武昌熱電供熱管網(wǎng)水力工況分析及優(yōu)化

葛曉嵐　俞聰　高新勇

【摘 要】文章主要分析了武昌熱電一次管網(wǎng)壓損過大的原因，是由于一次管網(wǎng)中間管徑較小，產(chǎn)生喉部效應(yīng)，致使管網(wǎng)壓損過高。針對(duì)當(dāng)前實(shí)際供熱面積較小的問題，只需通過提高一次網(wǎng)供回水溫差來降低管網(wǎng)壓損；針對(duì)當(dāng)前接待供熱面積過高的問題，需對(duì)管網(wǎng)中間的喉部管段進(jìn)行改造。此次改造初投資受一次網(wǎng)供回水溫差的影響，一次網(wǎng)供回水溫差越高，所需擴(kuò)徑的管段長(zhǎng)度越小，管道改造的初投資就越少。

【關(guān)鍵詞】水力工況；壓損；供回水溫差；喉部效應(yīng)

【中圖分類號(hào)】TK26；TM621【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）04-0144-02

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展及節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的迫切需求，當(dāng)前分散式供熱鍋爐逐漸被淘汰，而熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方式越來越受到重視。近年來，雖然供熱技術(shù)水平得到了不斷的提高，運(yùn)行管理水平也有所提升，但供熱能耗高、運(yùn)行費(fèi)用高等問題仍然突出，這些問題降低了供熱的經(jīng)濟(jì)性，浪費(fèi)了能源。

在進(jìn)行供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化時(shí)，水力工況分析是高質(zhì)量的管網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行調(diào)度的必要條件[1]，也直接影響整個(gè)供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[2]。

本文結(jié)合武昌熱電廠的工程實(shí)例，分析說明水力計(jì)算在供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的重要性。

1 實(shí)例概況

1.1 機(jī)組現(xiàn)狀

武昌熱電公司總裝機(jī)規(guī)模為370 MW。一期工程第一套185 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組于2010年投產(chǎn)運(yùn)行。二期工程第二套185 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組于2015年投產(chǎn)運(yùn)行。

第一臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)最大供汽流量為160 t/h，供汽壓力為0.3～0.5 MPa，供汽溫度為220～260 ℃；第二臺(tái)機(jī)組的供汽壓力提升至1.0 MPa，供汽溫度為220～280 ℃；2套機(jī)組年供熱能力最大可達(dá)314 t/h。

1.2 采暖熱負(fù)荷

目前，武昌熱電熱網(wǎng)首站接待住宅小區(qū)面積為324.1萬m2，商業(yè)辦公面積為43.6萬m2，總接待面積為367.7萬m2。2016—2017年采暖季，住宅區(qū)實(shí)際供熱面積為117.8萬m2，商業(yè)區(qū)實(shí)際供熱面積為25.4萬m2，總計(jì)實(shí)際供熱面積為143.2萬m2，占總接待面積的58.25%。

根據(jù)當(dāng)前熱負(fù)荷增長(zhǎng)速率測(cè)算，2017—2018年采暖季，實(shí)際總供熱面積將達(dá)到209.3萬m2，供熱總接待面積可達(dá)到407.2萬m2。

1.3 一次管網(wǎng)現(xiàn)狀

目前，武昌熱電公司的供熱一次管網(wǎng)總長(zhǎng)約11.8 km，一次管網(wǎng)的管徑變化趨勢(shì)是DN600→DN500→DN450→DN400→DN450→DN500→DN600。受下游管網(wǎng)管徑不一致、局部段喉管的影響，管網(wǎng)在實(shí)際負(fù)荷下管網(wǎng)水力計(jì)算顯示：末端用戶水力工況難以保證用戶正常使用。目前，末端用戶采暖效果差，還會(huì)導(dǎo)致首站增加泵的運(yùn)行而引起電耗增加，出現(xiàn)此問題的原因是目前水泵揚(yáng)程為90 m，揚(yáng)程低，克服不了管網(wǎng)阻力。一次管網(wǎng)分段后，各管段的具體數(shù)據(jù)見表1。

2 水力計(jì)算分析方法

參考文獻(xiàn)[3]的水力計(jì)算方法，管道沿程阻力壓降可按下式計(jì)算：

公式（1）中，R為單位管長(zhǎng)的沿程損失，單位為Pa/m；Gt為管段的水流量，單位為t/h；d為管子內(nèi)直徑，單位為m；λ為管道內(nèi)壁摩擦阻力系數(shù)；ρ為水的密度，單位為kg/m3。

公式（2）中，K為管壁當(dāng)量絕對(duì)粗糙度，單位為m；K取值為0.5×10-3 m。

而管道局部阻力計(jì)算則可以折算成當(dāng)量長(zhǎng)度來計(jì)算，一般選擇0.2～0.4的比例系數(shù)（局部阻力/沿程阻力）來計(jì)算。

3 水力計(jì)算結(jié)果分析

3.1 按供熱面積計(jì)算

根據(jù)2016—2017年采暖季的一次網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行供回水溫度為95/55 ℃，計(jì)算得出一次管網(wǎng)壓損大于1.6 MPa，顯然不合理。本次計(jì)算選取一次網(wǎng)供回水溫差為50 ℃，即一次網(wǎng)供回水溫度為105/55 ℃。此外，局部阻力的比例系數(shù)選取0.3，計(jì)算結(jié)果見表2。

根據(jù)結(jié)果分析，一次管網(wǎng)總長(zhǎng)度為11.8 km，折算長(zhǎng)度為15.4 km，總流量為1 440 m3/h，單程總阻力為462.95 kPa，當(dāng)考慮熱網(wǎng)首站壓損及末端換熱站壓損時(shí)，一次網(wǎng)總壓損為1.13 MPa；由此可以得出，只需增大循環(huán)水泵的揚(yáng)程與流量，就能滿足一次管網(wǎng)的運(yùn)行要求。

3.2 按接待面積計(jì)算

由于當(dāng)前管路管徑分布不合理，當(dāng)選取以總接待供熱面積為基礎(chǔ)進(jìn)行水力分析時(shí)，考慮多種因素后，選取一次網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫差為60 ℃，即115/55 ℃。經(jīng)過水力計(jì)算，結(jié)果顯示總流量為2 333.90 m3/h，由于一次管網(wǎng)喉部的存在，致使管網(wǎng)壓損過高，單程總阻力為1 227.65 kPa，遠(yuǎn)超出供熱系統(tǒng)的運(yùn)行要求，特別是中間DN400的管路壓損占總壓損的46.3%，而該管段長(zhǎng)度僅為總長(zhǎng)的18.8%。

3.3 中間管段擴(kuò)徑計(jì)算分析

（1）按供回水設(shè)計(jì)溫差60 ℃計(jì)算。經(jīng)過水力分析，此時(shí)需擴(kuò)徑的管道為前端管徑較小的管路，即DN500、DN450、DN400、DN450，總長(zhǎng)度為5.6 km，各管段擴(kuò)徑及壓損情況見表3。擴(kuò)徑后水力計(jì)算結(jié)果顯示，單程總阻力損失為486.95 kPa，當(dāng)考慮熱網(wǎng)首站壓損及末端換熱站壓損時(shí)，一次網(wǎng)總壓損為1.17 MPa。

（2）按供回水設(shè)計(jì)溫差70 ℃計(jì)算。經(jīng)過水力分析，此時(shí)需擴(kuò)徑的管道為前端管徑較小的管路，即DN450、DN400、DN450進(jìn)行擴(kuò)徑改造，總長(zhǎng)度為3.0 km，各管段擴(kuò)徑及壓損情況見表4。擴(kuò)徑后水力計(jì)算結(jié)果顯示，單程總阻力損失為496.37 kPa，當(dāng)考慮熱網(wǎng)首站壓損及末端換熱站壓損時(shí)，一次網(wǎng)總壓損為1.19 MPa。

由此可見，當(dāng)一次網(wǎng)供回水溫差提升10 ℃時(shí)，需要擴(kuò)徑的管路長(zhǎng)度減少2.6 km，極大地降低了管網(wǎng)改造的初投資。

4 結(jié)語

本文主要分析了武昌熱電公司一次管網(wǎng)壓損過大的原因，是由于一次管網(wǎng)中間管徑較小，產(chǎn)生喉部效應(yīng)，致使管網(wǎng)壓損過高。針對(duì)當(dāng)前的實(shí)際供熱面積，只需通過提高一次網(wǎng)供回水溫差來降低管網(wǎng)壓損，使得管網(wǎng)供水壓力不超過設(shè)計(jì)壓力（1.6 MPa）。針對(duì)當(dāng)前接待供熱面積過高的問題，需對(duì)一次管網(wǎng)的中間喉部管段進(jìn)行改造，此時(shí)管段擴(kuò)徑改造的初投資受一次網(wǎng)供回水溫差的影響，一次網(wǎng)供回水溫差越高，所需擴(kuò)徑的管段長(zhǎng)度越小，管道改造的初投資就越少。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]黃建春，張貝.工程實(shí)例說明熱網(wǎng)運(yùn)行中的水力計(jì)算方法[J].區(qū)域供熱，2013（2）：19-26.

[2]秦芳芳.供熱管網(wǎng)水力計(jì)算模型研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2008.

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

[責(zé)任編輯：陳澤琦]