基于環境影響的熱力管道比摩阻優化

劉雪麗

摘要：集中供熱相比分散式供熱的能源利用效率要高，在我國主要有熱電聯產和區域鍋爐房集中供熱兩種形式，其主要由熱源、熱力管網和熱用戶組成，其中用于連接熱源和熱用戶的熱力管網在整個熱力系統中投資最大，施工也較為繁瑣.在熱力管網的計算過程中，用于確定管徑的比摩阻的選取是一個很重要的問題。

關鍵詞：集中供熱;熱力管道;比摩阻

引言

集中供熱作為一種能源服務，具有顯著的經濟效益和社會效益。供熱系統可以通過優化減少其對環境的負面影響，集中供熱系統的年環境影響主要受供熱管網的影響。比摩阻在供熱管網的設計中有著非常重要的作用，當比摩阻增大時，管道直徑和管網的熱損失逐漸減小，而水泵會消耗更多電力。相反，比摩阻的減小會導致管道直徑和管網的熱損失的增大，而水泵所需消耗的電力會減小。因此，熱力管道的比摩阻存在一個最優值，此時供熱管網對環境的影響會得到最大化降低。

1概述

選取合適的經濟比摩阻，有利于控制供熱管網使用壽命周期內的成本，比摩阻的取值影響管網的初投資與運行費用.本文針對熱水管網的經濟比摩阻進行計算分析，以壽命周期內費用年值最小為優化目標，研究了經濟比摩阻的確定方法.

2基于環境影響的比摩阻

集中供熱不僅能給城市提供穩定、可靠的高品位熱源，改善人民生活，而且能節約能源，減少城市污染，有效地利用城市有效空間。所以，集中供熱具有顯著的經濟效益和社會效益。然而，目前的集中供熱系統主要以化石燃料為主要燃料，其燃燒的排放物會對環境產生不利影響。2017年，北方城鎮供暖的碳排放總量為5.41億t，因供熱所造成的NOx排放總量為42 萬t，SO2的排放量為64 萬t，粉塵為44 萬t。集中供熱系統可以通過優化減少其對環境的負面影響。集中供熱系統的年環境影響包括熱源的年環境影響和管網的年環境影響。當集中供熱系統的年供熱負荷確定后，即可確定供熱系統熱源的年環境影響。因此，供熱管網的設計主要影響集中供熱系統的年環境影響。當設計供熱外網時，確定管路各管段的管徑和壓力損失，是供熱外網水力計算最重要的一步。為了確定各管段的管徑，必須知道各管段上平均比摩阻的大小。通常情況下，管段的壓降值是未知的，這就要求在計算時預先選定一個比摩阻。為了降低集中供熱系統對環境的不利影響，選擇一個合理的比摩阻值是至關重要的。

3優化方案的提出

對于集中供熱管網，當管網的設計熱負荷和設計供、回水溫度后，即可獲得每個管段的設計質量流量。集中供熱外網的年總環境影響主要由管道的年環境影響、管網的年熱損失環境影響和水泵的年輸配環境影響組成。當比摩阻增大時，泵的輸配環境影響增加，而管道和熱損失的環境影響減少。相反，比摩阻的減小會導致泵的輸配環境影響減小，而管道和熱損失的環境影響增大。為了更清晰地顯示比摩阻的變化對供熱管網環境影響的情況存在一個最佳的比摩阻值可以使供熱管網的年總環境影響最小。因此，以年總環境影響最小為目標函數，基于管道的年環境影響、管網的年熱損失環境影響和水泵的年輸配環境影響建立數學模型。最后通過數學求解或者借助計算機數值求解得到基于環境影響的熱力管道比摩阻最優值。

4我國供熱管網存在的主要問題

4.1水力失調

水力失調主要是管網在運行過程中，由于設計、阻塞等原因造成的運行不平衡現象，如水流變小，供熱功能下降。水力失調是管網常見的問題之一。管網供熱水力失調的原因中，設計是最關鍵因素。在設計過程中，管道的直徑、流量等設計沒有按照規定進行，都會影響管網水流的正常運行，出現水力失調。另外，用戶具有差異性，每個用戶的數值并非固定的。

4.2熱網失水

熱網失水屬于技術上的問題，一般在管網施工中，沒有按照設計標準進行，是出現這一問題的原因。首先，技術精度不夠，在管道安裝、焊接上存在施工缺陷，這是管道運行后出現漏水的主要原因;其次，制度管理不善，換熱站未經供熱管網總管理中心的同意，私自進行放水，造成未經檢測的供熱管網失水，致使漏損系數增大，嚴重影響供熱效率，也為維修帶來極大的困難，即使通過二次網的補水流程也很難解決這一問題;最后，管網安全運行及維護，管網運行復雜，需要注意其運行安全，在管理和檢查過程中，要隨時關注其存在的漏水、老化現象并及時維修。

5供熱管網節能改造的相關措施

5.1優化管徑設計

通過優化管徑設計，可以有效降低水力失調問題的發生概率，從而提高整個系統運行的穩定性。在具體應用過程中，首先，需要對外網的水力情況進行計算，確定最佳的水力參數，通常情況下，可以借助CDG軟件對相關參數信息進行計算，在完成數據計算之后，還需要借助人工調整的方式，從而實現管網內部水流動態調整，加強近端用戶阻力的作用。其次，結合設計圖紙，對于管網節點的具體位置進行標注，可以在各個管道節點上進行編號，同時還需要結合計算結果標注管道的受壓載荷情況，為后續管徑調整提供科學性的數據參考。最后，做好相應的數據統計工作，結合統計數據對目前管道的回水溫度進行科學設計，將該溫度作為基準數值，以該標準來完成管網運輸過程中的管理工作。

5.2管網系統的平衡設計

通過完成管網系統的平衡設計，可以提高整個系統運行的節能性，提高資源的利用效率。目前供熱管網的主要熱量來源是煤炭燃燒產生的熱量，隨著社會經濟的快速發展，煤炭的存儲量也在快速減少，為了更好地滿足供熱需求。需要做好相應地平衡設計工作，在具體操作過程中：①考慮到原有供熱管網系統中，節流孔板和閘閥的可控性相對較低，對此在平衡設計過程中，需要對節流孔板進行調整，平衡其運行功能，從而有效改善供熱官網系統的運行情況;②可以利用平衡閥來取代以往的閘閥或截止閥，相較于原有結構，平衡閥會與智能測壓設備進行關聯，監督閥門前后的壓差情況，根據壓差情況進行閥門運行情況的調整，從而提高系統應用的穩定性。需要注意的是，為了確保系統運行的可靠性，需要做好安全管理工作，不允許他人隨意調整閥門，提高結構運行的可靠性。

5.3平衡閥閥門開度設計

通過合理調整平衡閥閥門開度，可以穩定整個供熱管網運行的穩定性，降低運行失調問題的發生概率。在具體操作過程中，平衡閥的型號選擇應滿足既定的使用要求，在選擇過程中，主要考慮的因素在于閥門直徑、通過流量、壓差等內容，綜合考慮各類因素之后，選擇最合適比例的平衡閥閥門。

5.4管網敷設方式改造

通過加強管網敷設方式改造，可以提高管網使用壽命，減少維護成本的經濟支出。在具體應用過程中：①在保溫材料選擇方面，應結合具體應用環境情況來進行選擇，如在潮濕環境中，應選擇防水性能與保溫性較強的材料作為主施工材料，從而降低供熱成本;②結合區域實際情況來選擇合理的管道敷設方式，并且需要積極引進新型材料，如泡沫保溫材料、鋼管結構等，從而提升系統運行過程所帶來的企業經濟效益與基礎社會效益。

結語

隨著環境污染的日益加劇，基于環境影響確定熱力管道的最優比摩阻在供熱系統的設計中有著重要的作用。采用最優的比摩阻可使供熱管網的年環境影響最小，進而可以減少集中供熱系統的年環境影響。

參考文獻

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