城市供熱管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析研究

劉曉瓊

（四平熱力有限公司，吉林 四平）

目前，大多數(shù)城市的集中供熱都是以熱、電聯(lián)合生產(chǎn)為主要方式，少部分地區(qū)則是以鍋爐房作為輔助方式，以保證城市的供熱需要。大部分的供熱管網(wǎng)都是單一的枝狀延伸，這樣可以節(jié)省成本，但在管網(wǎng)線路上會(huì)存在一些問題。為此，有必要對(duì)城市集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行合理的規(guī)劃和優(yōu)化，以保證城市集中供熱系統(tǒng)建設(shè)的順利進(jìn)行。

1 管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究現(xiàn)狀及存在的問題

早在20 世紀(jì)60 年代，諾多等人就已經(jīng)將系統(tǒng)分析應(yīng)用于城市供水管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。1969 年,Shakeu 利用非線性模型求解了分支管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)。1987 年，戈德伯格首先應(yīng)用遺傳算法，建立并解決了管道設(shè)計(jì)的優(yōu)化問題。2020 年，wirtz 等人提出了一種全新的基于LP 的人工優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙冷網(wǎng)絡(luò)分布式供能系統(tǒng)的人工優(yōu)化。但在工程的實(shí)際應(yīng)用中還存在著一定局限性：①經(jīng)驗(yàn)性方法局限性。②經(jīng)典圖論法局限性。③動(dòng)態(tài)規(guī)劃法局限性。為了改善上述管網(wǎng)設(shè)計(jì)中存在的問題，筆者在十幾年的管網(wǎng)設(shè)計(jì)工作中，總結(jié)了一些管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和解決方法。

2 室外供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

就目前的采暖方式而言，采用集中供熱方式，通過由熱力站向居民提供生活用水，以達(dá)到對(duì)居民生活供熱的要求。居住區(qū)戶外供熱網(wǎng)絡(luò)擔(dān)負(fù)著從熱力站向居住區(qū)輸送熱水的重任。為保證熱水供應(yīng)的品質(zhì)，保證供熱的順利進(jìn)行，需要對(duì)供熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理的規(guī)劃，以保證供熱網(wǎng)絡(luò)的安全、高效。

2.1 熱負(fù)荷量和管徑

一次網(wǎng)的供、回水在130/70 ℃的溫度范圍內(nèi)，通過熱量的交換而變成了溫度較低的水。居住區(qū)二次供熱系統(tǒng)是將55/45 ℃的供、回水冷熱水輸送至居住區(qū)，以滿足居住區(qū)的采暖需要（見圖1）。

圖1 居民集中供暖示意

2.2 管線布置原則和方法

居民區(qū)的供熱系統(tǒng)比較復(fù)雜，在進(jìn)行供熱管道的設(shè)計(jì)時(shí)，既要根據(jù)居民區(qū)整體布局，又要根據(jù)其它管道的方向、埋深等因素來進(jìn)行。城市加熱管網(wǎng)的布局應(yīng)該在城市規(guī)劃的指引下，以熱負(fù)荷分布、熱源位置、其他管線及構(gòu)筑物、園林綠地、水文、地質(zhì)條件等為基礎(chǔ)，通過技術(shù)部門的經(jīng)濟(jì)對(duì)比來決定。盡可能避開與排水系統(tǒng)相交，實(shí)在不能避開時(shí)，在相交部位使用整體隔熱的直管道分段。

2.3 敷設(shè)方法的選擇

供熱管道鋪設(shè)是管道工程建設(shè)中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，它直接影響著管道工程建設(shè)及運(yùn)行的安全性。供熱管道鋪設(shè)（見表1）方式有以下幾種。

表1 供熱管道敷設(shè)方式及優(yōu)缺點(diǎn)

2.4 室外管網(wǎng)水力平衡設(shè)計(jì)

熱網(wǎng)水力平衡問題是熱網(wǎng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題，它直接影響到熱網(wǎng)的質(zhì)量。為了保證管網(wǎng)的水力平衡，設(shè)計(jì)者要做好以下幾個(gè)方面的工作。①水力平衡設(shè)計(jì)要點(diǎn)。室外管網(wǎng)主平衡的好壞直接影響到供熱質(zhì)量及用戶的供熱，所以設(shè)計(jì)者必須通過分析供熱量及能耗來實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)平衡，從而保證供熱質(zhì)量。②支路均衡。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)用戶要求，計(jì)算出主管線與支線的失衡比率，并對(duì)平衡閥進(jìn)行合理的按制，消除支線內(nèi)殘余壓力，使管網(wǎng)內(nèi)水力平衡（見圖2）。③排水放空的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對(duì)泄水閥、檢查井等進(jìn)行合理布置，并安裝相應(yīng)閥門，為以后的水力平衡按制打下基礎(chǔ)。

圖2 水力平衡流量分配原理

3 城市集中供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 管線的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在供熱管網(wǎng)中，彎頭、變徑、三通和折角處是疲勞損傷應(yīng)力最集中的部位，溫度變化會(huì)使應(yīng)力集中于管道結(jié)構(gòu)的非連續(xù)性處，導(dǎo)致管道疲勞損傷，降低管網(wǎng)壽命。設(shè)計(jì)時(shí)在節(jié)點(diǎn)處采取保護(hù)措施，防止節(jié)點(diǎn)破壞，減少管網(wǎng)的泄漏點(diǎn)，提高管網(wǎng)的質(zhì)量。設(shè)計(jì)閥門時(shí)，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，可采用焊接蝶閥與焊接球閥相結(jié)合的方式。

3.2 管道管徑的選擇

在鋪設(shè)管線時(shí)，除了設(shè)置中繼泵外，還應(yīng)注意管線直徑的選取。重視管網(wǎng)直徑設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)將離散型特點(diǎn)進(jìn)行充分凸顯，靈活運(yùn)用組合方式，綜合管網(wǎng)直徑、供熱質(zhì)量、供熱效率三者的關(guān)系[1]。對(duì)管道進(jìn)行直徑的最優(yōu)化選擇還能夠確保經(jīng)濟(jì)的節(jié)約，降低投資使用，提高管道網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性，確保收益的最大化。

3.3 管網(wǎng)平衡的設(shè)計(jì)優(yōu)化

在供熱系統(tǒng)中，熱媒是由封閉的管道輸送到各個(gè)用戶的。要保證設(shè)計(jì)的合理，就必須在供熱系統(tǒng)中按計(jì)工況進(jìn)行操作，使得每個(gè)用戶都能得到對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量，這樣才能保證供熱系統(tǒng)的正常工作。在完成網(wǎng)絡(luò)均衡時(shí)，必須根據(jù)規(guī)范的水力均衡計(jì)算，以保證每個(gè)回路的流量滿足設(shè)計(jì)的需求；在室外每一回路及建筑物入口的供熱給水管線上都裝有一個(gè)平衡閥門或其它水力均衡部件（見圖3）。

圖3 管網(wǎng)平衡布置

3.4 供熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

在城市供水系統(tǒng)中，管道布置的優(yōu)選必須以可靠的技術(shù)和合理的經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)。在技術(shù)上，要做到這一點(diǎn)，就是要做到與公路的中線相平行，要盡可能地減少穿越交通干線，要與車輛相距較遠(yuǎn)，在地面上鋪設(shè)管線時(shí)，要以不妨礙交通和不影響城市的美感為目標(biāo)。為保證輸送管的壽命，在輸送過程中，要盡可能避免發(fā)生滑坡、土壤松軟等不良環(huán)境。在經(jīng)濟(jì)性上，要對(duì)管道中的補(bǔ)償裝置、閥門等部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?；主管道要盡可能沿溫度較高的地區(qū)運(yùn)行。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目基于2018 年總書記在深入推進(jìn)東北振興座談會(huì)上的重要講話和考察黑龍江的重要指示精神?！秞xx 有限責(zé)任公司二公河工業(yè)園區(qū)供熱管網(wǎng)工程》正式啟動(dòng)，項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)為該市市區(qū)。根據(jù)熱負(fù)荷發(fā)展需求，新建供熱管網(wǎng)引至新增負(fù)荷區(qū)，并新建換熱站；項(xiàng)目共計(jì)新建一級(jí)供熱管網(wǎng)3 362.08 m，二級(jí)供熱管網(wǎng)2 726.3 m，新建換熱站3 座，新建井室15 座（見表2）。

表2 主要技術(shù)指標(biāo)一覽表

4.2 熱指標(biāo)及設(shè)計(jì)負(fù)荷選擇

供熱區(qū)域內(nèi)建筑面積在類別上包括公共建筑和住宅建筑，在節(jié)能效果上分為節(jié)能建筑和非節(jié)能建筑。劃新增建筑熱指標(biāo)，在建及已批待建筑物按100%采取節(jié)能措施建筑物考慮，規(guī)劃發(fā)展建筑按100%采取節(jié)能措施建筑物考慮，根據(jù)實(shí)際調(diào)查，新增建筑采暖面積綜合熱指標(biāo)為55 W/m2。

根據(jù)《采暖通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，XX 市供暖期天數(shù)197 天，計(jì)4 728 h，供暖室外計(jì)算溫度-33.2 ℃，供暖期平均溫度-12.5 ℃，供暖室內(nèi)計(jì)算溫度18 ℃。

經(jīng)計(jì)算，本工程年供熱量為8.54 MWh（86 517.7 GJ）。

4.3 熱媒介的選擇及管網(wǎng)布置

根據(jù)熱源廠可提供的供熱參數(shù)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有熱網(wǎng)情況，確定一級(jí)網(wǎng)采用高溫水供熱，設(shè)計(jì)供回水溫度采用130/70 ℃，二級(jí)網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫度采用50/40℃。熱用戶室內(nèi)采暖系統(tǒng)與熱源采用間接連接方式，二級(jí)網(wǎng)可根據(jù)負(fù)荷狀況設(shè)成較為適宜的規(guī)模，因而，可以較好解決水力平衡問題；并且，二級(jí)網(wǎng)可根據(jù)各個(gè)站內(nèi)的負(fù)荷范圍情況設(shè)定需要的壓力、水力工況，同時(shí)，一級(jí)網(wǎng)可不受二級(jí)網(wǎng)用戶條件的限制，按需要設(shè)定及調(diào)節(jié)運(yùn)行工況，保證近處及遠(yuǎn)處不利點(diǎn)用戶均可獲得滿意效果[2]。

4.4 水力計(jì)算

熱網(wǎng)主干線供回水溫度為130/70 ℃；管道阻力計(jì)算采用當(dāng)量長(zhǎng)度法，局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度百分比取0.3；絕對(duì)粗糙度K=0.5 mm；管內(nèi)流體計(jì)算密度92.13 kg/m3。熱網(wǎng)主干線推薦比摩阻按《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ34-2022）推薦值，按制在30～70 Pa/m 范圍[3]。由于兼顧遠(yuǎn)期供熱規(guī)劃規(guī)模，個(gè)別管線比摩阻可適當(dāng)?shù)陀?0 Pa/m。熱網(wǎng)支干線、支線應(yīng)按允許壓力降確定管徑，但供熱介質(zhì)流速不應(yīng)大于3.5 m/s，支干線比摩阻不應(yīng)大于300 Pa/m。

水力計(jì)算結(jié)果：一級(jí)管網(wǎng)主干線長(zhǎng)3 362.08 m，最大管徑DN700，流量5.56 t/h，主干線單程阻力損失為7.3 mH2O。二級(jí)管網(wǎng)主干線長(zhǎng)2 726.3 m，最大管徑DN300，流量178.7 t/h，主干線單程阻力損失為14.79 mH2O。

4.5 本工程意義

本工程改造完成后，改善了供熱質(zhì)量，使市區(qū)居民享受到集中供熱的好處，提高了居民生活水平和生活質(zhì)量，同時(shí)改善凈化了城市環(huán)境，對(duì)建設(shè)生態(tài)市的目標(biāo)將產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響[4]。本工程的實(shí)施，避免了新增供熱區(qū)域新建區(qū)域鍋爐房，消除了新建鍋爐房對(duì)居民區(qū)噪聲的影響，還居民一個(gè)舒適優(yōu)雅的居住環(huán)境。城市污水排放中,鍋爐房采暖污水占有一定比例，停止鍋爐污水排放，將使市區(qū)河流水質(zhì)有所改善[5]。本工程的實(shí)施，不但節(jié)約了大量燃煤、水、電等能源，而且減少了運(yùn)煤、運(yùn)灰車輛，節(jié)約大量人力物力。

結(jié)束語

綜上所述，在對(duì)城市的供熱管網(wǎng)的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，所要處理的問題并不只是城市化進(jìn)程的逐步推進(jìn)，供熱面積的增加所帶來的問題，還必須要注意對(duì)管件、閥門熱負(fù)荷指標(biāo)、管網(wǎng)的布置及選擇等都要經(jīng)過慎重的考慮及嚴(yán)密的計(jì)算。通過對(duì)上述問題的細(xì)致分析，能夠更好地提高最優(yōu)設(shè)計(jì)的品質(zhì)，從而提高人類的生存品質(zhì)，并且能夠?qū)⒔?jīng)濟(jì)效益最大化。