預(yù)制直埋供熱管道優(yōu)化配置分析

劉國(guó)友 ，劉鑫輝 ，龐 博 ，李建高 ，程世軍 ，夏云東 ，桑秀軍 ，祝培旺 ，翟玉恒 ，胡良辰 ，桑 哲

（1.華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 濟(jì)源 459000；2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

1 概述

供熱管道是用于傳輸熱量的重要通道，它將熱源熱量輸送給熱用戶(hù)[1]，其設(shè)計(jì)選型直接影響到供熱系統(tǒng)初投資成本和后期運(yùn)行費(fèi)用[2]。其中，初投資成本主要由供熱管道等相關(guān)的材料費(fèi)和建筑安裝費(fèi)組成；后期運(yùn)行費(fèi)用主要由循環(huán)水泵電耗和維修費(fèi)等組成。

供熱管道輸送的介質(zhì)一般有較高的壓力和溫度，為保證輸送介質(zhì)不發(fā)生兩相流，供熱管道合理管徑是通過(guò)水力計(jì)算所選擇的[3]。水力計(jì)算的方法是確定一定的流動(dòng)速度，通過(guò)計(jì)算管道的比摩阻來(lái)確定管道的內(nèi)徑，水力計(jì)算是供熱管道設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理的重要科學(xué)依據(jù)。根據(jù)水力計(jì)算選擇的供熱管道管徑通常是一個(gè)范圍值，為進(jìn)一步優(yōu)化供熱管道管徑配置，可以從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度進(jìn)行深入研究和分析。本文以某熱電廠(chǎng)給周邊城市供熱設(shè)計(jì)為例，分析預(yù)制直埋供熱管道優(yōu)化配置。

2 預(yù)制直埋供熱管道水力計(jì)算

2.1 供暖熱負(fù)荷

供暖熱負(fù)荷的計(jì)算公式如下：

式中：Q 為供暖熱負(fù)荷，MW；qd為采暖熱指標(biāo)，W/m2；A 為建筑供暖面積，m2。

本節(jié)按照北方某城市供熱測(cè)算，該市采暖面積800hm2，居民采暖指標(biāo)60W/m2，故采暖熱負(fù)荷Q 為480MW。

2.2 供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量

供暖熱負(fù)荷熱水供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量可按下式計(jì)算，即：

式中：Gh為供暖熱負(fù)荷供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量，t/h；Qh為供暖熱負(fù)荷，GJ/h；c 為水的比熱容，c=4.1868kJ/（kg*℃）；ts為供暖室外計(jì)算溫度下的熱力網(wǎng)供水溫度，℃；tr為供暖室外計(jì)算溫度下的熱力網(wǎng)回水溫度，℃。

其中，供回水溫度按照130℃/70℃設(shè)計(jì)，則設(shè)計(jì)流量Gh為 5159t/h。

2.3 管道內(nèi)徑

管道內(nèi)徑與管內(nèi)流體流量和密度、流速關(guān)系如下：

表1 不同管徑供熱管道投資成本

表2 不同管徑供熱管道線(xiàn)路端阻力

式中：di為管道內(nèi)徑，mm；G 為熱介質(zhì)質(zhì)量流量，t/h；ν 為管內(nèi)介質(zhì)流速，m/s；ρ 為熱介質(zhì)密度，kg/m3。

其中，熱介質(zhì)密度按平均溫度100℃取值為959kg/m3，按照規(guī)范，管內(nèi)介質(zhì)流速不超過(guò)3m/s，取1m/s 和3m/s分別計(jì)算，則內(nèi)徑分別為796.1mm 和1378.9mm。

2.4 管徑選取

根據(jù)已有管道規(guī)格和管道的壓力溫度參數(shù)，符合上述內(nèi)徑要求的管道為：φ920*13、φ1020*15、φ1120*16、φ1220*17、φ1420*20。

3 預(yù)制直埋供熱管道投資運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

3.1 預(yù)制直埋供熱管道初投資成本

預(yù)制直埋供熱管道線(xiàn)路端投資成本主要為預(yù)制直埋保溫管，按照熱電廠(chǎng)至市區(qū)17km 計(jì)算，則供回水管道共34km，其投資估算表如表1 所示[4]。

3.2 預(yù)制直埋供熱管道年運(yùn)行費(fèi)用

本研究年運(yùn)行費(fèi)用主要考慮循環(huán)水泵電耗，由于不同管徑導(dǎo)致管道阻力增加值所對(duì)應(yīng)的循環(huán)水泵電耗年費(fèi)用。

（1）管道沿程阻力

管道沿程阻力是因摩擦產(chǎn)生的阻力，計(jì)算公式如下：

式中：Rm為平均比摩阻，Pa/m；L 為管道長(zhǎng)度，m；λ 為摩擦阻力系數(shù)；Ra為表面粗糙度，mm。

其中，表面粗糙度取值為0.2mm，則可求得不同管徑的沿程阻力，見(jiàn)表2。

（2）管道局部阻力

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，引進(jìn)當(dāng)量長(zhǎng)度的概念。計(jì)算局部阻力損失時(shí)，把局部阻力損失化成管道長(zhǎng)度損失的形式計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：Lel為局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度，m；α 為局部阻力與沿程阻力的比值，估算時(shí)使用，本文取為0.2。由此可求得不同管徑的局部阻力，見(jiàn)表2。

（3）管道阻力導(dǎo)致的運(yùn)行費(fèi)用增量

不同的管道線(xiàn)路端阻力會(huì)影響循環(huán)水泵的運(yùn)行功耗，循環(huán)水泵的功耗與阻力的關(guān)系如下：

式中：Nz為水泵軸功率，kW；ρ 為水密度，kg/m3；G 為流量，m3/s；H 為揚(yáng)程，m；η 為泵效率，取為 0.8。由此可知，在熱網(wǎng)熱水流量一定時(shí)，即熱網(wǎng)供熱功率一定時(shí)，循環(huán)水泵的功耗與揚(yáng)程（阻力）成正比。經(jīng)計(jì)算，將水泵增加功耗與管徑關(guān)系列于表3。

表3 不同管徑供熱管道運(yùn)行費(fèi)用

表4 不同管徑供熱管道年均總費(fèi)用

4 預(yù)制直埋供熱管道優(yōu)化配置分析

預(yù)制直埋供熱管道的初投資成本屬于一次性投資，運(yùn)行費(fèi)用是常年發(fā)生的費(fèi)用，兩者直接相加的總額并不能合理反映其經(jīng)濟(jì)性。從財(cái)務(wù)專(zhuān)業(yè)分析的角度考慮，應(yīng)通過(guò)利率將資金與時(shí)間的動(dòng)態(tài)關(guān)系折算出來(lái)，如此計(jì)算的總成本具有統(tǒng)一的尺度和可比性。財(cái)務(wù)動(dòng)態(tài)分析中常用的方法是年計(jì)算費(fèi)用法，在整個(gè)項(xiàng)目壽命周期內(nèi)，按照規(guī)定的基準(zhǔn)投資收益率，將全部年限所發(fā)生的現(xiàn)金流量折算成現(xiàn)值的方法。其公式如下[5]：

式中：W年值為供熱管道年均投資費(fèi)用，萬(wàn)元；A 為資金回收系數(shù)；i 為年利率；n 為計(jì)息年數(shù)，萬(wàn)年。

計(jì)息年數(shù)取預(yù)制直埋供熱管道的設(shè)計(jì)使用年限，即30 年，利率取為8%，則可得預(yù)制直埋供熱管道的年均投資費(fèi)用，見(jiàn)表4。此年均投資費(fèi)用與年運(yùn)行費(fèi)用相加，可得供熱管道年均總費(fèi)用。年均總費(fèi)用最小值對(duì)應(yīng)的管徑就是優(yōu)化配置管徑，由表4 知，年均總費(fèi)用最小對(duì)應(yīng)管徑為φ1120*16。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了預(yù)制直埋供熱管道優(yōu)化配置的方法，除了現(xiàn)行水力計(jì)算為核心的科學(xué)方法，還應(yīng)輔以財(cái)務(wù)動(dòng)態(tài)分析，確保預(yù)制直埋供熱管道選型既科學(xué)、又經(jīng)濟(jì)。研究得到如下有益結(jié)論：

（1）根據(jù)水力計(jì)算研究，預(yù)制直埋供熱管道選型主要取決于管內(nèi)介質(zhì)流速，通過(guò)安全流速范圍，可以計(jì)算預(yù)制直埋供熱管道的管徑范圍。

（2）預(yù)制直埋供熱管道初投資成本主要是材料和建筑安裝費(fèi)用，受管道選型影響較大，初投資成本隨著管徑的增大而逐步變大；預(yù)制直埋供熱管道年運(yùn)行費(fèi)用主要考慮循環(huán)水泵電耗，其同樣受管道選型影響較大，且年運(yùn)行費(fèi)用隨著管徑的增大而逐步變小。因此，合理的預(yù)制直埋供熱管道選型是保證總費(fèi)用最低。

（3）實(shí)際工程中，不同工程的投資成本和運(yùn)行成本都有一定差異，本文對(duì)某北方城市供熱工程實(shí)例中的預(yù)制直埋供熱管道進(jìn)行優(yōu)化配置，通過(guò)財(cái)務(wù)動(dòng)態(tài)分析，提出年均總費(fèi)用的概念，介紹各個(gè)參數(shù)的計(jì)算方法。結(jié)果表明，利率取8%時(shí)，計(jì)算可得年均總費(fèi)用最小對(duì)應(yīng)管徑為φ1120*16。