長(zhǎng)輸供熱管線工程設(shè)計(jì)方案與應(yīng)用探討

梁辰 關(guān)寶良 孟思宇

隨著我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，節(jié)約能源、可持續(xù)發(fā)展、減少污染成為新時(shí)代的要求。長(zhǎng)輸供熱管線工程是城市集中供熱系統(tǒng)重要組成部分，是保障生產(chǎn)、生活的民生工程。本文針對(duì)長(zhǎng)輸供熱管線工程現(xiàn)狀與建設(shè)必要性進(jìn)行思考分析，闡述了長(zhǎng)輸供熱管線工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，探討了長(zhǎng)輸供熱管線工程以安全、綠色、低碳、智能為供熱發(fā)展方向全面提升供熱保障能力的應(yīng)用分析及社會(huì)效益。

我國(guó)在熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展初級(jí)階段時(shí)，供熱半徑一般不超過10公里。到2016年《熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃管理辦法》修訂時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)的常規(guī)供熱半徑調(diào)整為20公里。傳統(tǒng)的集中供熱管網(wǎng)的最遠(yuǎn)供暖間距，即常規(guī)的經(jīng)濟(jì)供暖半徑范圍，普遍在20公里以內(nèi)。長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)特指運(yùn)輸間距大于20公里并在管道中央設(shè)定有中繼泵站或隔壓站的熱力系統(tǒng)，長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)的供熱建筑面積常常在1500萬平方米之上，長(zhǎng)輸管道的公稱直徑一般大于等于DN1200。

發(fā)展城市集中供熱不僅是完善城市基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)城市現(xiàn)代化進(jìn)程的客觀需求，更是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約能源、減少環(huán)境污染和提高人民生活質(zhì)量的重大舉措。我國(guó)能源資源供需矛盾日益突出，供熱企業(yè)面臨的能源資源形勢(shì)比較嚴(yán)峻。能源問題影響供熱企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展前景。面臨嚴(yán)峻的能源形勢(shì)，在清潔新能源供熱熱源不足、電廠余熱利用效果差背景下，合理整合資源，降低管道輸配過程消耗，對(duì)長(zhǎng)輸供熱管線進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于降低供熱能耗，保障供熱質(zhì)量和效率的同時(shí)節(jié)約工程成本，從而獲取經(jīng)濟(jì)效益。

一、長(zhǎng)輸供熱管線工程現(xiàn)狀與必要性

供熱管網(wǎng)作為與熱源建設(shè)和城市發(fā)展相配套的必要設(shè)施，集中供熱管網(wǎng)如同城市的血脈，推動(dòng)著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，有利于市政基礎(chǔ)設(shè)施和公共資源優(yōu)化整合，改善居住生活環(huán)境，推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，助力“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會(huì)形成。

然而受城市總體規(guī)劃、供熱技術(shù)條件以及資金等原因影響，早期供熱發(fā)展的弊端在現(xiàn)代開始顯現(xiàn)，供熱管網(wǎng)已無法滿足當(dāng)前供熱要求?，F(xiàn)狀管網(wǎng)同時(shí)供應(yīng)工業(yè)和采暖熱負(fù)荷，采暖期存在壓降大、末端參數(shù)低的現(xiàn)象；非采暖期存在熱損大、安全隱患高的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了工業(yè)生產(chǎn)和居民采暖質(zhì)量。長(zhǎng)輸供熱管線設(shè)計(jì)必要性如下：

1.供熱需求的驅(qū)動(dòng)

城市開發(fā)建設(shè)速度較快，集中供熱面積發(fā)展迅速，熱負(fù)荷大幅增加，但集中供熱設(shè)施的建設(shè)明顯滯后，現(xiàn)狀熱源供熱能力嚴(yán)重不足，已成為當(dāng)前制約城市集中供熱事業(yè)發(fā)展的主要因素。

2.熱源變化的影響

隨著城市周邊熱電廠退出，中心城區(qū)將面臨熱源不足的情況，為適應(yīng)集中供熱熱源變化，同時(shí)滿足城區(qū)遠(yuǎn)期的發(fā)展需要，引入新的熱源，加緊推進(jìn)長(zhǎng)輸管線工程的建設(shè)，已勢(shì)在必行。

3.能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策的需要

2022年2月10日，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見》指出：充分挖掘現(xiàn)有大型熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)供熱潛力，鼓勵(lì)在合理供熱半徑內(nèi)的存量凝汽式煤電機(jī)組實(shí)施熱電聯(lián)產(chǎn)改造，在允許燃煤供熱的區(qū)域鼓勵(lì)建設(shè)燃煤背壓供熱機(jī)組，探索開展煤電機(jī)組抽汽蓄能改造。有序推動(dòng)落后煤電機(jī)組關(guān)停整合，加大燃煤鍋爐淘汰力度。隨著城市周邊小型熱電廠的關(guān)閉，大型熱點(diǎn)企業(yè)供熱能力可獲得充分利用。

4.項(xiàng)目建設(shè)的社會(huì)效益

發(fā)展城市集中供熱不僅是完善城市基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)城市現(xiàn)代化進(jìn)程的客觀需求，推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約能源、減少環(huán)境污染和提高人民生活質(zhì)量的重大舉措，更是加快構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的現(xiàn)代能源體系，為全面建成小康社會(huì)提供堅(jiān)強(qiáng)的能源保障，具有十分重要的引導(dǎo)、支撐作用。

二、長(zhǎng)輸供熱管線工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

1.長(zhǎng)輸供熱管線敷設(shè)方式及供熱介質(zhì)

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于供熱管網(wǎng)的敷設(shè)方式主要有四種形式：架空敷設(shè)、管溝敷設(shè)、直埋敷設(shè)及城市綜合管廊，長(zhǎng)輸供熱管線敷設(shè)方法應(yīng)根據(jù)地形地貌、管道附近的建筑設(shè)施、城市發(fā)展的因素加以綜合分析考慮，并且考慮交通、人文、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)顩r選擇合適管網(wǎng)敷設(shè)方式。

熱網(wǎng)系統(tǒng)以水作為熱媒，可利用質(zhì)—量調(diào)節(jié)，供熱半徑大，單公里溫降小，供熱工況穩(wěn)定?，F(xiàn)階段的熱水管線直埋技術(shù)在目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)是相當(dāng)完善，管線本身的表面溫度也比較低，對(duì)于管線附近的一些其他的管道工程和一些城市的綠化工程影響也比較小。依據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 34-2010）第4.1.2條規(guī)定：“當(dāng)以水為供熱介質(zhì)能夠滿足生產(chǎn)工藝需要，且技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)，應(yīng)采用水作供熱介質(zhì)?！币虼?，長(zhǎng)輸供熱管線在滿足生產(chǎn)、生活需求下，多采用高溫?zé)崴鳛楣峤橘|(zhì)。

2.長(zhǎng)輸管道穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、水擊及防范措施

長(zhǎng)輸供熱管道大、距離長(zhǎng)，為防止在應(yīng)用中塑性變形，在承受高軸向壓應(yīng)力和截面內(nèi)存在缺陷部位出現(xiàn)局部失穩(wěn)及土壤摩擦力約束熱脹變形或局部沉降造成的高內(nèi)力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行局部失穩(wěn)計(jì)算，避免局部屈曲、彎曲屈曲和皺折的產(chǎn)生。對(duì)于局部失穩(wěn)位置，采取相關(guān)措施避免失穩(wěn)現(xiàn)象的產(chǎn)生。

當(dāng)循環(huán)水泵突然停止運(yùn)行或閥門突然關(guān)閉時(shí)，易發(fā)生水擊現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備和管道產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時(shí)設(shè)備發(fā)生破壞及管道破裂。水擊所能引起的最大壓強(qiáng)由水的密度、流速、水擊波、水聲傳播速度、管徑、壁厚等多種因素決定。當(dāng)發(fā)生水擊時(shí)如不采取措施會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的破壞力，防范水擊措施如下：

（1）增加系統(tǒng)關(guān)閉和開啟時(shí)間，盡量減少直接水擊；

（2）在系統(tǒng)中設(shè)置安全閥，發(fā)生水擊瞬間將部分水放出；

（3）為減少對(duì)水泵的沖擊，在水泵進(jìn)出管道上設(shè)置旁通管，旁通管上設(shè)置止回閥。

3.長(zhǎng)輸管網(wǎng)減阻與分段閥門設(shè)計(jì)

長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)宜對(duì)管道內(nèi)壁采取減阻措施，并應(yīng)采用經(jīng)過測(cè)定的當(dāng)量粗糙度值進(jìn)行水力計(jì)算。長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)減少輸送阻力是節(jié)能降耗的重點(diǎn)之一，在管道內(nèi)壁采取減阻措施可減少管道沿程壓力損失，顯著降低循環(huán)水泵的電耗。

高溫?zé)崴艿赖膬?nèi)壁減阻材料目前尚處于試驗(yàn)研究階段，減阻涂層的壽命不應(yīng)小于30年，即30年內(nèi)涂層無局部剝落，減阻涂層應(yīng)完整、連續(xù)覆蓋熱水管道內(nèi)壁。在長(zhǎng)輸供熱管道上，建議采用成熟可靠的內(nèi)壁處理技術(shù)，減小內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度，可以降低管道的輸送電耗。

長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)通常管徑較大，其閥門造價(jià)較高，從節(jié)省建設(shè)投資角度可將分段閥門的間距加大。對(duì)于長(zhǎng)輸供熱管道，分段閥門起不到減小停供范圍的作用。與《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》相比，增大分段閥門的間距，減少閥門的數(shù)量，可以提高管道的供熱可靠性。為了降低長(zhǎng)輸供熱管道閥門間距增加后對(duì)故障修復(fù)時(shí)間的影響，應(yīng)適當(dāng)加大長(zhǎng)輸管道的放水管管徑，同時(shí)增加長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)的補(bǔ)水能力。為便于供熱管網(wǎng)檢修和運(yùn)行，局部管網(wǎng)發(fā)生故障需要維修時(shí)不影響相鄰的管網(wǎng)正常供熱，同時(shí)為減少管網(wǎng)檢修時(shí)的泄水損失以及縮短補(bǔ)水時(shí)間，迅速恢復(fù)供熱應(yīng)在長(zhǎng)輸管線設(shè)置關(guān)斷閥門，閥門設(shè)置位置選擇在受力均勻的部位。

4.長(zhǎng)輸管道預(yù)熱設(shè)計(jì)

管道敞槽電預(yù)熱安裝是指在管道整體回填之前，將管道受熱以后產(chǎn)生的一部分熱膨脹變形提前釋放，從而降低管道的軸向應(yīng)力，減少管道滑動(dòng)段的位移量，提高熱網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性的一種管道直埋式敷設(shè)方式。

電預(yù)熱技術(shù)的是通過電纜將電預(yù)熱設(shè)備與工作鋼管連接并構(gòu)成閉合回路，將低電壓、高電流的電能作用于預(yù)熱管段，利用鋼管自身電阻發(fā)熱的原理，通過計(jì)算獲得預(yù)熱溫度及伸長(zhǎng)量，將工作鋼管的溫度加熱到設(shè)計(jì)預(yù)熱溫度，常應(yīng)用在長(zhǎng)輸管道余熱中。長(zhǎng)輸供熱主干線部分及市區(qū)供熱管網(wǎng)干線部分均采用無補(bǔ)償預(yù)熱安裝，以利于管道的安裝和降低工程造價(jià)；預(yù)熱方式優(yōu)先采用電預(yù)熱，根據(jù)不同的預(yù)熱長(zhǎng)度，選用不同容量的電預(yù)熱設(shè)備，一次預(yù)熱的管線長(zhǎng)度可適當(dāng)調(diào)整。

5.防腐保溫

長(zhǎng)輸供熱熱水管道滿足規(guī)范要求可采用高密度聚乙烯外護(hù)管硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管及管件，要求工作鋼管、保溫層及保護(hù)層必須是三位一體緊密結(jié)合的整體性結(jié)構(gòu)。聚氨酯與工作鋼管緊密結(jié)合，有效隔絕了鋼管外表面與空氣、水的接觸，具有良好的防腐性能。為增強(qiáng)聚氨酯保溫層分別與鋼管和高密度聚乙烯外殼管之間的抗剪切強(qiáng)度，鋼管外表面要進(jìn)行拋丸處理和高密度聚乙烯外護(hù)管內(nèi)表面進(jìn)行電暈處理。

（1）管道保溫。采用氰聚塑直埋保溫管，其結(jié)構(gòu)由鋼管、防腐層、保溫層和保護(hù)層四部分組成。鋼管一般采用無縫鋼管和螺旋縫鋼管。防腐層是在鋼管外表面上涂上一層具有很強(qiáng)防水、防腐能力的氰凝。氰凝又具有強(qiáng)粘性，能和聚氨脂泡沫牢固結(jié)合。保溫層是改性硬質(zhì)聚氨脂泡沫塑料，密度小，導(dǎo)熱系數(shù)小，抗壓強(qiáng)度高。保溫層泡沫閉孔率不應(yīng)小于90%，密度不應(yīng)小于60kg/m3。保護(hù)層為高密度聚乙烯管。

（2）管道保溫材料。聚氨酯保溫材料各項(xiàng)性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到下表中的要求。

閉孔率 ≥88% 吸水率 (100℃，90min)≤10%平均孔徑 ≤0.5mm 斷裂伸長(zhǎng)率 ≤350%密度 60kg/m3 拉伸強(qiáng)度 ≥20MPa抗壓強(qiáng)度 ≤0.3MPa 耐溫 135℃

6.檢漏措施

供熱管網(wǎng)作為城市集中供熱系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，承擔(dān)著將熱源的熱量及時(shí)地輸送、分配給各個(gè)熱用戶的任務(wù)，但同時(shí)也是供熱系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。隨著熱網(wǎng)規(guī)模的增大和使用年數(shù)的增長(zhǎng)，由于管道及部件材質(zhì)、敷設(shè)方式、環(huán)境、施工方法及管理等諸多因素的影響，供熱管網(wǎng)泄漏故障的不斷發(fā)生對(duì)運(yùn)行和維護(hù)管理造成了極大的影響，嚴(yán)重妨礙了熱網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。為了確保供熱管網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)供熱管網(wǎng)現(xiàn)代化管理，建立供熱管網(wǎng)漏水故障診斷系統(tǒng)是確保供熱水管道網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、安全和提升供熱水管道網(wǎng)自控、管理的有效工具。

供熱管網(wǎng)泄漏檢測(cè)由中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量站組成。中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由服務(wù)器、操作員站、工程師站、打印機(jī)等組成，通過路由器和通信線纜接入公共通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量站間的數(shù)據(jù)通信。各現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量站均有固定的IP 地址，整個(gè)漏點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)形成一個(gè)獨(dú)立的虛擬專用通信網(wǎng)絡(luò)，確保信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量站主要由通信模塊、漏點(diǎn)檢測(cè)模塊組成。通信模塊可直接與漏點(diǎn)檢測(cè)模塊通信；分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在SD卡上；建立中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與各現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量站間的數(shù)據(jù)通信。漏點(diǎn)檢測(cè)模塊的功能是測(cè)試管線與感應(yīng)器導(dǎo)線相互之間的阻抗，利用感應(yīng)器導(dǎo)線與其他漏點(diǎn)檢測(cè)模塊通訊；支持各種管段通信模塊間的傳輸；當(dāng)有泄露出現(xiàn)時(shí)，發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

三、長(zhǎng)輸供熱管線工程節(jié)能分析

長(zhǎng)輸供熱管線工程優(yōu)化能夠降低供熱能耗、保障供熱效率與質(zhì)量，為城市供熱系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。同時(shí)，建設(shè)長(zhǎng)輸供熱應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：

1.長(zhǎng)輸供熱管線項(xiàng)目應(yīng)滿足節(jié)能要求

項(xiàng)目設(shè)計(jì)貫徹執(zhí)行《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》，符合能源利用建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和《中國(guó)節(jié)能技術(shù)政策大綱》中關(guān)于節(jié)能的要求，達(dá)到“節(jié)約能源，合理利用能源”的目的。主要要求如下：對(duì)表面溫度≥50℃的設(shè)備、管道均采用良好的保溫層及防護(hù)層以降低熱損失，一級(jí)網(wǎng)輸送效率＞92%。高溫?zé)崴艿劳扑]采用直埋方式敷設(shè)，比地溝敷設(shè)可降低熱損失5～10%。對(duì)熱用戶及主要用電設(shè)備均設(shè)置熱能及電能計(jì)量裝置，并及時(shí)對(duì)熱力網(wǎng)供回水溫度、定壓總壓力、循環(huán)流量、供熱量、補(bǔ)水量進(jìn)行累計(jì)記錄，加強(qiáng)對(duì)能耗的考核。

2.長(zhǎng)輸供熱管線項(xiàng)目應(yīng)滿足環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)要求

項(xiàng)目的最大潛在事故是供熱管網(wǎng)的破裂和泄漏，在線路選材、選線、設(shè)計(jì)、防護(hù)以及工程的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、維護(hù)、管理監(jiān)督等各方面要給予以高度的重視，通過完善各項(xiàng)安全防范技術(shù)措施，落實(shí)各項(xiàng)應(yīng)急技術(shù)措施，從找出引起災(zāi)害事故發(fā)生的最基本的原因和事故根源上加以防治。管線在敷設(shè)施工時(shí)，在一些交通較為繁忙或一些經(jīng)常有大型貨車頻繁出入市區(qū)的路段的主要道路上設(shè)置泄漏報(bào)警的裝置，如果發(fā)現(xiàn)管線上出現(xiàn)了滲漏，第一時(shí)間要確定滲漏地點(diǎn)。出現(xiàn)地下供熱系統(tǒng)管線發(fā)生嚴(yán)重爆裂現(xiàn)象和嚴(yán)重滲漏時(shí)，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉管道附近的關(guān)斷閥，停運(yùn)相關(guān)水泵等設(shè)備，以便于管網(wǎng)的維修，并將損失降至最低。

四、結(jié)語

長(zhǎng)輸供熱管線項(xiàng)目具有良好的社會(huì)效益、環(huán)境效益和綜合經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)建設(shè)現(xiàn)代化的城區(qū)、改善環(huán)境質(zhì)量、提高居民生活水平具有良好助推作用，是節(jié)約能源、利國(guó)利民的民生工程。長(zhǎng)輸供熱管線工程設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足規(guī)范、安全、節(jié)能的要求下，通過合理化的設(shè)計(jì)提高合理性、科學(xué)性、穩(wěn)定性，同時(shí)采取相關(guān)措施，促進(jìn)我國(guó)集中供熱發(fā)展和進(jìn)步。