關于市政供熱管網(wǎng)設計的探討

王玉虎，孫靜靜，程小松

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司西安分公司，西安 710018）

市政供熱設計的好壞，關系到市政供熱管網(wǎng)的施工質(zhì)量。為了保證城市供熱系統(tǒng)能夠更好地運行，為城市化建設打下堅實基礎，人們需要分析和總結供熱管網(wǎng)的設計要點，如供熱管網(wǎng)如何達到節(jié)能減排效果、如何進行熱力管道優(yōu)化設計等。本文圍繞市政供熱管網(wǎng)設計要點展開分析，合理計算和論證設計內(nèi)容，包括管道的連接方式、補償方式、熱網(wǎng)的設計理念以及熱力管道工程優(yōu)化設計等，力求使得市政供熱管網(wǎng)的設計更加科學、合理。

1 市政供熱管網(wǎng)設計概述

市政供熱管網(wǎng)主要集中在北方地區(qū)，優(yōu)化集中供熱管網(wǎng)，有助于不斷提高供熱質(zhì)量，降低污染，減少能耗。當前，各行業(yè)競爭日趨激烈，供熱企業(yè)要提升軟實力，占據(jù)更大的市場份額。同時，市政工程企業(yè)要不斷優(yōu)化集中供熱管網(wǎng)，提升市政公共服務功能。

1.1 市政熱力管道工程的設計原則

市政熱力管道工程的設計應遵循《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范》（CJJ 34-2010）和《發(fā)電廠汽水管道應力計算技術規(guī)程》（DL/T 5366-2014）等規(guī)定。設計階段，人們要掌握相關設計規(guī)范和規(guī)程，遵從熱網(wǎng)設計的原則，進行熱力工程設計。其主要對象是熱源至熱用戶之間的供熱管網(wǎng)，適用范圍為：熱水管道不能大于2.5 MPa，溫度不能大于150℃，蒸汽管道的壓力不能大于1.6 MPa，溫度不能大于350℃[1]。

1.2 市政熱力管道布置類型

部分供熱熱網(wǎng)以回收的工業(yè)余熱為熱源，可以采用多熱源運行的方式。例如，使用基本熱源聯(lián)網(wǎng)運行，隨著采暖季氣溫的變化，采用解列運行的方式，基本熱源投入使用后，分隔出部分的多熱源，然后進行尖峰熱源的劃分。隨著氣溫的變化，進行熱源分隔和管網(wǎng)范圍設定，在分別運行的狀態(tài)下，單個熱源往往用閥門分隔，可以進行分別供熱。

市政熱力管道的工程設計往往包括管道附件的設計，管件一般分為三通、彎管、變徑和直管等類型，采用一次性補償器、覆土后預熱的方式進行長直管段的補償設計。

市政供熱管網(wǎng)的布置，與用熱用戶、熱源以及熱煤的種類有一定關系。在進行布置時，要考慮到經(jīng)濟性和安全性，考慮系統(tǒng)的熱用戶分布區(qū)域。例如，考慮到市政熱力管網(wǎng)的布置，在設計網(wǎng)格狀管網(wǎng)時，設計必須符合供熱管網(wǎng)的實際需要，設計選用環(huán)狀還是枝狀，要考慮投資成本和管網(wǎng)質(zhì)量[2]。

1.3 采用多管制和雙管制

在進行市政熱力管道工程設計時，管網(wǎng)的形式可以采用多管制和雙管制。凝結水管是否設置要根據(jù)生產(chǎn)特點來進行設計?？紤]凝結水溶氧，要進行管道和設備的防腐設計。供熱調(diào)節(jié)方面，采用熱力站熱源集中調(diào)節(jié)和熱力入口局部調(diào)節(jié)的方式。對于有生產(chǎn)負荷的供熱系統(tǒng)，用熱設備單獨進行調(diào)節(jié)，采用局部調(diào)節(jié)的方式控制溫度變化。熱源采用閉式管網(wǎng)設計和流量設計的方式，對相應的回收溫度進行采集，采用熱負荷和不同溫度的熱力網(wǎng)流量曲線進行疊加，得到的大流量值作為設計流量進行設計。

2 市政供熱管網(wǎng)設計的相關參數(shù)

2.1 集中供熱管網(wǎng)輸配系統(tǒng)應進行水力計算

水力計算要根據(jù)管網(wǎng)管徑循環(huán)水泵和流量揚程等進行設計。分析管網(wǎng)系統(tǒng)中的壓力工況后，要確保用戶有足夠的壓頭進行工況分析，必要時還可以采用動態(tài)水力工況的分析方式，滿足連續(xù)性方程和壓力降方程的需求，按照小流量進行校核計算，同時對流量進行管線壓力和壓力允許值的計算。大高差、長距離的熱水輸送系統(tǒng)中除了進行靜態(tài)水力計算之外，還應進行動態(tài)水力計算。

2.2 采用彈性分析和極限分析

人們可以采用彈性分析和極限分析的方式，在峰值應力下，對管道局部結構熱應力產(chǎn)生的應力增量進行疲勞分析，運用溫度計算的方式，在計算管道特殊穿跨越時，要建模計算管件的受力強度。而布置管網(wǎng)時，主干線附近熱用戶密集，熱負荷大，管網(wǎng)要力求短直，盡量利用管道的自然彎角作為管道受熱膨脹的補償。運用補償器有補償敷設時，補償器的布置要充分考慮固定支墩的推力計算，優(yōu)化選型布置。

2.3 供熱管網(wǎng)設計要考慮抗震因素

考慮到抗震的需要，供熱管網(wǎng)設計遵循國家有關的供熱管網(wǎng)抗震參數(shù)規(guī)定，詳細論證管道設計、管網(wǎng)施工、材料選取等，采用抗震方法，運用先進的管理模式，在抗震指數(shù)提升上進行參數(shù)計算。例如，為了提升多熱源供熱系統(tǒng)的抗震性能，人們可以設計三種運行方式，由各個熱源分別供熱改為運用多熱源供熱系統(tǒng)，這種運行模式具有多個熱源，提高了供熱的可靠性[3]。

多熱源供熱系統(tǒng)的突出特點是：多熱源分別運行、多熱源解列運行、多熱源聯(lián)網(wǎng)運行。多熱源分別運行，隨著氣溫變化，基本熱源滿負荷后，逐步擴大或縮小分隔出的管網(wǎng)范圍，采暖期用閥門將供熱系統(tǒng)分隔成多個單熱源供熱系統(tǒng)，并隨氣溫變化，多熱源解列運行。采暖期，基本熱源首先投入運行，分隔出部分管網(wǎng)劃歸尖峰熱源供熱，使基本熱源在運行期間接近滿負荷運行。

3 市政熱力工程設計示例

下面以某市政工程供熱管網(wǎng)工程設計為例進行具體分析。設計期間，要估算和統(tǒng)計各類熱負荷的耗熱指標，公共建筑和居住區(qū)域采暖熱負荷較大，考慮到公共建筑和居住區(qū)內(nèi)綜合建筑混合的實際情況，設計時計算了混合區(qū)域的采熱熱負荷，得到了本采暖設計的最大熱負荷、最小熱負荷以及平均熱負荷。

根據(jù)年供熱需求，進行供熱介質(zhì)和熱力網(wǎng)形式的設計。根據(jù)城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范要求，將蒸汽和高溫熱水方案進行比對，決定采用高溫熱水方案，參照可行性研究報告，減少管網(wǎng)一次性投資，預制聚氨酯直埋保溫管道。熱力網(wǎng)選用支狀布置和環(huán)狀布置方式。供熱管網(wǎng)支狀布置造價低，運行簡單，隨著熱源距離的增加和用戶的減少，在不具備互補供熱性能的前提下，對供熱點的熱用戶進行供熱，要求建筑物有一定的蓄熱能力，同時能夠迅速消除熱網(wǎng)故障[4]。而環(huán)狀布置則采用環(huán)狀的主干線布置方式，在城市多熱源聯(lián)合供熱時，將熱源連接到主管網(wǎng)上，這種布置運行安全、管理可靠。

設計閥門時，分段閥門可以采用焊接蝶閥與焊接球閥，泄水和放氣閥則采用焊接球閥，以提高系統(tǒng)運行的安全性。為了防止室外管道輸送效率低，集中供熱管網(wǎng)按照設計要求進行均衡的流量設計，避免用戶損失較多熱能，從而保持管網(wǎng)系統(tǒng)的水力平衡。在實際運行中，往往管道中流動的水力工況十分復雜，因此設計階段要利用調(diào)節(jié)閥門對各支線進行流量調(diào)節(jié)，以達到系統(tǒng)的整體平衡[5]。

本工程設計具體勘測了老舊供熱管網(wǎng)存在的具體問題。結果發(fā)現(xiàn)，部分市政供熱管網(wǎng)由于架空敷設，缺少必要的維護，已經(jīng)出現(xiàn)保溫結構嚴重破損、管件及支架銹蝕的情況，部分支架出現(xiàn)傾斜、錯位；供熱管網(wǎng)和戶內(nèi)采暖系統(tǒng)年久失修，各種原因致使供熱管溝常年積水，造成管網(wǎng)保溫脫落、閥門銹蝕滲漏、補償器和支架腐蝕失效等，特別是在嚴寒期，供熱設施難以達到溫度要求，居民反應強烈；供熱管網(wǎng)缺乏質(zhì)量調(diào)節(jié)和能耗計量手段，造成水力工況失調(diào)，冷熱不均，而且沒有計量造成粗放運行、浪費嚴重。各個供熱單位自行管理，對供熱初調(diào)節(jié)不是很重視，約有70%的管網(wǎng)沒有設置調(diào)節(jié)裝置和計量裝置，水力失調(diào)現(xiàn)象十分普遍。根據(jù)勘測結果，設計中進行了供熱管網(wǎng)總體方案的論證。

3.1 供熱管網(wǎng)總體布局

供熱管網(wǎng)在進行布局時，要按照熱負荷情況進行總體規(guī)劃，不僅要考慮當前情況，也要對未來進行預測和規(guī)劃，所以實際設計既要符合實際情況，也要留下發(fā)展余地。

3.2 改變管網(wǎng)敷設方式

以前，供暖管道敷設主要采用地溝敷設和架空敷設方式，但是二者存在較多問題。管網(wǎng)敷設改造要考慮到降低造價、節(jié)約能源和保護環(huán)境，最終對地溝敷設供熱管道進行改造。供熱管道可以應用預制直埋保溫管，將聚氨酯硬質(zhì)泡沫保溫材料、聚乙烯保護殼和鋼管緊密地粘合，其社會效益和經(jīng)濟效益突出。

3.3 管道保溫材料和外保護殼改造

目前，直埋熱水管道大多采用聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料作為保溫材料，它的保溫效果較好，還具有一定的抗壓強度。改造供熱管道時，人們一般選擇高密聚乙烯套管作為外保護殼，其抗老化和防水效果較好。

3.4 熱力站改造、供熱計量及節(jié)能改造

為了調(diào)節(jié)供熱工況，每個熱力站的一次網(wǎng)側應裝設電動調(diào)節(jié)閥、差壓控制器和熱量表。每戶室內(nèi)重新敷設能實現(xiàn)分戶控制的室內(nèi)供熱管網(wǎng)，與樓道的單元供回水立管并聯(lián)，在連接每個用戶的供回水管線上加裝鎖閉閥。

3.5 水力失調(diào)的解決方法

集中供熱管網(wǎng)工作期間，當集中供熱系統(tǒng)無法滿足用戶熱量需求時，便會出現(xiàn)供熱的水力失調(diào)現(xiàn)象，使得管道初端和末端出現(xiàn)遠冷近熱現(xiàn)象。

為了解決水力失調(diào)，首先設計人員要認真核算熱負荷，縮小理論值與實際值的差距；在進行設備選型和管徑計算時，以實際的水溫和溫差為依據(jù)，選擇換熱設備，進行系統(tǒng)主干管和立管的水力計算；在設計系統(tǒng)走向時，應盡量縮短供熱主干管、支管的長度，減少沿程阻力。

其次要把握好供熱管道的聯(lián)網(wǎng)工作。要嚴格檢查建筑結構和建筑設備的構成和質(zhì)量，排除建筑結構中可能存在的安全隱患；供熱設備的施工要嚴格按照規(guī)范的施工工序一步步實施，施工期間要嚴格控制施工質(zhì)量，施工技術要合理、規(guī)范；對于熱力站、供水管網(wǎng)等核心部件的壓力情況，要進行系統(tǒng)、全面的管理和控制，及時有效地預防和處理其中存在的問題[6]。

4 結語

在市政供熱管網(wǎng)設計中，除了以上方案，為了保證管網(wǎng)系統(tǒng)運行的可靠性，人們還可以應用新設計理念，運用新材料、新技術。例如，選擇變頻調(diào)速技術，實現(xiàn)補水泵定壓，在地下水位較高的區(qū)域創(chuàng)新應用噴涂纏繞式預制保溫管，使用質(zhì)量好的板式換熱器，在散熱器上安裝熱量分配表和溫控閥。人們要綜合利用各項科學技術，打破傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)設計模式，進一步實現(xiàn)供熱工程的節(jié)能運行和精細化管理。