某地區集中供熱管網不同運行方式比較

欒天華

(中國華電科工集團有限公司，北京 100160)

某地區集中供熱管網不同運行方式比較

欒天華

(中國華電科工集團有限公司，北京 100160)

根據某地區集中供熱管網的特點，分別介紹了枝狀管網和環狀管網的水力計算方法。通過水力計算分別得到供熱管網在枝狀運行工況和環狀運行工況下的循環阻力，并對不同工況下的供熱管網循環阻力進行比較，指出特定條件下環狀管網在運行能耗和可靠性方面相對于枝狀管網的優越性，具有一定的推廣應用價值。

集中供熱；枝狀管網；環狀管網；水力計算；循環阻力

0 引言

集中供熱系統主要由熱源、熱用戶和連接2者的供熱管網3部分組成。其應用最早出現在歐美等發達國家，隨著工業技術的發展，集中供熱技術也日趨成熟，在世界嚴寒地區得到了大范圍應用，一些城市的集中供熱普及率已達到很高水平。我國集中供熱系統的應用起步較晚，新中國成立前僅個別大城市的個別建筑或區域設置了集中供熱系統，新中國成立后我國的集中供熱系統應用才得到了長足發展，供暖熱源也從分散的區域鍋爐房逐步發展為熱電廠與配套調峰鍋爐相結合的聯合熱源。

供熱管網是集中供熱系統必不可少的組成部分，其水力工況和熱力工況的好壞將直接影響集中供熱系統的應用效果。水力工況與熱力工況之間存在著密不可分的聯系，如果水力工況發生改變，那么熱力工況受其影響也將隨之發生改變。集中供熱系統的目標是獲得良好的供熱效果，因此良好的熱力工況是我們追求的目標，良好的水力工況是成功實現目標的保障[1]。目前我國城鎮集中供熱管網主要采用枝狀布置和環狀布置2種形式，枝狀布置具有管網形式簡單、投資省、運行管理方便等優點，最為常用。而環狀布置雖然投資高，但其運行可靠安全，尤其在多熱源聯合供熱條件下有不少應用。本文將以某地區集中供熱管網為例，對其枝狀運行和環狀運行2種工況分別進行水力計算，并將2種工況的計算結果進行比較分析，根據分析結果對城鎮集中供熱管網建設與運行提出建議。

1 供熱管網水力計算方法

1.1 枝狀供熱管網水力計算基本方法[2]

首先，根據各個熱力站所轄熱用戶的類型、建筑物使用功能等情況確定各個熱力站的實際供熱量，并以實際供熱量為依據計算各個熱力站一級網部分的熱媒流量。其次，以計算得到的熱媒流量為基礎，結合供熱管網布置圖確定管網中各個管段的熱媒流量，進而可以根據已有管網的實際情況計算得到管網中各管段的比摩阻。然后，按照當量長度法估算管網中各管段折算長度并計算各管段壓力損失。最后，可以根據選定的最不利環路來確定此管網的循環阻力。

1.2 環狀供熱管網水力計算基本方法

環狀供熱管網通常由環狀主干線和連接熱用戶的枝狀支線構成。其枝狀支線部分的水力計算方法與本文1.1節所述的枝狀供熱管網水力計算方法基本相同。首先對環狀供熱管網的枝狀支線部分進行水力計算。獲得枝狀支線部分水力計算結果之后即可確定環狀部分的各節點流量。然后，根據管網布置和各管段結構參數，結合流量平衡規律和壓力平衡規律對環狀部分進行管網平差計算，求解環狀管網的水力工況參數。最后，將環狀部分與枝狀支線部分計算結果相結合，確定管網的循環阻力。

2 某地區集中供熱情況

該地區集中供熱系統于2001年初步建成，為配套城市建設發展，保障民生，集中供熱系統經多次改、擴建形成了現有的規模。與本文相關的主要集中供熱設施情況和供熱能力如下。

2.1 一級供熱管網

管網主干管公稱直徑為DN700，接于熱電廠內的熱網首站。管道材料采用預制直埋保溫管，結合當地地形地貌敷設方式以直埋敷設為主。運行供回水溫度為110/58 ℃。管網最不利環路敷設的管道長度約為12.9 km。供熱管網在工程設計階段及運行初期采用枝狀管網形式，后經逐步改、擴建，部分輸配干線已連成環狀，并在實際運行中形成環狀管網。

表1 熱力站情況一覽

2.2 熱力站

目前與一級管網連接的熱力站共有27座，全部采用水/水換熱器與二級網間接連接，所承擔的供熱面積達237.2萬m2。根據現行的《城鎮供熱管網設計規范》[3]及當地建筑實際情況確定住宅建筑供暖熱指標采用55 W/m2，公共建筑供暖熱指標采用65 W/m2。結合當地熱力公司在實際供熱運營中統計的各個熱力站所轄熱用戶情況，得出與本文相關的熱力站供熱情況，詳見表1。

表1中熱力站供熱量根據式(1)計算：

(1)

式中：Q為熱力站供熱量，kW；Az，Ag分別為熱力站所轄住宅、公建的供熱建筑面積，m2；qz，qg為住宅、公建供暖熱指標，W/m2。

表1中熱力站一級網流量根據式(2)計算：

(2)

式中：G為換熱站一級網流量，t/h；c為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；t1為供熱管網供水溫度，℃；t2為供熱管網回水溫度，℃。

3 供熱管網水力計算

該地區集中供熱工程供熱管網水力計算如圖1所示，根據熱力公司的運行維護情況，供熱管網可在2種工況下運行。當圖中所示的切換閥門關閉時，供熱管網為枝狀運行工況。當切換閥門開啟時，供熱管網為環狀運行工況。

3.1 水力計算原則及參數確定

首先需要確定管網的最不利環路，本工程選取圖1中熱力站A13所在的環路(環路J0-J1-J7-J8′-J15-A13-J15-J8′-J7-J1-J0)為最不利環路。在水力計算過程中，管網局部阻力以當量長度計取，根據《城鎮供熱管網設計規范》[3]的要求，管道局部阻力與沿程阻力比值取0.3(管道公稱直徑≤400 mm)和0.4(450 mm≤管道公稱直徑≤1 200 mm)；管道內壁當量粗糙度取0.5 mm。對于熱網首站和熱力站內部的壓力損失，本工程按熱網首站壓力損失為150 kPa、熱力站壓力損失為100 kPa確定。

圖1 供熱管網水力計算

3.2 水力計算公式[2]

熱網每米管長的沿程損失(比摩阻)按式(3)計算確定：

(3)

式中：R為每米管長的沿程損失(比摩阻)，Pa/m；G為管段的熱媒流量，t/h；d為管段的內徑，m；ρ為熱媒的密度，kg/m3；K為管道內壁當量粗糙度，m。

管段總壓力損失按式(4)計算確定：

(4)

式中：ΔP為計算管段總壓力損失，Pa；l為計算管段實際長度，m；ld為計算管段局部阻力當量長度，m；lzh為計算管段的折算長度，m。

管段內水的流速按式(5)計算確定：

(5)

式中：v為管段內熱媒的流速，m/s。

3.3 枝狀運行工況水力計算

根據式(3)、(4)、(5)，按照圖1所示的最不利環路對管網進行水力計算，計算結果見表2。

3.4 環狀運行工況水力計算

根據式(3)、(4)、(5)，按照圖1所示的最不利環路對環狀供熱管網的枝狀支線部分J8′-A13段和J0-J1段進行水力計算，計算結果見表3。

根據熱力站和熱網首站的布置情況，在水力計算簡圖中將環狀供熱管網的枝狀支線部分以節點流量的形式簡化，得到如圖2所示的環狀部分管網水力計算簡圖。

表2 枝狀工況水力計算結果

續表

表3 環狀工況枝狀支線部分水力計算結果

采用文獻[4-5]中介紹的環狀干線水力計算方法，對圖2所示的環狀管網進行水力平差計算，得到各管段的水力工況參數和各節點的參考壓力，見表4、表5。

圖2 環狀部分管網水力計算

表4 環狀工況環狀部分水力計算結果

表5 環狀工況環狀部分節點參考壓力計算結果

注：節點流向按供水管考慮；選取節點1為壓力參考點。

5 結束語

通過第3節對該地區集中供熱管網枝狀運行和環狀運行兩種工況的水力計算，可以看出，當各熱力站都達到表1所列的實際供熱能力時，供熱系統在枝狀運行工況下循環阻力為995.7 kPa；在環狀運行工況下循環阻力為828.5 kPa。不考慮熱力站與熱網首站內部壓力損失的情況下，環狀運行工況管道部分的阻力比枝狀運行工況降低了約22.42%。由此可以得知，當供熱能力一定時，環狀運行工況比枝狀運行工況降低了熱網循環水泵的運行能耗。抑或是說，在熱源供熱能力和管道流通能力允許的前提下，不更換熱網循環水泵就可以增加一定的供熱面積，但增加的數量和位置還需要根據管網情況通過計算確定。

其他集中供熱地區可借鑒此地區的集中供熱管網改造經驗，在綜合考慮熱源、熱網循環水泵、管網和投資等因素后，將原枝狀管網改、擴建成環狀管網，不但提高了供熱系統的可靠性，還一定程度降低了集中供熱系統的運行能耗，在特定條件下是一項值得推廣應用的技術措施。

[1]王思瑩.集中供熱管網熱力工況研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

[2]賀平，孫剛，等.供熱工程[M].4版.北京：中國建筑工業出版社，2009.

[3]城鎮供熱管網設計規范:CJJ 34—2010[S].

[4]肖益民，付祥釗.環狀供熱管網水力計算方法探討[J].重慶大學學報(自然科學版)，2005，28(11)：122-124.

[5]付祥釗，肖益民.流體輸配管網[M].3版.北京：中國建筑工業出版社，2009.

(本文責編：齊琳)

2017-04-27；

2017-05-27

TU 995

A

1674-1951(2017)07-0015-05

欒天華(1984—)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師，從事電力行業暖通設計方面的工作(E-mail:luantianhua@163.com)。