關(guān)于市政供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)的探討

武瑞朋

（山西雙良新能源熱電工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

近年來，隨著環(huán)境的污染問題受到了國家的重視，煤炭污染是造成空氣污染的最重要因素之一，集中供熱如何減少環(huán)境污染且有效提高供熱效率，為提供更好的供熱環(huán)境成為一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)是影響供熱效率的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接影響供熱效率和供熱水平，因此，在施工開始之前，必須做好充分的準(zhǔn)備。

1 市政供熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)說明

城市供熱網(wǎng)絡(luò)集中在北方地區(qū)，優(yōu)化集中供熱網(wǎng)絡(luò)，為不斷提高供熱質(zhì)量、減少污染、降低能耗做出了貢獻(xiàn)。在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，公司需要提高軟實(shí)力，以獲得更大的市場(chǎng)份額。同時(shí)，市政工程公司需要不斷優(yōu)化集中供熱網(wǎng)絡(luò)，提高公用事業(yè)服務(wù)效率。在設(shè)計(jì)市政熱管時(shí)，可采用多管組網(wǎng)的方式。冷凝水管道安裝應(yīng)按制造規(guī)范設(shè)計(jì)。在考慮凝析油中的氧溶液時(shí)，應(yīng)對(duì)管道和設(shè)備進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。在供熱調(diào)節(jié)方面，采用熱源集中調(diào)節(jié)和熱站熱輸入就地調(diào)節(jié)的方式。對(duì)于帶生產(chǎn)負(fù)荷的供熱系統(tǒng)，熱力設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，局部溫度調(diào)節(jié)。熱源封閉網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和流量，收集適當(dāng)?shù)臒峄厥諟囟龋瑢嶝?fù)荷和各種溫度疊加在熱網(wǎng)曲線上，得到大流量作為設(shè)計(jì)流量[1]。

2 集中供熱網(wǎng)絡(luò)位置的類型

城市集中供暖網(wǎng)絡(luò)的選址明顯與供暖介質(zhì)類型、熱源分布、用戶所在的區(qū)域等因素密切相關(guān)，但要從安全、高效等方面加以考慮。城市供暖具有不同于一般采暖方式的特點(diǎn)。有些熱網(wǎng)在規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證供暖的可靠性，避免了供暖過程中的不確定性，采用了電力網(wǎng)的安裝方式，但是，由于熱網(wǎng)的水模和控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及投資較大的模型網(wǎng)絡(luò)，給用戶帶來了很多困難。在多個(gè)熱源的城市公用供暖系統(tǒng)中，一些方案將主要導(dǎo)熱網(wǎng)設(shè)計(jì)為環(huán)形網(wǎng)，而用戶網(wǎng)則是采用大環(huán)形的支路網(wǎng)絡(luò)。該結(jié)構(gòu)具有多馀的供暖特點(diǎn)，運(yùn)行安全、可靠。在城市供暖網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)該采用多分支式輻射網(wǎng)絡(luò)，并從安全、經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)城市規(guī)模、熱量分布、熱源位置、供熱能力、供熱能力等因素，對(duì)各主干道進(jìn)行優(yōu)化。在城市供暖主干骨架成型后，可適當(dāng)?shù)卦O(shè)置管道，在正常工作時(shí)，可將連接管的閥門關(guān)閉，并在主干線發(fā)生故障時(shí)利用管道來供暖。這類熱網(wǎng)布局確保了網(wǎng)絡(luò)能夠廣泛地適應(yīng)熱用戶的不確定。如果一個(gè)管道不能提供足夠的熱能，那么安裝鄰近的管道將會(huì)提高熱產(chǎn)量。為達(dá)到熱網(wǎng)分布的最佳化，不需要將其當(dāng)作環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)來決定，而是將其引入更大的管線。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，集中供熱由于其管理方便、能源利用率高、供熱范圍廣、對(duì)環(huán)境影響較低等特點(diǎn)，逐漸成為一種新興的供熱方式。但是，隨著我國城鎮(zhèn)集中供暖系統(tǒng)的推廣和采用供暖系統(tǒng)的建設(shè)，在規(guī)劃設(shè)計(jì)上出現(xiàn)了一定的困難。

3 市政供熱網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 集中式熱管分配系統(tǒng)的水力計(jì)算

根據(jù)管網(wǎng)管徑、循環(huán)泵和流量進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算。在分析了管道系統(tǒng)的壓力模式，并確保用戶進(jìn)行情況分析后，如果需要，可以使用動(dòng)態(tài)液壓模式來滿足連續(xù)性的方程和壓降要求。計(jì)算對(duì)流壓力和管道中的壓力容限。在差異大、距離遠(yuǎn)的熱水抽運(yùn)系統(tǒng)中，除進(jìn)行靜態(tài)水力計(jì)算外，還必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)水力計(jì)算。

3.2 運(yùn)用柔性和極限分析

在最大應(yīng)力時(shí)，可采用彈性分析和極限分析對(duì)管道局部結(jié)構(gòu)因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)力增量進(jìn)行分析，在計(jì)算特殊管道過渡時(shí)，可采用溫度計(jì)算方法建立模型計(jì)算管道強(qiáng)度。如果靠近主干線，熱用戶網(wǎng)絡(luò)將承受較大的熱負(fù)荷。管網(wǎng)趨于短直，盡量利用管道的自然彎曲角來補(bǔ)償管道的熱膨脹。如果采用帶補(bǔ)償墊的補(bǔ)償器，補(bǔ)償器的布局必須充分考慮靜止的推力計(jì)算，優(yōu)化配置的選擇。

3.3 設(shè)計(jì)供熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)考慮地震因素

考慮到地震的影響，熱管設(shè)計(jì)必須滿足國家對(duì)熱網(wǎng)地震參數(shù)的要求，對(duì)管道設(shè)計(jì)、管道施工和材料選擇進(jìn)行詳細(xì)論證?？梢圆捎孟冗M(jìn)的管理模式，根據(jù)參數(shù)改進(jìn)抗震指標(biāo)。例如，為提高多熱源供熱系統(tǒng)的抗震性能，可設(shè)計(jì)3 種操作方法，從每一熱源到使用多熱源的供熱系統(tǒng)，提高供熱的可靠性。多熱源供熱系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用多熱源網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，多個(gè)熱源隨著溫度的變化而分別起作用，在主熱源滿負(fù)荷后，劃分的管網(wǎng)逐漸擴(kuò)大或縮小，從而在采暖期間通過閥門將采暖系統(tǒng)劃分為多個(gè)同一熱源的供熱系統(tǒng)。隨著溫度的變化，許多解離源開始起作用。將主熱源首次運(yùn)行的采暖期劃分為管道的急性熱源段，使運(yùn)行的主熱源接近滿負(fù)荷[2]。

4 市政供熱網(wǎng)絡(luò)的總體設(shè)計(jì)技術(shù)及特點(diǎn)

4.1 總體設(shè)計(jì)技術(shù)

城市供熱網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是熱用戶分布范圍廣泛。在網(wǎng)絡(luò)故障的情況下，一些熱網(wǎng)在以電網(wǎng)形式進(jìn)行熱網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)也存在一些問題，如要提高供熱的可靠性和消除供熱發(fā)展中的不確定性，熱工水力條件和控制都非常困難，并且熱網(wǎng)存在很高的投資。技術(shù)研究通常從建立以投資、運(yùn)維組合最小為最終函數(shù)的數(shù)學(xué)模型開始，限制實(shí)際工作的要求，然后優(yōu)化一些方法，找到實(shí)際問題的最佳解決方案。第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型是專門針對(duì)樹突狀網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的，但隨后發(fā)現(xiàn)不能廣泛應(yīng)用于優(yōu)化實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，也不能給出良好的結(jié)果。有人認(rèn)為，城市供熱管網(wǎng)應(yīng)是多支路輻射配置的管網(wǎng)，同時(shí)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4.2 總體設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

城市區(qū)域供熱作為現(xiàn)代城市的文明標(biāo)志和發(fā)展方向，帶來了重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，不僅為城市提供了穩(wěn)定、可靠和優(yōu)質(zhì)的熱源，而且在節(jié)能、改善空氣質(zhì)量、減少城市空氣污染、減少城市空間、高效利用城市空間等方面發(fā)揮著重要作用。與其他類型的供熱方式相比，集中供熱有以下五大優(yōu)點(diǎn)。

4.2.1 長期效益

采用集中供熱不僅節(jié)約了城市地區(qū)寶貴的土地資源，降低了人力物力成本，更重要的是，有效地避免了由于設(shè)備壽命有限和定期更換熱裝置的缺點(diǎn)而采用的其他供熱方式。這為公司提供了長期效益的優(yōu)勢(shì)。

4.2.2 低成本和經(jīng)濟(jì)性

專家估計(jì)，結(jié)合初始組裝和運(yùn)行成本，與其他類型的供熱方式相比，集中供熱在室溫下比其他供熱方式更經(jīng)濟(jì)、方便和穩(wěn)定。煤、水、電等大宗商品價(jià)格的上漲，提高了傳熱介質(zhì)的價(jià)格，但城市區(qū)域供熱作為低品位能源載體，長期來看，相對(duì)于其他優(yōu)質(zhì)能源載體具有成本優(yōu)勢(shì)[3]。

4.2.3 適用范圍廣，使用方便

集中供暖既能實(shí)現(xiàn)冬季采暖、夏季制冷，又能持續(xù)提供熱水，工程企業(yè)也能實(shí)現(xiàn)集中供暖。蒸汽還可以用來生產(chǎn)食物，這對(duì)酒店、餐館、商店、醫(yī)院和辦公室非常有用。

4.2.4 科學(xué)管理，安全可靠

隨著集中供熱技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，越來越多的新材料、新技術(shù)、新工藝得到廣泛應(yīng)用，其安全性和可靠性大大提高。

4.2.5 環(huán)保節(jié)能，凈化空氣

集中供熱作為國家積極推廣的集中供熱模式，其環(huán)境效益明顯，在治理大氣污染和環(huán)境污染方面發(fā)揮了積極作用。近年來，各省市不斷發(fā)展城市集中供熱，實(shí)施“藍(lán)天工程”，建立環(huán)保模范城市，10t 以下燃煤鍋爐嚴(yán)格禁止使用，積極推進(jìn)和發(fā)展區(qū)域供熱系統(tǒng)。

5 城市供熱熱力工程的實(shí)例

通過一個(gè)城市建筑供暖管網(wǎng)的實(shí)例，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在此基礎(chǔ)上，利用混合熱負(fù)荷區(qū)，對(duì)不同類型的熱負(fù)荷、公共建筑和住宅小區(qū)的大熱負(fù)荷進(jìn)行了評(píng)估和統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)公共建筑與住宅區(qū)的實(shí)際結(jié)合，計(jì)算出了該項(xiàng)目所能承受的最大熱負(fù)荷、最小熱負(fù)荷和平均熱負(fù)荷。依據(jù)供暖年度的需要，進(jìn)行換熱器和供熱管網(wǎng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)城市熱管的設(shè)計(jì)需求，考慮到蒸汽和高溫?zé)崴南嗷ビ绊?，?jīng)過可行性分析，確定了高溫?zé)崴桨?，降低了管網(wǎng)建設(shè)投資。熱網(wǎng)基本線路的安裝費(fèi)用低廉、使用簡便、熱源間距增大、用戶數(shù)減少、無附加熱特性、供熱用戶在供暖地點(diǎn)進(jìn)行供暖，對(duì)建筑進(jìn)行部分電能再生，并能迅速解決熱網(wǎng)故障。環(huán)狀布局為環(huán)狀主接線，在多個(gè)熱源聯(lián)合提供電力，并與適當(dāng)?shù)碾娋W(wǎng)相連時(shí)，該結(jié)構(gòu)工作是安全、可靠的。節(jié)流閥的選型可以選用焊接式蝶閥和焊接球閥，排氣閥可以選用焊球閥，以保證系統(tǒng)的安全。為防止室外管網(wǎng)的供給效率下降，采用集中供暖方式，減少了用戶的熱量損失，根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)水力均衡。在實(shí)際操作中，由于管道內(nèi)有液體存在，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要采用控制閥來控制經(jīng)過分支的流量，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的平衡。

6 城市供暖系統(tǒng)的優(yōu)化方案

熱網(wǎng)的設(shè)計(jì)要充分考慮熱網(wǎng)的技術(shù)特性、初始投資和運(yùn)營期間的能耗。一個(gè)由部件確定的管網(wǎng)的設(shè)計(jì)存在著必須綜合考慮的問題。但是，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和能源目標(biāo)卻是相互沖突的。追求更高的經(jīng)濟(jì)性會(huì)使供暖系統(tǒng)的能耗降低，這就需要把三者有機(jī)地結(jié)合在一起，從而達(dá)到整體的目的，并使供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。所以，要解決熱網(wǎng)的問題，就必須從理論上對(duì)其進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行不斷的完善與發(fā)展。在具體的采暖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，可以從下列方面來進(jìn)行優(yōu)化。

6.1 供暖系統(tǒng)的最佳化

在建筑工程中，戶外熱管網(wǎng)是最繁重的工作，也是供暖系統(tǒng)投資最多的環(huán)節(jié)。供熱管網(wǎng)的幾何結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到供熱系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)的可操作性，運(yùn)行的方便，以及經(jīng)濟(jì)性。合理地確定熱管級(jí)的建線工作，可以節(jié)約資金，確保供熱系統(tǒng)的安全、可靠、方便地進(jìn)行施工、維護(hù)。在城市規(guī)劃中，熱管的選擇要綜合考慮熱源分布、熱源位置、不同表面的連接、地下管線與結(jié)構(gòu)、園林比例等因素。熱管的平面布置應(yīng)遵循下列基本原則：①經(jīng)濟(jì)性，線路的直線度趨向最大，熱負(fù)荷最大。②技術(shù)可靠性，在平坦、低水平的道路上行駛。在軟土地基、地震斷裂帶、滑坡災(zāi)害、地下水不良等方面，要盡量避免。③在主要運(yùn)輸線路中，管線的滲入要盡量少。一般情況下，鋪設(shè)時(shí)要與公路的中線平行，并盡可能地沿行車道外側(cè)鋪設(shè)。管道一般僅在街道的一邊安裝。鋪設(shè)于地表的管線不會(huì)對(duì)城市的環(huán)境造成破壞，也不會(huì)阻礙交通。供暖管線應(yīng)與各類管線、結(jié)構(gòu)相配合，其間隔應(yīng)保證施工安全、施工方便、維護(hù)方便[4]。

6.2 供暖系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)

在眾多企業(yè)紛紛生產(chǎn)節(jié)能產(chǎn)品的時(shí)候，節(jié)能問題也逐漸成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，建筑節(jié)能技術(shù)可以通過節(jié)能熱管行業(yè)、節(jié)能設(shè)備公司來實(shí)現(xiàn)。由于其防水、防腐、耐老化、耐沖擊等特性，使得其強(qiáng)度高、焊接方便。很多城市正在逐步接受這種集中供熱的方式。

7 優(yōu)化措施

7.1 靈活應(yīng)用彈性分析和極限分析

可采用彈性分析和極限分析，對(duì)管道局部結(jié)構(gòu)在最大應(yīng)力下因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)力增量進(jìn)行疲勞分析，并采用溫度計(jì)算方法，在計(jì)算特殊管道過渡時(shí)，建立模型計(jì)算。

7.2 熱管敷設(shè)步驟

熱管的敷設(shè)通常有兩種方式進(jìn)行：地面敷設(shè)和管溝敷設(shè)。

（1）管道的地面敷設(shè)，即架空敷設(shè)，是一種在敷設(shè)過程中即可進(jìn)行基礎(chǔ)施工的支撐結(jié)構(gòu)?？紤]到架空鋪設(shè)需要一定的空間，管道的復(fù)雜性會(huì)影響美觀，因此在私人住宅建筑中，很少使用管道來鋪設(shè)集中供暖，因?yàn)榻ㄖ拘枰紤]市政熱管的整體規(guī)劃。而在工業(yè)領(lǐng)域，許多熱管主要采用空氣襯墊，熱管經(jīng)過拋光后可以成為一種藝術(shù)元素，熱管不僅便于設(shè)計(jì)，還可以加工管道襯墊，增加美觀，減少工藝次數(shù)[5]。在降低維修成本的同時(shí)，工業(yè)園區(qū)也可以考慮采用這項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)樗档土藷峁艿慕ㄔ斐杀尽?/p>

（2）管溝敷設(shè)供熱管道具有占地面積小、施工成本低、施工工藝簡單、工作周期短等優(yōu)點(diǎn)，采用保溫聚塑、聚醋酸氨護(hù)套保溫防腐涂料。這兩種保溫管道的工作原理相似，都采用低密度、低吸水性、耐腐蝕和耐用的聚氨酰胺作為管道的保溫材料，既能起到防腐作用，又不會(huì)對(duì)自重產(chǎn)生二次影響。熱力管道的直接處理有兩種方法。第一種方法是直接掩埋，不加補(bǔ)償。這種鋪設(shè)管道的方法可以提高管道的穩(wěn)定性，從而使管道浸水更深。如果管道鋪設(shè)無補(bǔ)償?shù)募訜岱绞?，由于夜間土壤的厚度，土壤的厚度必須與管道的直徑成正比。這種敷設(shè)的原理是利用土壤與管道之間的靜摩擦，加上動(dòng)摩擦，限制熱管道的伸長和收縮。當(dāng)采用不直接埋藏補(bǔ)償?shù)念A(yù)熱時(shí)，預(yù)熱溫度取安裝溫度與操作溫度差的一半。為減少不必要的工作和資源，不進(jìn)行預(yù)熱補(bǔ)償直接埋設(shè)熱管墊片作為熱水導(dǎo)體。第二種方法是補(bǔ)償直接掩埋。這種鋪設(shè)管道的方法適用于距離地面超過0.6m 的情況。這種鋪設(shè)方法是一種不需要半徑的表面埋設(shè)方法。工作流程采用一次性焊接膨脹接頭，無須延長，熱管道安裝完成后回填土壤，從上方加熱，管道延長到一定長度。

8 結(jié)語

在市政供熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，除了上述方案外，人們還可以采用新的設(shè)計(jì)或使用新的材料和技術(shù)來保證系統(tǒng)的可靠性。總體而言，我國城市具有人口密度高、熱網(wǎng)性能好等特點(diǎn)。這對(duì)城市集中供熱管網(wǎng)的建設(shè)提出了更高的要求。隨著對(duì)城市集中供熱系統(tǒng)需求的增加，工程建設(shè)日益增多，需要水平不斷提高，供熱網(wǎng)絡(luò)性能不斷改進(jìn)和改善。