伊敏露天礦同程供熱管網(wǎng)改造方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選

王愛(ài)愛(ài)

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

伊敏露天煤礦礦區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷漫長(zhǎng)，年平均氣溫－1.9 ℃，極端最低氣溫－39.9 ℃，每年9 月下旬到翌年4 月下旬為冰凍期，采暖天數(shù)為208 d[1]。2020 年伊敏露天礦核增產(chǎn)能，新建地面生產(chǎn)系統(tǒng)供熱負(fù)荷新增6 629 kW，擬接入既有熱力網(wǎng)（伊敏電廠露天礦熱力網(wǎng)）。該熱力網(wǎng)始建于2003 年，是同程式環(huán)狀管網(wǎng)，供熱面積83.07 hm2，屬于直供熱網(wǎng)，主管道總長(zhǎng)度16.5 km，供熱用戶為9 家管理單位。常年熱平衡失調(diào)，每年夏檢后需要進(jìn)行水力及熱力平衡調(diào)整，浪費(fèi)大量人力物力。為保證新增生產(chǎn)系統(tǒng)供暖效果并同時(shí)改善原有用戶的供熱現(xiàn)狀，需對(duì)該熱力網(wǎng)進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)后，給出經(jīng)濟(jì)可行合理的改造方案。

1 工程概況

1.1 熱煤參數(shù)

露天網(wǎng)供熱用戶為9 家管理單位，包括露天礦所有建筑物、種植處、機(jī)修處、組裝場(chǎng)、電廠輸煤系統(tǒng)、電廠除灰系統(tǒng)、供應(yīng)處油庫(kù)、白灰廠等建筑物。其中，電廠進(jìn)戶管轄167 個(gè)，露天礦管轄57 個(gè)，其它各單位管轄34 個(gè)進(jìn)戶，總計(jì)258 個(gè)。系統(tǒng)有2 次換熱站3 個(gè)，包括露天礦換熱站、機(jī)修處換熱站及供應(yīng)處油區(qū)換熱站。系統(tǒng)2 次增壓裝置4 套，包括753 高地展覽館、組裝廠增壓系統(tǒng)、輸煤更改工程2.5 期緩沖倉(cāng)及二期緩沖倉(cāng)增壓系統(tǒng)。伴熱系統(tǒng)37 處，使用露天網(wǎng)做為2 次網(wǎng)補(bǔ)水1 處，即油區(qū)換熱站。

現(xiàn)露天網(wǎng)安裝2 臺(tái)管殼式加熱器，單臺(tái)換熱面積960 m2，配套單級(jí)雙吸離心泵額定流量2 250 t/h，揚(yáng)程115 m，配套電動(dòng)機(jī)為YKK4505－4 型，配套電動(dòng)機(jī)額定功率710 kW。1 次熱網(wǎng)設(shè)計(jì)水側(cè)參數(shù)110/70℃，設(shè)計(jì)汽側(cè)參數(shù)0.4 MPa/200 ℃，水側(cè)工作壓力0.86 MPa，設(shè)計(jì)負(fù)荷105 000 kW。原管網(wǎng)的供水干管和回水干管均為9.6 km 的同程管網(wǎng)。從首站經(jīng)約6 km 供水管給露天礦后經(jīng)6 km 回水管的同程系統(tǒng)接入首站，露天礦位于整個(gè)同程系統(tǒng)的中間位置。

1.2 首站供熱能力校核

依據(jù)原設(shè)計(jì)一次熱網(wǎng)參數(shù)110/70 ℃，40 ℃的溫差進(jìn)行流量計(jì)算。熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1，新增生產(chǎn)系統(tǒng)納入露天網(wǎng)后，總的熱負(fù)荷為99 141 kW，水側(cè)流量需求為2 132 t/h，加熱器換熱面積需求為1 020 m2。首站內(nèi)露天網(wǎng)離心泵流量2 250 t/h 和加熱器換熱面積960 × 2 m2均滿足需求。

表1 熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

1.3 供熱管網(wǎng)運(yùn)行工況

首站內(nèi)露天網(wǎng)流量最高運(yùn)行至1 960 t/h，供回水溫度90/60 ℃，供回水壓力0.89/0.24 MPa；電廠院內(nèi)建筑物供熱效果很好，分支回水溫度最高達(dá)到80℃。首站循環(huán)泵額定流量2 250 t/h，揚(yáng)程115 m，但實(shí)際加壓運(yùn)行無(wú)法實(shí)現(xiàn)，電廠院內(nèi)分支一（DN300）DN150 旁通管處反應(yīng)強(qiáng)烈，散熱器承壓過(guò)高。除灰走廊供暖效果好，露天礦供暖一般，但未出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象；組裝場(chǎng)末端建筑物不熱，大力流量分配調(diào)節(jié)后仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)供暖效果。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖布點(diǎn)測(cè)量流量及壓力，得出的水力失調(diào)度見(jiàn)表2。

表2 水力失調(diào)度表

熱網(wǎng)供回水設(shè)計(jì)溫度110/70 ℃，實(shí)際運(yùn)行90/60 ℃，實(shí)際運(yùn)行溫差小于設(shè)計(jì)溫差，總流量相近。從表2 可以看出，電廠內(nèi)分支和除灰走廊實(shí)際流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于需求，而露天礦、組裝場(chǎng)、露天礦后直供建筑物實(shí)際流量小于需求量，水力失調(diào)嚴(yán)重。相對(duì)露天礦，電廠分支短路，旁通管調(diào)節(jié)減少電廠分支流量已達(dá)極限，電廠外流量并未得到改善。原因是電廠院內(nèi)分支流量分配過(guò)于充足，回水溫度高于設(shè)計(jì)溫度。露天礦、組裝場(chǎng)流量嚴(yán)重不足，若新增生產(chǎn)系統(tǒng)直接接入熱網(wǎng)，不進(jìn)行改造，無(wú)法實(shí)現(xiàn)水力平衡；所以要想實(shí)現(xiàn)水力穩(wěn)定性，需解決流量分配和管道管徑受限的問(wèn)題。

2 熱網(wǎng)改造方案

本管網(wǎng)運(yùn)行20 余年，管道及散熱設(shè)備腐蝕程度不清楚，從安全角度出發(fā)，使改造后的管網(wǎng)仍在原運(yùn)行壓力（最高壓力不超過(guò)0.89 MPa）范圍內(nèi)。本改造方案從最小的投資角度出發(fā)，驗(yàn)證技術(shù)可行性。①保證新增生產(chǎn)系統(tǒng)的供熱效果；②解決水力失調(diào)嚴(yán)重的局部用戶（露天礦、組裝場(chǎng)、電廠大分支）水力平衡，即流量分配問(wèn)題。依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，綜合考慮，共給出6 種改造方案。

2.1 管網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)及路由

供熱管道DN600 從首站接出后，沿管架向西敷設(shè)約1.5 km，接出分支DN250，主干線變成DN500沿除灰走廊約3.5 km 后，除灰走廊分支繼續(xù)向西，主干線轉(zhuǎn)向北1 km 后管徑變?yōu)镈N400 直供露天礦部分建筑物后轉(zhuǎn)向東約300 m 處接露天礦換熱站分支，分支后主干線DN400 繼續(xù)向東一直敷設(shè)至6 號(hào)轉(zhuǎn)載站，管徑變?yōu)镈N250 繼續(xù)向東敷設(shè)至110 轉(zhuǎn)和7＃轉(zhuǎn)結(jié)束。供熱管網(wǎng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)表

回水管DN350 從除灰走廊5 段起沿除灰走廊方向與供水干管平行直埋敷設(shè)，在供水管轉(zhuǎn)北向處，回水管同步轉(zhuǎn)向，管徑也變?yōu)镈N400 一直平行供水管敷設(shè)至露天礦換熱站分支后約500 m 處變?yōu)? 根DN300 和1 根DN250。變徑后接入沿線直供建筑物的回水，在機(jī)修處后回水管變回1 根DN400 一直向東敷設(shè)至6 號(hào)轉(zhuǎn)載站西側(cè)約75 m 處接入6＃轉(zhuǎn)等建筑物的回水后變徑為DN500 向南平行于輸煤1＃甲乙棧橋敷設(shè)至與除灰走廊4 段垂直交叉點(diǎn)，DN500回水管經(jīng)交叉點(diǎn)后沿供水干線相同路由接至供水管直埋轉(zhuǎn)架空處，出地面后變徑為DN600 沿管架敷設(shè)至首站。

2.2 改造方案

1）方案1。從投資最小的角度出發(fā)，維持現(xiàn)有熱力狀況，對(duì)管網(wǎng)不進(jìn)行改造和改善，將新增生產(chǎn)系統(tǒng)直接接入主熱網(wǎng)。

2）方案2。對(duì)回水管進(jìn)行阻力調(diào)節(jié)，將起始段的DN377 回水管旁通小管徑管道并調(diào)節(jié)閥門阻力，使新增生產(chǎn)系統(tǒng)后主熱網(wǎng)上每個(gè)分支都有資用壓頭。

3）方案3。將管網(wǎng)末端的組裝場(chǎng)分支和機(jī)修分支從主管網(wǎng)分離出來(lái)，與新增生產(chǎn)系統(tǒng)分支單獨(dú)形成獨(dú)立的供回水管路，并將露天礦的流量從現(xiàn)狀的85 t/h 增加到設(shè)計(jì)流量。同時(shí)，將電廠院內(nèi)分支一也從熱源處分離，解決管網(wǎng)短路問(wèn)題。

4）方案4。在除灰走廊末端至露天礦新增1 根DN426 的供水管約0.8 km，從露天礦回水管處新敷設(shè)1 根DN426 至電廠內(nèi)DN630 變DN529 處，長(zhǎng)度約4 km。

5）方案5。在方案4 基礎(chǔ)上將新增的4 km 回水管管徑從DN426 變成D478，增大露天礦的資用壓頭。

6）方案6。將組裝場(chǎng)回水管接入主回水管DN478；除灰走廊至露天礦新增DN426 供水管0.8 km；將電廠分支一從熱源處獨(dú)立，除灰走廊初始端旁通增大回水損失，徹底解決熱網(wǎng)短路和水力平衡問(wèn)題。

3 方案比選

3.1 技術(shù)性

通過(guò)繪制露天網(wǎng)水壓圖，可以全面地反映管網(wǎng)和各用戶的壓力狀況，根據(jù)分析結(jié)果，采取必要的技術(shù)措施，保證安全運(yùn)行。

方案1 在露天礦處及前后的主熱網(wǎng)回水管壓力高于供水管，出現(xiàn)反壓狀態(tài)，新增生產(chǎn)系統(tǒng)不僅得不到有效供熱，且嚴(yán)重影響原有熱網(wǎng)熱力工況。方案2露天礦處的資用壓頭僅為200 mmH2O（1 mmH2O=9.806 65 Pa），且露天礦至機(jī)修廠間的沿線建筑物的供熱出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，現(xiàn)有用戶熱力工況得不到改善。方案3 露天礦資用壓頭為1 400 mmH2O，對(duì)于供熱半徑為600 m 的區(qū)域資用壓頭仍然不足。方案4 露天礦現(xiàn)狀流量85 t/h 的前提下，資用壓頭充足；但考慮所有建筑物滿足設(shè)計(jì)需求，流量提高到設(shè)計(jì)流量300 t/h 時(shí)，資用壓頭略顯不足。方案5 增大1 號(hào)管徑，各用戶的資用壓頭得到大力提高，最小為15 000 mmH2O，均滿足用戶需求。方案6 資用壓頭滿足，且徹底從根源上解決了電廠院內(nèi)供熱管網(wǎng)短路問(wèn)題。

從技術(shù)設(shè)計(jì)角度，若僅需滿足新增生產(chǎn)系統(tǒng)供熱需求，方案2、方案5、方案6 均可。綜合考慮改善現(xiàn)有用戶的供熱情況，方案5 和方案6 均可，資用壓力充足，方案6 主要分支資用壓力表見(jiàn)表4。

表4 方案6 主要分支資用壓力表

3.2 經(jīng)濟(jì)性

方案5 投資概算為1 061 萬(wàn)元，而方案6 投資概算為1 367 萬(wàn)元。方案6 比方案5 多投資的306萬(wàn)元為局部熱網(wǎng)分離費(fèi)，將電廠分支一從熱力網(wǎng)直供改為間接供熱，需新建換熱站。

方案5 具體措施為露天礦到電廠DN630 新增DN478 回水管4 km，且除灰走廊至露天礦新增DN426 供水管0.8 km。雖然露天礦實(shí)現(xiàn)了300 t/h 的供熱設(shè)計(jì)流量，但未徹底解決電廠院內(nèi)短路問(wèn)題，實(shí)際運(yùn)行難以調(diào)節(jié)水力平衡。

3.3 安全性

從安全運(yùn)行的角度，本工程推薦方案6。具體措施：①供熱供水母管增容，露天網(wǎng)自除灰棧橋8＃起吊間西65 m 位置至伊敏露天礦換熱站原設(shè)計(jì)為DN426 供熱母管，解決現(xiàn)伊敏露天礦熱網(wǎng)末端供水流量不足問(wèn)題；②供熱回水母管增容，自伊天路向東285 m 位置新建1 根DN478 供熱母管接入3 期DN630 母管，解決伊敏露天礦供暖區(qū)域回水母管流量不足問(wèn)題；③局部熱網(wǎng)分離：將伊敏電廠院內(nèi)既有熱網(wǎng)進(jìn)行分離并新建廠區(qū)2＃換熱站，新建廠區(qū)2＃換熱站供熱范圍包括新分離露天網(wǎng)電廠院內(nèi)部分。

新分離露天網(wǎng)電廠院內(nèi)部分建筑面積22.099 6萬(wàn)m2。現(xiàn)供熱2＃換熱站擬再利用現(xiàn)既有伊敏電廠啟動(dòng)爐內(nèi)的露天網(wǎng)換熱面積為500 m2的加熱器、汽源系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)等。供熱管網(wǎng)分離區(qū)域包括既有伊敏電廠院內(nèi)原露天網(wǎng)部分、既有伊敏電廠院外109 棧橋、0 號(hào)棧橋和院外4＃轉(zhuǎn)載站等供熱建筑物。新建伊敏電廠區(qū)域換熱站的主要目的是解決原露天網(wǎng)短路問(wèn)題。方案5 未解決電廠院內(nèi)短路問(wèn)題，實(shí)際運(yùn)行難以調(diào)節(jié)水力平衡，電廠內(nèi)旁路調(diào)節(jié)已達(dá)極限，人員實(shí)際操作中存在安全隱患問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)華能伊敏露天網(wǎng)集中供熱管網(wǎng)的熱用戶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)負(fù)荷，并對(duì)首站供熱能力校核，在熱源能力滿足的條件下對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。受限于熱網(wǎng)熱負(fù)荷占比24 %的分支位置，直接導(dǎo)致熱源近端回水溫度高，運(yùn)行無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)。

對(duì)現(xiàn)有熱網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)分析校核，在保證系統(tǒng)維持現(xiàn)有運(yùn)行壓力的安全條件下，提出6 種熱網(wǎng)改造方案。在技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的原則下探討了6 種方案運(yùn)行的水力穩(wěn)定性以及需要改造的工作量和投資估算費(fèi)用，給出了推薦方案。

1）將同程管網(wǎng)中的近端熱負(fù)荷占比大的異程分支摘除，能大大改善管網(wǎng)的熱力平衡，極大降低了其它用戶的水力失調(diào)度。

2）相同負(fù)荷對(duì)應(yīng)的供回水管截面相近，利于調(diào)節(jié)管網(wǎng)平衡。