城市集中供熱管網中存在的問題及優化設計

陳善堂

（濰坊市濱投分布式能源有限公司，山東濰坊 261000）

1 引言

近年來，我國城市集中供暖事業飛速發展，供熱形勢總體呈現良好狀態，2020 年，我國城市集中供熱面積已達到9.948×109m2，為城市經濟與社會發展提供了充足的驅動力，也在一定程度上改善了社會大眾的生活條件。但是部分城市集中供熱管網仍然存在熱能浪費、防腐技術滯后等問題，對城市生產、社會大眾生活秩序均造成了不利影響。因此，面向城市集中供熱管網現狀探究存在的問題及優化設計策略具有非常重要的意義。

2 集中供熱管網概述

集中供熱管網是由城鎮集中供熱熱源向熱用戶輸送、分配供熱介質的管網系統，包括輸送干線、支線、輸配干線等部分。從本質上而言，集中供熱是在工業生產區域或城市居民集聚區內進行集中熱源的建設，經集中熱源向對應區域、周邊居民與企業提供生活用熱、生產用熱。集中供熱熱源主要為熱電聯產、燃氣鍋爐、區域燃煤鍋爐，與分散式的供熱相比，具有大氣污染程度低、燃料損耗率低、用地面積小、供熱質量高、噪聲低、自動化程度高、設備故障率低的優勢，適用于我國北方人口密度高、用熱面積大的城市居民用熱以及工業園區集中供熱。

3 城市集中供熱管網布局特點

我國城市集中供熱管網布局多依據地形地質條件、發展規劃以及熱負荷分布情況布置成枝狀，部分情況下也在干線之間進行連通管線的設置，以提高管網供熱可靠性，或者將干線布置為環狀實現熱源的相互備用。枝狀集中供熱管網布局、環狀集中供熱管網布局的特點以及優缺點見表1。

表1 我國集中供熱管網布局的特點計及優缺點

除上述特點外，因我國城市集中供熱管網規模較大，需要進行多結構層次的劃分。即在負責連接熱源、區域熱力站的一級輸送管網設置的基礎上，設置以熱力站為起點的向各熱用戶輸送熱媒的二級分配管網[1]。其中，一級輸送管網決定供熱管網形式，在其為環狀時，集中供熱管網為環狀管網，在其為枝狀時，集中供熱管網為枝狀管網；二級管網多為枝狀管網，滿足熱能由熱力站向1 個或多個街區建筑物分配的要求。

4 城市集中供熱管網中存在的問題

4.1 保溫問題

在城市集中供熱管網中，換熱站負責將熱水加熱到一定溫度，但是在熱水出換熱站沿管道流動過程中，會持續將熱量散失到低溫度的管道周邊介質內，促使熱水溫度持續向低水平發展[2]。除了保溫材料選用不當（保溫材料熱導率較大）、保溫層厚度較小、管道頂部覆土埋深較小外，設計時保溫管道外徑設計不當也會導致集中供熱管道保溫問題的出現[3]。一般在保溫管道外徑較大時，管道內水、管壁接觸的表面積也處于一個較大的數值，致使熱量散失表面積增加，管道內水熱量向管道外傳遞增加，熱損失也增加。

4.2 防腐問題

在城市集中供熱管網設計過程中，防腐層設計對管道防腐性能具有直接的影響。當前城市集中供熱管網防腐層設計的可行性有待提高[4]。部分設計人員盲目選擇提高防腐級別的方法，導致具體工藝操作過程中無法達到設計與應用要求；部分設計人員沒有結合實際運行環境以及工程情況進行設計，而是進行其他管道防腐層設計的直接套用，導致防腐層與管道不匹配問題頻繁出現；部分設計人員從技術難度控制、成本控制視角著手直接選擇普通級防腐層，致使防腐設計效果落后于防腐要求，極易致使集中供熱管道受外界環境影響而損壞，干擾集中供熱效果。

5 我國集中供熱管網的優化設計

5.1 建立管網優化模型

在集中供熱管網設計過程中，設計人員不僅需要考慮初始投資額與施工技術，而且需要考慮管網運行過程中的能量輸送損失，依據管網分流節點水力平衡、水力穩定性佳、初始投資最小、流體形成壓力損失與散失損失最小的原則，優選管道管徑、保溫層厚度以及保溫材料，促使集中供熱管道可以向用戶提供所需的熱負荷[5]。基于此，可以從熱能輸送視角入手，進行優化設計數學模型的搭建。假定集中供熱管網輸送熱能過程中散熱損失主要源于流體與環境的溫差、流體與管壁的摩擦，將能量量綱、能量損失的量綱分別作為節能性、經濟性量綱。將管徑以及所通過流體流量一定的一段管道視為一個管段，此時，經一段時間運行后，供熱管網內部熱水流動速度較為平穩，同時，存在壓力損失、散熱損失，結合平衡方程可知，進口位置熱量為E1、壓力E2與機械E3相加后的和為熱水在進口位置的。出口位置熱量為、壓力與機械相加后的和為熱水在出口位置的，熱水損失能量E0為：

在管段一定時，管道各截面熱量流動速度與管道標高無差異，而進出口位置壓力、熱量僅與流量、年運行時間相關。除此之外，保溫工程投資費用也是集中供熱管網優化設計的重要組成，由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組成，與管道外徑、保溫材料外表面直徑、保溫層厚度也具有較大關系。

5.2 保溫優化

在集中供熱管網優化設計模型構建完畢后，為確定各參數，需要結合具體供熱管網設計項目進行核算[6]。以某集中供熱一級網主管道設計為例，擬設置2 供2 回供熱管道DN1 400 mm，數量為4 根，單根管道設計流量為15 500 t/h，總循環流量31 000 t/h。中繼能源站位于主管道末端，與市區管道間接相連接。始端、中繼能源站之間一級主管道設計溫度為135/30 ℃，設計壓力為2.6 MPa；中繼能源站、尾端之間設計溫度為120/25 ℃，設計壓力為1.8 MPa，主管線輸送距離為40.0 km，直埋敷設20.5 km，其余為架空敷設。擬設計供熱規模為8.200×107m2，采暖綜合熱指標與計算熱負荷分別為55 W/m2、4 125 MW。根據工程供熱要求可以選擇的直埋敷設供熱管網材料為高密度聚乙烯外護管聚氨酯3 層結構（HCFC141b 體系）。硬質泡沫塑料預埋直埋保溫管，為工作鋼管層+聚氨酯保溫層+高密度聚乙烯保護層，架空管道保溫材料為小容重、可預制、熱損失小、價格低廉的離心玻璃棉管殼。

在保溫材料確定后，計算0.001～0.150 m 聚氨酯硬質泡沫、離心玻璃棉的初投資，尋找保溫效果最好且總費用小的厚度組合。得出：在直埋管道保溫層厚度為0.066 m、架空管道保溫層厚度為0.095 m 時，供熱管道年均總費用最低。此時，室外日平均溫度在-11～-3 ℃時，直埋管供水溫度在117.9～129.45 ℃，回水溫度在27.1～27.6 ℃；架空管線供水溫度在118.2～128.9 ℃，回水溫度在28.6～28.9 ℃，供水管道總散熱損失在17.856～22.052 MW，可以保障經濟保溫厚度下整個采暖季節的總耗熱量在規定限度內。

此外，在管網布局為枝狀時，設計人員可以確定一個管網主干線，對熱用戶（熱力站）管網各分流節點進行編號，熱源為0，由熱源順流動方向分流節點逐次為1，2，…，m-1，相應的管段依次記錄為L1，L2，…，Lm，依據設計熱流量、分流節點流量平衡原則可以進行管段設計流量的求解[7]。進而由主干線末端管段開始，在前期設定約束條件下，進行管徑選擇，確保m-1 節點位置的支管管線總費用、主干線末端管段總費用相加值處于最小水平。同理，選擇管徑，促使m-2 節點位置支管管線總費用、主干線末端管段總費用相加值處于最小水平，最終得到主干線的最少總費用對應的最優管徑。由最小二乘法可知，單位長度管道的造價與管徑之間的關系為：

式中，di為公稱直徑；f（di）為單位造價。由式（2）可以確定管網直徑以及對應的管網費用。比如，在管網公稱直徑為1 400 mm時，管道的造價為840.0 萬元/km。

5.3 防腐優化

在集中供熱管網中，水中溶解氧濃度、水的酸堿度、水的溫度等因素均對管道腐蝕具有影響，除此之外，管周濕度過大也會增加供熱管網外腐蝕[8]。因此，除了選擇小吸水性的保溫材料外，設計人員還可以在供熱管網外保護層中增設防水層，阻卻外界水進入保溫層的通道。同時，控制介質溫度，避免高溫送熱加速管道內腐蝕。在這個基礎上，增設額外的除氧系統以及pH 調節裝置，降低水中溶解氧濃度，并保證供熱管網pH處于合理范圍內。根據亨利定律，氧在水中溶解度、接觸氣體中氧分壓呈正相關，通過在噴射器內將準備除氧水、已脫氧氣體強烈混合可以促使溶解于室內的氧擴散到氣體，達到除氧目的。噴射器進口水壓對除氧效果具有直接的影響，因此，設計人員應優先選擇揚程處于0.55 MPa 左右的除氧泵，并設定除氧泵流量為補給水流量的1.25 倍。同時，將止回閥、閘閥（常開）安裝在除氧解析器、水箱之間，保證除氧防腐效果。

6 結語

綜上所述，作為寒冷地區城鄉居民的基本生活需求之一，城市供熱在基礎建設投資力度增加、城鎮化建設加速、供熱需求持續增長的推動下快速發展，集中供熱管網部署面積穩定增長。我國城市集中供熱管網布局具有典型的枝狀+環狀布局特點，受多種因素影響，存在保溫、防腐等問題，需要設計人員綜合考慮各種因素，構建集中供熱管網參數優化設計數學模型。在模型中求解最佳保溫材料、最佳保溫層厚度以及管道直徑、防腐層除氧泵參數，保證集中供熱管網保溫、防腐問題的有效解決。