長輸供熱管線工程設計方案與應用探討

梁辰 關寶良 孟思宇

隨著我國“雙碳”戰略的持續推進，節約能源、可持續發展、減少污染成為新時代的要求。長輸供熱管線工程是城市集中供熱系統重要組成部分，是保障生產、生活的民生工程。本文針對長輸供熱管線工程現狀與建設必要性進行思考分析，闡述了長輸供熱管線工程的優化設計方案，探討了長輸供熱管線工程以安全、綠色、低碳、智能為供熱發展方向全面提升供熱保障能力的應用分析及社會效益。

我國在熱電聯產發展初級階段時，供熱半徑一般不超過10公里。到2016年《熱電聯產規劃管理辦法》修訂時，熱電聯產的常規供熱半徑調整為20公里。傳統的集中供熱管網的最遠供暖間距，即常規的經濟供暖半徑范圍，普遍在20公里以內。長輸供熱管網特指運輸間距大于20公里并在管道中央設定有中繼泵站或隔壓站的熱力系統，長輸供熱管網的供熱建筑面積常常在1500萬平方米之上，長輸管道的公稱直徑一般大于等于DN1200。

發展城市集中供熱不僅是完善城市基礎設施，推進城市現代化進程的客觀需求，更是推動國民經濟可持續發展、節約能源、減少環境污染和提高人民生活質量的重大舉措。我國能源資源供需矛盾日益突出，供熱企業面臨的能源資源形勢比較嚴峻。能源問題影響供熱企業的經濟效益和發展前景。面臨嚴峻的能源形勢，在清潔新能源供熱熱源不足、電廠余熱利用效果差背景下，合理整合資源，降低管道輸配過程消耗，對長輸供熱管線進行方案優化設計，有利于降低供熱能耗，保障供熱質量和效率的同時節約工程成本，從而獲取經濟效益。

一、長輸供熱管線工程現狀與必要性

供熱管網作為與熱源建設和城市發展相配套的必要設施，集中供熱管網如同城市的血脈，推動著經濟社會的發展，有利于市政基礎設施和公共資源優化整合，改善居住生活環境，推動社會經濟發展，助力“資源節約型、環境友好型”社會形成。

然而受城市總體規劃、供熱技術條件以及資金等原因影響，早期供熱發展的弊端在現代開始顯現，供熱管網已無法滿足當前供熱要求。現狀管網同時供應工業和采暖熱負荷，采暖期存在壓降大、末端參數低的現象；非采暖期存在熱損大、安全隱患高的現象，嚴重影響了工業生產和居民采暖質量。長輸供熱管線設計必要性如下：

1.供熱需求的驅動

城市開發建設速度較快，集中供熱面積發展迅速，熱負荷大幅增加，但集中供熱設施的建設明顯滯后，現狀熱源供熱能力嚴重不足，已成為當前制約城市集中供熱事業發展的主要因素。

2.熱源變化的影響

隨著城市周邊熱電廠退出，中心城區將面臨熱源不足的情況，為適應集中供熱熱源變化，同時滿足城區遠期的發展需要，引入新的熱源，加緊推進長輸管線工程的建設，已勢在必行。

3.能源綠色低碳轉型體制機制和政策的需要

2022年2月10日，國家發展改革委、國家能源局聯合發布《關于完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》指出：充分挖掘現有大型熱電聯產企業供熱潛力，鼓勵在合理供熱半徑內的存量凝汽式煤電機組實施熱電聯產改造，在允許燃煤供熱的區域鼓勵建設燃煤背壓供熱機組，探索開展煤電機組抽汽蓄能改造。有序推動落后煤電機組關停整合，加大燃煤鍋爐淘汰力度。隨著城市周邊小型熱電廠的關閉，大型熱點企業供熱能力可獲得充分利用。

4.項目建設的社會效益

發展城市集中供熱不僅是完善城市基礎設施，推進城市現代化進程的客觀需求，推動國民經濟可持續發展、節約能源、減少環境污染和提高人民生活質量的重大舉措，更是加快構建清潔、低碳、安全、高效的現代能源體系，為全面建成小康社會提供堅強的能源保障，具有十分重要的引導、支撐作用。

二、長輸供熱管線工程優化設計方案

1.長輸供熱管線敷設方式及供熱介質

目前國內外關于供熱管網的敷設方式主要有四種形式：架空敷設、管溝敷設、直埋敷設及城市綜合管廊，長輸供熱管線敷設方法應根據地形地貌、管道附近的建筑設施、城市發展的因素加以綜合分析考慮，并且考慮交通、人文、經濟的發展狀況選擇合適管網敷設方式。

熱網系統以水作為熱媒，可利用質—量調節，供熱半徑大，單公里溫降小，供熱工況穩定。現階段的熱水管線直埋技術在目前國內已經是相當完善，管線本身的表面溫度也比較低，對于管線附近的一些其他的管道工程和一些城市的綠化工程影響也比較小。依據《城鎮供熱管網設計規范》（CJJ 34-2010）第4.1.2條規定：“當以水為供熱介質能夠滿足生產工藝需要，且技術經濟合理時，應采用水作供熱介質。”因此，長輸供熱管線在滿足生產、生活需求下，多采用高溫熱水作為供熱介質。

2.長輸管道穩定性設計、水擊及防范措施

長輸供熱管道大、距離長，為防止在應用中塑性變形，在承受高軸向壓應力和截面內存在缺陷部位出現局部失穩及土壤摩擦力約束熱脹變形或局部沉降造成的高內力，設計時應進行局部失穩計算，避免局部屈曲、彎曲屈曲和皺折的產生。對于局部失穩位置，采取相關措施避免失穩現象的產生。

當循環水泵突然停止運行或閥門突然關閉時，易發生水擊現象，對系統設備和管道產生沖擊，嚴重時設備發生破壞及管道破裂。水擊所能引起的最大壓強由水的密度、流速、水擊波、水聲傳播速度、管徑、壁厚等多種因素決定。當發生水擊時如不采取措施會對系統產生很大的破壞力，防范水擊措施如下：

（1）增加系統關閉和開啟時間，盡量減少直接水擊；

（2）在系統中設置安全閥，發生水擊瞬間將部分水放出；

（3）為減少對水泵的沖擊，在水泵進出管道上設置旁通管，旁通管上設置止回閥。

3.長輸管網減阻與分段閥門設計

長輸供熱管網宜對管道內壁采取減阻措施，并應采用經過測定的當量粗糙度值進行水力計算。長輸供熱管網減少輸送阻力是節能降耗的重點之一，在管道內壁采取減阻措施可減少管道沿程壓力損失，顯著降低循環水泵的電耗。

高溫熱水管道的內壁減阻材料目前尚處于試驗研究階段，減阻涂層的壽命不應小于30年，即30年內涂層無局部剝落，減阻涂層應完整、連續覆蓋熱水管道內壁。在長輸供熱管道上，建議采用成熟可靠的內壁處理技術，減小內壁當量粗糙度，可以降低管道的輸送電耗。

長輸供熱管網通常管徑較大，其閥門造價較高，從節省建設投資角度可將分段閥門的間距加大。對于長輸供熱管道，分段閥門起不到減小停供范圍的作用。與《城鎮供熱管網設計規范》相比，增大分段閥門的間距，減少閥門的數量，可以提高管道的供熱可靠性。為了降低長輸供熱管道閥門間距增加后對故障修復時間的影響，應適當加大長輸管道的放水管管徑，同時增加長輸管道系統的補水能力。為便于供熱管網檢修和運行，局部管網發生故障需要維修時不影響相鄰的管網正常供熱，同時為減少管網檢修時的泄水損失以及縮短補水時間，迅速恢復供熱應在長輸管線設置關斷閥門，閥門設置位置選擇在受力均勻的部位。

4.長輸管道預熱設計

管道敞槽電預熱安裝是指在管道整體回填之前，將管道受熱以后產生的一部分熱膨脹變形提前釋放，從而降低管道的軸向應力，減少管道滑動段的位移量，提高熱網運行安全穩定性的一種管道直埋式敷設方式。

電預熱技術的是通過電纜將電預熱設備與工作鋼管連接并構成閉合回路，將低電壓、高電流的電能作用于預熱管段，利用鋼管自身電阻發熱的原理，通過計算獲得預熱溫度及伸長量，將工作鋼管的溫度加熱到設計預熱溫度，常應用在長輸管道余熱中。長輸供熱主干線部分及市區供熱管網干線部分均采用無補償預熱安裝，以利于管道的安裝和降低工程造價；預熱方式優先采用電預熱，根據不同的預熱長度，選用不同容量的電預熱設備，一次預熱的管線長度可適當調整。

5.防腐保溫

長輸供熱熱水管道滿足規范要求可采用高密度聚乙烯外護管硬質聚氨酯泡沫塑料預制直埋保溫管及管件，要求工作鋼管、保溫層及保護層必須是三位一體緊密結合的整體性結構。聚氨酯與工作鋼管緊密結合，有效隔絕了鋼管外表面與空氣、水的接觸，具有良好的防腐性能。為增強聚氨酯保溫層分別與鋼管和高密度聚乙烯外殼管之間的抗剪切強度，鋼管外表面要進行拋丸處理和高密度聚乙烯外護管內表面進行電暈處理。

（1）管道保溫。采用氰聚塑直埋保溫管，其結構由鋼管、防腐層、保溫層和保護層四部分組成。鋼管一般采用無縫鋼管和螺旋縫鋼管。防腐層是在鋼管外表面上涂上一層具有很強防水、防腐能力的氰凝。氰凝又具有強粘性，能和聚氨脂泡沫牢固結合。保溫層是改性硬質聚氨脂泡沫塑料，密度小，導熱系數小，抗壓強度高。保溫層泡沫閉孔率不應小于90%，密度不應小于60kg/m3。保護層為高密度聚乙烯管。

（2）管道保溫材料。聚氨酯保溫材料各項性能指標應達到下表中的要求。

閉孔率 ≥88% 吸水率 (100℃，90min)≤10%平均孔徑 ≤0.5mm 斷裂伸長率 ≤350%密度 60kg/m3 拉伸強度 ≥20MPa抗壓強度 ≤0.3MPa 耐溫 135℃

6.檢漏措施

供熱管網作為城市集中供熱系統的一個重要組成部分，承擔著將熱源的熱量及時地輸送、分配給各個熱用戶的任務，但同時也是供熱系統可靠性的薄弱環節。隨著熱網規模的增大和使用年數的增長，由于管道及部件材質、敷設方式、環境、施工方法及管理等諸多因素的影響，供熱管網泄漏故障的不斷發生對運行和維護管理造成了極大的影響，嚴重妨礙了熱網運行的經濟性和安全性。為了確保供熱管網安全穩定運行，實現供熱管網現代化管理，建立供熱管網漏水故障診斷系統是確保供熱水管道網經濟、安全和提升供熱水管道網自控、管理的有效工具。

供熱管網泄漏檢測由中央計算機系統、通信網絡、現場測量站組成。中央計算機系統由服務器、操作員站、工程師站、打印機等組成，通過路由器和通信線纜接入公共通信網，實現中央計算機系統與現場測量站間的數據通信。各現場測量站均有固定的IP 地址，整個漏點檢測系統形成一個獨立的虛擬專用通信網絡，確保信息傳輸的安全性。

現場測量站主要由通信模塊、漏點檢測模塊組成。通信模塊可直接與漏點檢測模塊通信；分析檢測數據，并將數據儲存在SD卡上；建立中央計算機系統與各現場測量站間的數據通信。漏點檢測模塊的功能是測試管線與感應器導線相互之間的阻抗，利用感應器導線與其他漏點檢測模塊通訊；支持各種管段通信模塊間的傳輸；當有泄露出現時，發送報警信號。

三、長輸供熱管線工程節能分析

長輸供熱管線工程優化能夠降低供熱能耗、保障供熱效率與質量，為城市供熱系統安全穩定運行保駕護航。同時，建設長輸供熱應滿足以下幾點：

1.長輸供熱管線項目應滿足節能要求

項目設計貫徹執行《中華人民共和國節約能源法》，符合能源利用建設標準、技術標準和《中國節能技術政策大綱》中關于節能的要求，達到“節約能源，合理利用能源”的目的。主要要求如下：對表面溫度≥50℃的設備、管道均采用良好的保溫層及防護層以降低熱損失，一級網輸送效率＞92%。高溫熱水管道推薦采用直埋方式敷設，比地溝敷設可降低熱損失5～10%。對熱用戶及主要用電設備均設置熱能及電能計量裝置，并及時對熱力網供回水溫度、定壓總壓力、循環流量、供熱量、補水量進行累計記錄，加強對能耗的考核。

2.長輸供熱管線項目應滿足環境風險要求

項目的最大潛在事故是供熱管網的破裂和泄漏，在線路選材、選線、設計、防護以及工程的設計、施工、養護、維護、管理監督等各方面要給予以高度的重視，通過完善各項安全防范技術措施，落實各項應急技術措施，從找出引起災害事故發生的最基本的原因和事故根源上加以防治。管線在敷設施工時，在一些交通較為繁忙或一些經常有大型貨車頻繁出入市區的路段的主要道路上設置泄漏報警的裝置，如果發現管線上出現了滲漏，第一時間要確定滲漏地點。出現地下供熱系統管線發生嚴重爆裂現象和嚴重滲漏時，應及時關閉管道附近的關斷閥，停運相關水泵等設備，以便于管網的維修，并將損失降至最低。

四、結語

長輸供熱管線項目具有良好的社會效益、環境效益和綜合經濟效益，對建設現代化的城區、改善環境質量、提高居民生活水平具有良好助推作用，是節約能源、利國利民的民生工程。長輸供熱管線工程設計應在滿足規范、安全、節能的要求下，通過合理化的設計提高合理性、科學性、穩定性，同時采取相關措施，促進我國集中供熱發展和進步。