城市集中供熱管網(wǎng)中存在的問題及優(yōu)化設(shè)計

陳善堂

（濰坊市濱投分布式能源有限公司，山東濰坊 261000）

1 引言

近年來，我國城市集中供暖事業(yè)飛速發(fā)展，供熱形勢總體呈現(xiàn)良好狀態(tài)，2020 年，我國城市集中供熱面積已達到9.948×109m2，為城市經(jīng)濟與社會發(fā)展提供了充足的驅(qū)動力，也在一定程度上改善了社會大眾的生活條件。但是部分城市集中供熱管網(wǎng)仍然存在熱能浪費、防腐技術(shù)滯后等問題，對城市生產(chǎn)、社會大眾生活秩序均造成了不利影響。因此，面向城市集中供熱管網(wǎng)現(xiàn)狀探究存在的問題及優(yōu)化設(shè)計策略具有非常重要的意義。

2 集中供熱管網(wǎng)概述

集中供熱管網(wǎng)是由城鎮(zhèn)集中供熱熱源向熱用戶輸送、分配供熱介質(zhì)的管網(wǎng)系統(tǒng)，包括輸送干線、支線、輸配干線等部分。從本質(zhì)上而言，集中供熱是在工業(yè)生產(chǎn)區(qū)域或城市居民集聚區(qū)內(nèi)進行集中熱源的建設(shè)，經(jīng)集中熱源向?qū)?yīng)區(qū)域、周邊居民與企業(yè)提供生活用熱、生產(chǎn)用熱。集中供熱熱源主要為熱電聯(lián)產(chǎn)、燃?xì)忮仩t、區(qū)域燃煤鍋爐，與分散式的供熱相比，具有大氣污染程度低、燃料損耗率低、用地面積小、供熱質(zhì)量高、噪聲低、自動化程度高、設(shè)備故障率低的優(yōu)勢，適用于我國北方人口密度高、用熱面積大的城市居民用熱以及工業(yè)園區(qū)集中供熱。

3 城市集中供熱管網(wǎng)布局特點

我國城市集中供熱管網(wǎng)布局多依據(jù)地形地質(zhì)條件、發(fā)展規(guī)劃以及熱負(fù)荷分布情況布置成枝狀，部分情況下也在干線之間進行連通管線的設(shè)置，以提高管網(wǎng)供熱可靠性，或者將干線布置為環(huán)狀實現(xiàn)熱源的相互備用。枝狀集中供熱管網(wǎng)布局、環(huán)狀集中供熱管網(wǎng)布局的特點以及優(yōu)缺點見表1。

表1 我國集中供熱管網(wǎng)布局的特點計及優(yōu)缺點

除上述特點外，因我國城市集中供熱管網(wǎng)規(guī)模較大，需要進行多結(jié)構(gòu)層次的劃分。即在負(fù)責(zé)連接熱源、區(qū)域熱力站的一級輸送管網(wǎng)設(shè)置的基礎(chǔ)上，設(shè)置以熱力站為起點的向各熱用戶輸送熱媒的二級分配管網(wǎng)[1]。其中，一級輸送管網(wǎng)決定供熱管網(wǎng)形式，在其為環(huán)狀時，集中供熱管網(wǎng)為環(huán)狀管網(wǎng)，在其為枝狀時，集中供熱管網(wǎng)為枝狀管網(wǎng)；二級管網(wǎng)多為枝狀管網(wǎng)，滿足熱能由熱力站向1 個或多個街區(qū)建筑物分配的要求。

4 城市集中供熱管網(wǎng)中存在的問題

4.1 保溫問題

在城市集中供熱管網(wǎng)中，換熱站負(fù)責(zé)將熱水加熱到一定溫度，但是在熱水出換熱站沿管道流動過程中，會持續(xù)將熱量散失到低溫度的管道周邊介質(zhì)內(nèi)，促使熱水溫度持續(xù)向低水平發(fā)展[2]。除了保溫材料選用不當(dāng)（保溫材料熱導(dǎo)率較大）、保溫層厚度較小、管道頂部覆土埋深較小外，設(shè)計時保溫管道外徑設(shè)計不當(dāng)也會導(dǎo)致集中供熱管道保溫問題的出現(xiàn)[3]。一般在保溫管道外徑較大時，管道內(nèi)水、管壁接觸的表面積也處于一個較大的數(shù)值，致使熱量散失表面積增加，管道內(nèi)水熱量向管道外傳遞增加，熱損失也增加。

4.2 防腐問題

在城市集中供熱管網(wǎng)設(shè)計過程中，防腐層設(shè)計對管道防腐性能具有直接的影響。當(dāng)前城市集中供熱管網(wǎng)防腐層設(shè)計的可行性有待提高[4]。部分設(shè)計人員盲目選擇提高防腐級別的方法，導(dǎo)致具體工藝操作過程中無法達到設(shè)計與應(yīng)用要求；部分設(shè)計人員沒有結(jié)合實際運行環(huán)境以及工程情況進行設(shè)計，而是進行其他管道防腐層設(shè)計的直接套用，導(dǎo)致防腐層與管道不匹配問題頻繁出現(xiàn)；部分設(shè)計人員從技術(shù)難度控制、成本控制視角著手直接選擇普通級防腐層，致使防腐設(shè)計效果落后于防腐要求，極易致使集中供熱管道受外界環(huán)境影響而損壞，干擾集中供熱效果。

5 我國集中供熱管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計

5.1 建立管網(wǎng)優(yōu)化模型

在集中供熱管網(wǎng)設(shè)計過程中，設(shè)計人員不僅需要考慮初始投資額與施工技術(shù)，而且需要考慮管網(wǎng)運行過程中的能量輸送損失，依據(jù)管網(wǎng)分流節(jié)點水力平衡、水力穩(wěn)定性佳、初始投資最小、流體形成壓力損失與散失損失最小的原則，優(yōu)選管道管徑、保溫層厚度以及保溫材料，促使集中供熱管道可以向用戶提供所需的熱負(fù)荷[5]。基于此，可以從熱能輸送視角入手，進行優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型的搭建。假定集中供熱管網(wǎng)輸送熱能過程中散熱損失主要源于流體與環(huán)境的溫差、流體與管壁的摩擦，將能量量綱、能量損失的量綱分別作為節(jié)能性、經(jīng)濟性量綱。將管徑以及所通過流體流量一定的一段管道視為一個管段，此時，經(jīng)一段時間運行后，供熱管網(wǎng)內(nèi)部熱水流動速度較為平穩(wěn)，同時，存在壓力損失、散熱損失，結(jié)合平衡方程可知，進口位置熱量為E1、壓力E2與機械E3相加后的和為熱水在進口位置的。出口位置熱量為、壓力與機械相加后的和為熱水在出口位置的，熱水損失能量E0為：

在管段一定時，管道各截面熱量流動速度與管道標(biāo)高無差異，而進出口位置壓力、熱量僅與流量、年運行時間相關(guān)。除此之外，保溫工程投資費用也是集中供熱管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的重要組成，由管道材料與施工費用、保溫材料與施工費用、保護層材料與施工費用組成，與管道外徑、保溫材料外表面直徑、保溫層厚度也具有較大關(guān)系。

5.2 保溫優(yōu)化

在集中供熱管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計模型構(gòu)建完畢后，為確定各參數(shù)，需要結(jié)合具體供熱管網(wǎng)設(shè)計項目進行核算[6]。以某集中供熱一級網(wǎng)主管道設(shè)計為例，擬設(shè)置2 供2 回供熱管道DN1 400 mm，數(shù)量為4 根，單根管道設(shè)計流量為15 500 t/h，總循環(huán)流量31 000 t/h。中繼能源站位于主管道末端，與市區(qū)管道間接相連接。始端、中繼能源站之間一級主管道設(shè)計溫度為135/30 ℃，設(shè)計壓力為2.6 MPa；中繼能源站、尾端之間設(shè)計溫度為120/25 ℃，設(shè)計壓力為1.8 MPa，主管線輸送距離為40.0 km，直埋敷設(shè)20.5 km，其余為架空敷設(shè)。擬設(shè)計供熱規(guī)模為8.200×107m2，采暖綜合熱指標(biāo)與計算熱負(fù)荷分別為55 W/m2、4 125 MW。根據(jù)工程供熱要求可以選擇的直埋敷設(shè)供熱管網(wǎng)材料為高密度聚乙烯外護管聚氨酯3 層結(jié)構(gòu)（HCFC141b 體系）。硬質(zhì)泡沫塑料預(yù)埋直埋保溫管，為工作鋼管層+聚氨酯保溫層+高密度聚乙烯保護層，架空管道保溫材料為小容重、可預(yù)制、熱損失小、價格低廉的離心玻璃棉管殼。

在保溫材料確定后，計算0.001～0.150 m 聚氨酯硬質(zhì)泡沫、離心玻璃棉的初投資，尋找保溫效果最好且總費用小的厚度組合。得出：在直埋管道保溫層厚度為0.066 m、架空管道保溫層厚度為0.095 m 時，供熱管道年均總費用最低。此時，室外日平均溫度在-11～-3 ℃時，直埋管供水溫度在117.9～129.45 ℃，回水溫度在27.1～27.6 ℃；架空管線供水溫度在118.2～128.9 ℃，回水溫度在28.6～28.9 ℃，供水管道總散熱損失在17.856～22.052 MW，可以保障經(jīng)濟保溫厚度下整個采暖季節(jié)的總耗熱量在規(guī)定限度內(nèi)。

此外，在管網(wǎng)布局為枝狀時，設(shè)計人員可以確定一個管網(wǎng)主干線，對熱用戶（熱力站）管網(wǎng)各分流節(jié)點進行編號，熱源為0，由熱源順流動方向分流節(jié)點逐次為1，2，…，m-1，相應(yīng)的管段依次記錄為L1，L2，…，Lm，依據(jù)設(shè)計熱流量、分流節(jié)點流量平衡原則可以進行管段設(shè)計流量的求解[7]。進而由主干線末端管段開始，在前期設(shè)定約束條件下，進行管徑選擇，確保m-1 節(jié)點位置的支管管線總費用、主干線末端管段總費用相加值處于最小水平。同理，選擇管徑，促使m-2 節(jié)點位置支管管線總費用、主干線末端管段總費用相加值處于最小水平，最終得到主干線的最少總費用對應(yīng)的最優(yōu)管徑。由最小二乘法可知，單位長度管道的造價與管徑之間的關(guān)系為：

式中，di為公稱直徑；f（di）為單位造價。由式（2）可以確定管網(wǎng)直徑以及對應(yīng)的管網(wǎng)費用。比如，在管網(wǎng)公稱直徑為1 400 mm時，管道的造價為840.0 萬元/km。

5.3 防腐優(yōu)化

在集中供熱管網(wǎng)中，水中溶解氧濃度、水的酸堿度、水的溫度等因素均對管道腐蝕具有影響，除此之外，管周濕度過大也會增加供熱管網(wǎng)外腐蝕[8]。因此，除了選擇小吸水性的保溫材料外，設(shè)計人員還可以在供熱管網(wǎng)外保護層中增設(shè)防水層，阻卻外界水進入保溫層的通道。同時，控制介質(zhì)溫度，避免高溫送熱加速管道內(nèi)腐蝕。在這個基礎(chǔ)上，增設(shè)額外的除氧系統(tǒng)以及pH 調(diào)節(jié)裝置，降低水中溶解氧濃度，并保證供熱管網(wǎng)pH處于合理范圍內(nèi)。根據(jù)亨利定律，氧在水中溶解度、接觸氣體中氧分壓呈正相關(guān)，通過在噴射器內(nèi)將準(zhǔn)備除氧水、已脫氧氣體強烈混合可以促使溶解于室內(nèi)的氧擴散到氣體，達到除氧目的。噴射器進口水壓對除氧效果具有直接的影響，因此，設(shè)計人員應(yīng)優(yōu)先選擇揚程處于0.55 MPa 左右的除氧泵，并設(shè)定除氧泵流量為補給水流量的1.25 倍。同時，將止回閥、閘閥（常開）安裝在除氧解析器、水箱之間，保證除氧防腐效果。

6 結(jié)語

綜上所述，作為寒冷地區(qū)城鄉(xiāng)居民的基本生活需求之一，城市供熱在基礎(chǔ)建設(shè)投資力度增加、城鎮(zhèn)化建設(shè)加速、供熱需求持續(xù)增長的推動下快速發(fā)展，集中供熱管網(wǎng)部署面積穩(wěn)定增長。我國城市集中供熱管網(wǎng)布局具有典型的枝狀+環(huán)狀布局特點，受多種因素影響，存在保溫、防腐等問題，需要設(shè)計人員綜合考慮各種因素，構(gòu)建集中供熱管網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型。在模型中求解最佳保溫材料、最佳保溫層厚度以及管道直徑、防腐層除氧泵參數(shù)，保證集中供熱管網(wǎng)保溫、防腐問題的有效解決。