適用于供熱熱水介質(zhì)設(shè)計壓力小于等于2.5 MPa，設(shè)計溫度小于或等于200℃；供熱蒸汽介質(zhì)設(shè)計壓力小于或等于1.6 MPa，設(shè)計溫度小于或等于350℃城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計。該規(guī)范規(guī)定架空管道的應(yīng)力計算按照現(xiàn)行《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算技術(shù)規(guī)程》DL/T5366的規(guī)定執(zhí)行，直埋敷設(shè)熱水管道按照現(xiàn)行《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》CJJ/T81的規(guī)定執(zhí)行。

(2) 中國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T81—2013《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》，該規(guī)程適合于設(shè)計溫度小于或等于150℃、設(shè)計壓力小于或等于2.5 MPa、管道工程直徑小于或等于1200 mm城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道的設(shè)計、施工、驗(yàn)收和運(yùn)行管理。

(3) 歐盟 EN13941—2009《design and installation of preinsulated bonded pipe systems for distrect heating》，該標(biāo)準(zhǔn)適合于直埋熱水管道，直徑限制在1000 mm以內(nèi)，材料屈服局限在235 MPa。

(4) 俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)GOST55596—2013《District heating networks standards for stress and seismic analysis》，該規(guī)范涵蓋了架空和直埋兩種敷設(shè)形式的熱水管道設(shè)計，管徑和材料沒有限制。

2.2 水錘防范

在壓力管道中因流速劇烈變化引起動量轉(zhuǎn)換，從而在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象，稱為水錘現(xiàn)象。水錘對熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)的安全性威脅最大，按水錘成因的外部條件，可分為啟動水錘、管閥水錘、停泵水錘。熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)按動態(tài)水力計算的要求關(guān)閉閥門、變頻啟停循環(huán)泵、合理設(shè)置逆止閥、泄壓裝置可避免啟動水錘和關(guān)閥水錘的產(chǎn)生。

由于熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)根據(jù)水力計算工況，往往要設(shè)置多級中繼泵，各級中繼泵在實(shí)際運(yùn)行工程中的各種故障停泵在所難免，有時已超出人力和現(xiàn)有技術(shù)控制的范圍，因此，故障停泵水錘產(chǎn)生的危害應(yīng)重點(diǎn)防范。

2.2.1 故障停泵水錘的防范措施

熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)在注水時往往會有大量的空氣進(jìn)入管網(wǎng)中，在運(yùn)行過程中，排氣設(shè)施不能及時排氣會形成水柱分離(氣)，或由于管網(wǎng)在運(yùn)行過程中由于定壓失效造成的水柱分離(汽)，在流速發(fā)生劇烈變化時，都可能會產(chǎn)生對管網(wǎng)最具危害性的斷流彌合水錘，也是熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)防范的重點(diǎn)工作。

(1) 設(shè)置有效的排氣裝置

熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)在注水時，會有大量空氣進(jìn)入管網(wǎng)中，尤其在加熱水體時，大量空氣會從水體中逸出，在管網(wǎng)的高點(diǎn)大量聚氣，形成水柱分離(氣)，如果高點(diǎn)的排氣裝置設(shè)置不合理，不能及時排出空氣，就有產(chǎn)生斷流彌合水錘的隱患，因此高點(diǎn)排氣裝置應(yīng)選擇大排量的手自動兼顧的集氣排氣裝置。

(2) 定壓方式

熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)由于管網(wǎng)距離長，沿途敷設(shè)起伏變化大，同時又有多級中繼泵站，當(dāng)定壓方式和定壓位置選擇不合理，在管網(wǎng)中容易形成汽化現(xiàn)象，形成水柱分離(汽)，可能產(chǎn)生斷流彌合水錘的隱患。在熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)的合適位置建議采用大型膨脹水箱定壓(最好兼顧做儲水、蓄熱功能)。一方面大型膨脹水箱比其它定壓方式穩(wěn)定，另一方面定壓點(diǎn)多選在高點(diǎn)，可將管網(wǎng)中的氣體從水箱中及時排出。大型膨脹水箱還可以兼顧蓄水、蓄熱功能，對系統(tǒng)故障后及時補(bǔ)水及協(xié)調(diào)晝夜熱電負(fù)荷都有非常好的作用，融系統(tǒng)的定壓、排氣、蓄水、蓄熱、協(xié)調(diào)熱電平衡為一體，可謂一舉多得。

(3) 動態(tài)水力計算

熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)安全性威脅最大的是各類水錘的破壞，因此，要通過動態(tài)水力計算，模擬分析各種啟停泵工況、開關(guān)閥工況及各種停泵組合工況下，分析水錘的作用。通過動態(tài)水力分析，優(yōu)化供熱管網(wǎng)及中繼泵站的位置、數(shù)量及水錘防止措施，有效避免各類水錘對熱網(wǎng)的破壞。

2.3 熱媒參數(shù)的選擇

熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)考慮到輸熱電耗和經(jīng)濟(jì)性，通常供回水溫差比常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱溫差大，但供回水溫度如何選擇需要根據(jù)躉售及直供熱價、近遠(yuǎn)期供熱面積及熱力站降溫型式等因素確定。

供水溫度越高，溫差越大，單位循環(huán)流量攜帶的熱量越大，耗電輸熱比越小，但是供水溫度越高，電廠的供熱成本也越高；適當(dāng)降低供回水溫度可以降低電廠供熱成本，同時也有利于沿途其它工業(yè)余熱的利用。但是，由于降低供水溫度會同時降低供回水溫差，耗電輸熱比增加。因此，一定要根據(jù)工程的具體特點(diǎn)，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定合理的供回水溫度。

2.4 火力發(fā)電廠余熱利用型式

熱水長距離輸送供熱管網(wǎng)采用大溫差供熱，除了增加單位循環(huán)流量攜帶的熱量，降低耗電輸熱比外，通過降低回水溫度，有效利用火力發(fā)電廠的各種余熱，降低供熱成本。

火力發(fā)電廠余熱類型有汽輪機(jī)冷端乏汽冷凝熱、煙氣余熱、輔機(jī)冷卻循環(huán)水等余熱，其中汽輪機(jī)冷端乏汽冷凝熱所占比例最大，目前應(yīng)用也最成熟。余熱利用的設(shè)備有吸收式熱泵、壓縮式熱泵、噴射式熱泵、熱網(wǎng)凝汽器、換熱器。余熱利用的方案組合和選擇也是多種多樣的。要結(jié)合每個工程的特點(diǎn)，經(jīng)過多種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

3 結(jié)語

(1) 長輸供熱技術(shù)符合目前清潔能源供熱的要求，將火力發(fā)電廠及沿途排放到大氣中的廢熱回收利用，一方面減少了廢熱排放帶來的環(huán)境污染，另一方將這些廢熱變廢為寶，在滿足熱用戶用熱的同時又替代了當(dāng)?shù)卮罅康娜济哄仩t，節(jié)能減排效果十分顯著。

(2) 長輸熱水供熱管網(wǎng)由于投資大，管網(wǎng)輸熱電耗大，因此，要合理規(guī)劃熱源、管網(wǎng)、熱用戶，在技術(shù)可行的前提下，確保在投資收益、運(yùn)行成本、用戶熱價上都是經(jīng)濟(jì)可行的，形成熱源、投資、運(yùn)行及用戶都能共贏的局面。

(3) 長輸熱水管網(wǎng)要重視應(yīng)力計算和動態(tài)水力計算，采取合理措施，做好安全防護(hù)，避免水錘發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

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