城市集中供熱管網設計的研究

桂伊佳

大連源信建筑設計有限公司 遼寧 大連 116600

目前看來，很多城市建設的集中供熱管網仍存在諸多問題，尤其是熱能浪費、防腐問題十分嚴重，影響城市生產、社會大眾生活十分明顯，為解決此類問題，相關工作者必須仔細研究城市集中供熱管網的發展現狀，從現有技術出發，不斷探究城市集中供熱管網優化設計策略，使城市集中供熱管網變得更為穩定，顯著助推行業及城市化建設的發展。

1 城市集中供熱發展狀況

現階段看來，很多城市都是在以熱力聯合生產的方式進行集中供熱，部分區域采用鍋爐房進行供熱，能夠基本滿足供熱需求。在城市化建設日益推進的背景下，政府部門普遍重視集中供熱，基本都在號召相關單位加大集中供熱設施建設力度，使得集中供熱走上了現代化的發展之路，在這一背景下，建設有集中供熱系統的城市日益增多，供熱面積連年擴大，帶動了集中供熱總量的持續上升。但值得說明的是，很多城市在建設供熱管網的初期，并未仔細了解城市建設的實際情況，并通過多方走訪，采用專業技術搜集數據，導致集中供熱管網擴展能力不佳，在后期無法進行擴建[1]。很多城市建設的供熱管網，都是在以單一枝狀進行延伸，實踐證明這種管網形式有利于幫助供熱單位節約成本，但也會導致管網線路出現諸多不合理現象，如，部分單位為了滿足特殊用戶的需求，會對管網實施加粗，導致二次管網管徑明顯大于主管網，對管網的可持續經營造成負面影響?？偠灾?，為保障集中供熱的可持續發展，有必要對管網實施優化設計[2]。

2 城市集中供熱管網的布置方式

就目前來看，城市集中供熱管網的布置方式主要分為環狀、枝狀兩種，具體而言，前者主要指的是將供熱干線以環形連接在一起，為城市給予聯合供熱的一種形式，供熱期間，環狀管網會連接熱源，從而將熱量輸送至需要的區域。枝狀管網顧名思義，就是一種呈現為樹枝狀的管網結構形式，在管網設計、施工上有著一定的優勢。從不同角度出發，對2種不同的布置方式展開對比，本文認為這兩種方式具有的優勢是不同的，如，在投資、管理成本方面，枝狀管網更具優勢，不僅成本低廉，管理起來也較為簡單，而從管網運行工況的角度上來看，環狀管網更具優勢，安全性強，能夠令熱源實現補充調劑，在能源利用方面有著可觀的優勢。

3 城市集中供熱管網敷設分析

3.1 敷設方式

（1）地下直接敷設

地下直接敷設是供熱管網敷設的重要形式之一，此種形式下，熱力管網大多是以3種類型進行直埋：無補償直埋、增設一次性補償器直埋、增設直埋式熱力管道補償器。一般來講此種敷設方式在以熱水為熱媒的管道中更為常用，同時對管徑也有著一定的要求，一般適用于管徑不大的區域。應用該種方式的前提下，熱力管道有著一定的埋深，主要依靠管道、土壤摩擦力限制熱力管道的熱伸長，在為溝槽敷土前，可對管道實施預處理，一般可將預熱溫度控制在安裝/運行溫度差的50%以內[3]。在增設一次性補償器時，技術人員應仔細查看補償器的補償能力，分析其是否契合預熱溫度管道的伸長量，實際工作中應當對安裝完畢的管道實施熱處理，在伸長量符合要求后，有必要對補償器活動處實施焊接，而后再進行土體回填。在增設直埋式補償器時，有必要設定好固定敷，并采用專業技術搜集數據，通過計算確定間距，一般來講補償器必須同管道熱伸長需求相契合，在此基礎上還應計算管道預熱時感受到的推力，核算管道斷面承受的應力，若應力不高于運行溫度下鋼材的許用應力，則可進行施工。

（2）地下有溝敷設

地下有溝敷設也是一種典型的管網敷設方式，一般指的是將熱管道敷設在地溝內部，此種情況下，管道并不承擔外界提供的荷載。一般來講這一方式下，可供技術人員使用的地溝主要分為3種：通行地溝、不通行地溝、半通行地溝。通行地溝中，技術人員應聯合敷設供熱管道與其他管道，此種情況下，對管道實施檢修、維護是較為便利的，但一般需要技術人員耗費較多的投資。不通行地溝相較于其他兩種地溝，有著更小的斷面尺寸，此種地溝的投資成本一般較低，故而適用性相對廣泛；半通行地溝內人行通道的尺寸通常較窄小，在使用此種地溝敷設供熱管道時，相關工作者應在地溝內做好巡視工作。

3.2 熱力管網補償

（1）熱力管網的補償方式

熱力管網補償方式一般包括兩種：其一，自然補償，其二，補償器補償。所謂自然補償主要指的是借助管道本身在自然彎曲時，產生的彈性，驅動管道產生熱變形。若管道長度位于15~25m之間，彎曲應力不超過80MPa，使用此種補償方式可取得顯著效果；所謂補償器補償方式，主要指的是通過在管路上加設補償器，使管道熱變形量達到要求的一種方式，目前應用較多的補償器有波紋形、方形等多種，在自然補償無法取得良好效果時，技術人員可嘗試使用補償器進行處理。

（2）波紋管補償器在熱力管網中的應用

本文著重介紹波紋管補償器在熱力管網設計中的應用。該補償器由多個不同的波紋管結構件構成，常被用于吸收溫度變化導致的管道尺寸變化，承壓能力可觀，同時結構也較為緊湊，有著一定的耐腐蝕能力。在將波紋管補償器應用于熱力管網的過程中，相關工作者應重點就波紋管的材料、性能做好考量，確保能夠較好地發揮補償器的作用。如，若熱管網是被敷設在地下溝中，有必要仔細分析材料的抗腐蝕性，避免雨水、污水對補償器造成腐蝕，影響其性能。在安裝波紋管膨脹節之前，應當仔細檢查膨脹節的型號與規格，確保其合理。安裝期間，有必要調整好內襯筒的方向，確保其與流動方向一致，令波紋管補償器得以更好地發揮作用。

4 城市集中供熱管網現存問題

對本地區集中供熱管網展開分析，認為其存在如下幾方面的問題：

4.1 保溫問題

換熱站在城市集中供熱管網中承擔著極為重要的作用，在熱水加熱到一定溫度后，換熱站會驅動熱水沿著管道流動，將熱量傳遞到溫度低的管道介質內，使熱水溫度向著低水平的方向發展。目前技術人員應當高度關注城市集中供熱管網面臨的保溫問題，通常情況下，使用不合理的保溫材料敷設管網、管網保溫層厚度不合理、管道頂部覆土埋深不合理等問題，均會導致保溫問題的高發。此外，在設計階段，若設計人員未控制好管道的外徑，也會導致管網在運營階段出現一系列的保溫問題。通常情況下，若保溫管道有著較大的外徑，且管道內水、管壁接觸面積較大，導致熱量散失表面積大，也會增多管道內的熱損失，尤其是會使得管道內水的熱量傳遞至管道外，最終導致保溫問題的頻頻出現。

4.2 防腐問題

城市集中供熱管網設計環節中，設計人員必須高度重視做好防腐層設計，這對管道防腐的性能有著極為顯著的影響?，F階段看來，城市集中供熱管網防腐層設計還有較大改善空間，部分設計人員選擇防腐方法較盲目，工藝操作過程一般無法達到設計、運營要求。此外，還有部分設計人員設計的防腐方法并不符合管道的實際情況，與工程的實際需求相差甚遠，也導致了防腐問題的高發，主要表現為防腐層與管道的不匹配。部分設計人員會為了降低設計成本與技術難度，盲目選擇普通防腐層，導致管道的防腐效果難以達到標準，運營階段中，集中供熱管道受外界環境影響極為明顯，會對集中供熱形成突出的干擾作用。

5 城市集中供熱管網優化設計

5.1 構建管網優化模型

為更好地實現對城市集中供熱管網的優化設計，設計人員首先應當仔細考慮初始投資額與施工技術，其次應當仔細考慮管網在運營過程中究竟會產生怎樣的能量輸送損失，在綜合考慮管網分流節點、水力穩定性、初始投資、流體形成壓力損失等參數的前提下，選擇合適的管徑，并調整好保溫層的厚度，以合理的保溫材料完成設計，確保集中供熱管道能夠為用戶提供足夠的熱負荷。設計人員可從熱能輸送的角度入手，搭建有關集中供熱管網的數學模型。假定集中供熱管網在輸送熱能的過程中，會因為流體與環境之間存在溫差，以及流體與管壁之間的摩擦力而產生一定的熱量損失，可將能量及能量損失的量綱，分別作為節能型、經濟型量綱，將通過流體流量一定的一道管道視作一管段，經過一段運行時間后，供熱管網內部水流的流速將變得更為平穩，通過分析壓力、散熱損失，可將進口位置熱量?、壓力?、機械?（分別記為E1、E2與E3）相加得到熱水在進口位置的?，將出口位置熱量?、壓力?、機械?（分別記為E’1、E’2與E’3）相加得到熱水在進口位置的?，此種情況下可使用如下公式算出熱水損失能量E0：

在管段一定的情況下，管道各截面熱量有著不同的流動速度，這一速度往往與管道標高之間無較大差異，而進出口位置的壓力?、熱量?，一般只受到流量、年運行時間等因素的影響[4]。此外，保溫工程的投資費用也是供熱管網優化設計過程中，設計人員需要重點考慮的因素，一般需要考慮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之間的關系，此外還應考慮管道外徑、保溫材料外徑、保溫層厚度等因素。

5.2 做好保溫優化設計

在建設完畢集中供熱管網優化設計模型后，為明確參數，有必要結合項目的實際情況，做好核算工作。以對某集中供熱一級網主管道的設計為例，設計人員擬設計2供2回供熱管道DN1400mm，數量共有4根，將設計流量控制在15500t/h，總循環流量控制在31000t/h。將中繼能源站設置在管道的末端，同市區管道連接在一起[5]。始端、中繼能源站一級主管道設計溫度控制在135/30℃，設計壓力控制在2.6MPa，尾端、中繼能源站設計溫度控制在120/25℃，設計壓力控制在1.8MPa，主管線輸送距離為40.0km，其中20.5km屬于直埋敷設，其他距離為架空敷設。對供熱規模與采暖綜合指標展開計算，前者控制在8200×107m2，將后者控制在55W/m2、4125MW。依照工程供熱要求，選擇供熱管網材料，最終選擇HCFC141b體系的高密度聚乙烯外護管聚氨酯3層結構材料，并使用硬質泡沫塑料預埋直埋保溫管，設計高密度聚乙烯保護層，使用離心玻璃棉管殼作為架空保溫材料，該材料有著熱損失小、成本低廉的特點。

在確定管道使用的保溫材料后，對初投資展開計算，力求找到保溫效果佳，且投資費用較低的組合，最終得出結論：在保溫層厚度為0.066m、架空管道保溫層厚度為0.095m時，供熱管道擁有的年均總費用是較低的，此時室外日平均溫度不超過-3℃，對直埋管的供水溫度、回水溫度實施計算，認為其符合要求，能夠保障經濟保溫厚度下采暖季節總耗熱量合適。

此外，若技術人員采用枝狀形式布局管網，可先明確管網主干線，為用戶管網的各個分流節點給予一一的編號，將熱源設置為0，順流動方向設計分流節點分別為1、2...m-1，將相應的管段記錄為L1、L2...，依據熱流量、分流節點流量平衡原則，求解管段設計流量，由主干線末端管段開始，在設計約束條件的前提下，選擇合適的管徑，首先確保m-1節點位置管線總費用、末端管段總費用相加值合理，最終在成本處于最小水平的情況下，得到最優的管徑?？捎勺钚《朔ǖ贸鰡挝婚L度管道造價與管徑之間的關系，符合如下公式：

其中di指的是公稱直徑，f（di）指的是單位造價。結合上述公式，可將管網直徑、管網費用確定出來。如，在管網公稱直徑為1400mm的情況下，可得出管網造價為840.0萬元/km。

5.3 做好防腐優化設計

鑒于供熱管網防腐問題發生得較為頻繁，必須重點做好防腐優化設計。一般來講，在集中供熱管網中，不論是水的溫度條件、酸堿度還是水中溶解氧的濃度，都會對管道的防腐能力產生突出的影響，如，管道濕度較大的情況下，腐蝕問題會變得更為嚴重。故而，在設計階段中，設計人員可多選擇那些具有一定吸水性的保溫材料，此外也可將防水層設置在管網保護層外部，避免水涌入保溫層之中。此外也應針對介質溫度做好控制，避免高溫造成管道內部腐蝕問題頻發[6]。在此基礎上，可通過增設除氧系統，將水中溶解氧的濃度控制在合理范圍內，使供熱管網內部的pH值也變得合理。結合亨利定律可知，氧在水中的溶解度，同接觸氣體的氧分壓有著正相關關系，可將除氧水、已脫氧氣體混合在噴射器內部，使溶解于室內的氧擴散至氣體，實現除氧。實踐證明，噴射器進口水壓會對除氧效果產生一定的影響作用，故而設計人員必須優先選擇揚程合適的除氧泵，并將除氧泵流量設置好（一般設置為給水流量的1.25倍是較為合適的），之后可將止回閥安裝在除氧解析器與水箱之間，提升除氧防腐的效果。

6 結語

綜上所述，熱量是寒冷地區城鄉居民在冬天最為基礎的需求，在基礎建設投資力度逐年增加、城鎮化建設飛速發展、城鄉居民供熱需求日益提升的時代背景下，城市供熱行業無疑有著極為廣闊的發展前景。近年來，城市供熱管網部署面積有了穩定的增長，我國城市集中管網布局有著枝狀、環狀兩種不同的特點，在進行管網設計時，設計人員必須綜合考慮這兩種不同管網的設計優勢，避免管網存在保溫、防腐等一系列的問題，設計人員必須綜合考慮各類因素，爭取凸顯優勢、規避劣勢地設計城市供熱管網，結合管網的實際情況，建立數學模型，借助模型求解最佳的保溫材料、保溫層厚度，確保能夠解決供熱管網在保溫、防腐等方面出現的問題，助推城市供熱事業的進一步發展。