武昌熱電供熱管網水力工況分析及優化

葛曉嵐　俞聰　高新勇

【摘 要】文章主要分析了武昌熱電一次管網壓損過大的原因，是由于一次管網中間管徑較小，產生喉部效應，致使管網壓損過高。針對當前實際供熱面積較小的問題，只需通過提高一次網供回水溫差來降低管網壓損；針對當前接待供熱面積過高的問題，需對管網中間的喉部管段進行改造。此次改造初投資受一次網供回水溫差的影響，一次網供回水溫差越高，所需擴徑的管段長度越小，管道改造的初投資就越少。

【關鍵詞】水力工況；壓損；供回水溫差；喉部效應

【中圖分類號】TK26；TM621【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）04-0144-02

0 引言

隨著現代社會的快速發展及節約能源、保護環境的迫切需求，當前分散式供熱鍋爐逐漸被淘汰，而熱電聯產集中供熱方式越來越受到重視。近年來，雖然供熱技術水平得到了不斷的提高，運行管理水平也有所提升，但供熱能耗高、運行費用高等問題仍然突出，這些問題降低了供熱的經濟性，浪費了能源。

在進行供熱管網設計與優化時，水力工況分析是高質量的管網設計、施工及運行調度的必要條件[1]，也直接影響整個供熱系統的經濟性[2]。

本文結合武昌熱電廠的工程實例，分析說明水力計算在供熱管網設計與優化中的重要性。

1 實例概況

1.1 機組現狀

武昌熱電公司總裝機規模為370 MW。一期工程第一套185 MW燃氣-蒸汽聯合循環機組于2010年投產運行。二期工程第二套185 MW燃氣-蒸汽聯合循環機組于2015年投產運行。

第一臺機組設計最大供汽流量為160 t/h，供汽壓力為0.3～0.5 MPa，供汽溫度為220～260 ℃；第二臺機組的供汽壓力提升至1.0 MPa，供汽溫度為220～280 ℃；2套機組年供熱能力最大可達314 t/h。

1.2 采暖熱負荷

目前，武昌熱電熱網首站接待住宅小區面積為324.1萬m2，商業辦公面積為43.6萬m2，總接待面積為367.7萬m2。2016—2017年采暖季，住宅區實際供熱面積為117.8萬m2，商業區實際供熱面積為25.4萬m2，總計實際供熱面積為143.2萬m2，占總接待面積的58.25%。

根據當前熱負荷增長速率測算，2017—2018年采暖季，實際總供熱面積將達到209.3萬m2，供熱總接待面積可達到407.2萬m2。

1.3 一次管網現狀

目前，武昌熱電公司的供熱一次管網總長約11.8 km，一次管網的管徑變化趨勢是DN600→DN500→DN450→DN400→DN450→DN500→DN600。受下游管網管徑不一致、局部段喉管的影響，管網在實際負荷下管網水力計算顯示：末端用戶水力工況難以保證用戶正常使用。目前，末端用戶采暖效果差，還會導致首站增加泵的運行而引起電耗增加，出現此問題的原因是目前水泵揚程為90 m，揚程低，克服不了管網阻力。一次管網分段后，各管段的具體數據見表1。

2 水力計算分析方法

參考文獻[3]的水力計算方法，管道沿程阻力壓降可按下式計算：

公式（1）中，R為單位管長的沿程損失，單位為Pa/m；Gt為管段的水流量，單位為t/h；d為管子內直徑，單位為m；λ為管道內壁摩擦阻力系數；ρ為水的密度，單位為kg/m3。

公式（2）中，K為管壁當量絕對粗糙度，單位為m；K取值為0.5×10-3 m。

而管道局部阻力計算則可以折算成當量長度來計算，一般選擇0.2～0.4的比例系數（局部阻力/沿程阻力）來計算。

3 水力計算結果分析

3.1 按供熱面積計算

根據2016—2017年采暖季的一次網實際運行供回水溫度為95/55 ℃，計算得出一次管網壓損大于1.6 MPa，顯然不合理。本次計算選取一次網供回水溫差為50 ℃，即一次網供回水溫度為105/55 ℃。此外，局部阻力的比例系數選取0.3，計算結果見表2。

根據結果分析，一次管網總長度為11.8 km，折算長度為15.4 km，總流量為1 440 m3/h，單程總阻力為462.95 kPa，當考慮熱網首站壓損及末端換熱站壓損時，一次網總壓損為1.13 MPa；由此可以得出，只需增大循環水泵的揚程與流量，就能滿足一次管網的運行要求。

3.2 按接待面積計算

由于當前管路管徑分布不合理，當選取以總接待供熱面積為基礎進行水力分析時，考慮多種因素后，選取一次網設計供回水溫差為60 ℃，即115/55 ℃。經過水力計算，結果顯示總流量為2 333.90 m3/h，由于一次管網喉部的存在，致使管網壓損過高，單程總阻力為1 227.65 kPa，遠超出供熱系統的運行要求，特別是中間DN400的管路壓損占總壓損的46.3%，而該管段長度僅為總長的18.8%。

3.3 中間管段擴徑計算分析

（1）按供回水設計溫差60 ℃計算。經過水力分析，此時需擴徑的管道為前端管徑較小的管路，即DN500、DN450、DN400、DN450，總長度為5.6 km，各管段擴徑及壓損情況見表3。擴徑后水力計算結果顯示，單程總阻力損失為486.95 kPa，當考慮熱網首站壓損及末端換熱站壓損時，一次網總壓損為1.17 MPa。

（2）按供回水設計溫差70 ℃計算。經過水力分析，此時需擴徑的管道為前端管徑較小的管路，即DN450、DN400、DN450進行擴徑改造，總長度為3.0 km，各管段擴徑及壓損情況見表4。擴徑后水力計算結果顯示，單程總阻力損失為496.37 kPa，當考慮熱網首站壓損及末端換熱站壓損時，一次網總壓損為1.19 MPa。

由此可見，當一次網供回水溫差提升10 ℃時，需要擴徑的管路長度減少2.6 km，極大地降低了管網改造的初投資。

4 結語

本文主要分析了武昌熱電公司一次管網壓損過大的原因，是由于一次管網中間管徑較小，產生喉部效應，致使管網壓損過高。針對當前的實際供熱面積，只需通過提高一次網供回水溫差來降低管網壓損，使得管網供水壓力不超過設計壓力（1.6 MPa）。針對當前接待供熱面積過高的問題，需對一次管網的中間喉部管段進行改造，此時管段擴徑改造的初投資受一次網供回水溫差的影響，一次網供回水溫差越高，所需擴徑的管段長度越小，管道改造的初投資就越少。

參 考 文 獻

[1]黃建春，張貝.工程實例說明熱網運行中的水力計算方法[J].區域供熱，2013（2）：19-26.

[2]秦芳芳.供熱管網水力計算模型研究[D].北京：華北電力大學，2008.

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

[責任編輯：陳澤琦]