淺談長輸供熱管網電預熱技術應用

劉勛德，李勉之

（中鐵三局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

長輸供熱是我國目前重點推廣的一種供熱采暖方式，這種方式是一種更加具有經濟性、安全可靠性的供熱模式[1]（發電廠→加壓泵站→換熱站→熱用戶）。目前管道預熱可分為水預熱、風熱預熱及電預熱這幾種。郭彬[2]提出從安全角度出發，總結現階段市政熱力管道施工技術應用現狀，優化施工技術方案。蔡蕊[3]根據電預熱技術在直埋供熱管道的應用，提出了具有相對有效補償安裝工藝成本低、操作簡單和工期短的觀點。武斌[4]在預熱安裝可以在不增加管道壁厚的基礎上，發現了通過安裝少量的一次性補償器能夠有效降低軸向應力和局部失穩的危險性。本文在此基礎上，總結了預熱方式的選擇需要從安全節能、節約成本、周期短、效率高等方面切入，提出了電預熱無補償器方式作為優先推廣選擇的施工方式。

1 工程概況

本項目由托克托電廠敷設長輸供熱管線至呼和浩特市區，全長共104km，沿線設置2 座中繼泵站及1 座隔壓換熱站。項目管網建設包括長輸供熱管網主干線（由托克托電廠至呼和浩特市班定營村隔壓換熱站，管徑4×DN1 600mm、路由長度72km）、市區南線主干線管網（由班定營隔壓換熱站沿三環南路向東敷設至濕地公園東三路延長線，管徑2×DN1 600mm、路由長度7.0km）、市區北線主干線管網（由班定營隔壓換熱站沿二環西路向北敷設至二環北路，然后沿二環北路向東敷設至呼倫貝爾北路，管徑2×DN1 600mm，路由長度分別為17.43 和5.39km）。管網設計壓力為2.5MPa，設計流量為39 542t/h，設計供水溫度為130℃，設計回水溫度為35℃，其中供水管采用灌注式發泡的預制直埋保溫管，執行標準為GB/T29047-2021。回水管采用纏繞式預制直埋保溫管執行標準為CB/B4611-2017，壓力管道類別為GB2 類，設計工作年限不小于30 年。

2 預熱方法及優缺點

水預熱方法：利用熱水在管道內的循環，將供熱管道加熱到預熱溫度。優點：當周邊有方便并且可以利用的熱源時，采用水預熱比較經濟。缺點：當沒有方便并且可以利用的熱水為預熱管道提供熱源時，必須具備加熱設備對預熱管道提供熱水熱源，預熱費用相對高。

風熱預熱方法：利用風熱設備管道中的風進行加熱，以達到將保溫管道加熱到預熱溫度的效果。優點：以風為介質，預熱介質輕，在預熱時明顯減少了熱量因傳遞產生的熱損失，提高了預熱效率，解決了用水預熱方式時間較長的缺陷。缺點：風預熱產生的熱風，在管道中流動時與空氣大面積接觸就存在大量的熱損失，正常情況下預熱管道始端溫度會比末端管道的溫度高，約為20℃左右，嚴重影響了管道預加熱產生熱伸長的均勻性。

電預熱方法：該方法是通過使鋼管充當電阻體，應用電力實現鋼管的升溫。其明顯優勢在于鋼管內部不含任何傳熱介質，保證了熱能沿管道長度方向的均勻分布，縮短了預熱所需時間。此外，在敞開式預熱過程中，管道不會擁有錨定區域，從而有效保證了管道預熱伸長的最佳效果[5]。

3 電預熱工藝原理

直埋式保溫鋼管采取管道電加熱的方式進行預熱，如圖1所示，這一過程通過向保溫鋼管施加低壓高流量的直流電進行加熱[6]，加熱的目的是使鋼管達到其設計溫度的50%左右（例如托克托長輸供熱工程中為60℃），這樣做的原因是讓鋼管受熱發生膨脹，從而產生軸向的伸長（供熱管道在通電升溫過程及正常供暖運行中既會沿軸向也會徑向進行熱膨脹與收縮，但由于管道長度通常遠超過其直徑，所以通常只考慮沿軸向的伸縮）。待鋼管伸長至設計長度后，即采取固定措施，其中固定鋼管的主要方式是借由鋼管管腔的回填土和覆蓋在鋼管頂部的土壤所產生的摩擦力來實現。

圖1 電預熱工藝示意圖

采用上述工藝為熱力輸送管提前施加特定的拉力，此舉確保了在管路開始正式運行并達到管線預熱溫度時，其內應力歸零。隨后溫度上升至正常使用溫度時，管道所承受的壓力應力會比允許應力水平低，因此無需使用補償裝置也能保證正常運轉。此外，該方法還能預防管道在工作時由于溫度帶來的應力過高導致的異常伸展或潛在的結構性損壞。

4 電預熱施工工序

4.1 施工工藝

供熱管道施工工藝如圖2 所示。

圖2 供熱管道施工工藝示意圖

4.2 電預熱施工要點

（1）根據施工現場實際情況進行區段的劃分，建議將500 ～1 000m 劃分為一個預熱段。

（2）依照常規施工流程進行管溝挖掘，對管道進行焊接且完成無損檢測、進行耐壓測試以及施行接口保溫處理[7]。

（3）確保預熱成效，必須清除鋼管內部的積水直至完全排空。

（4）當達到預熱要求時，必須實施預防管線橫向位移的手段，并以沙土作為回填材料將管溝填滿至不超過管體外部直徑3/4 的高度。

（5）如圖3 所示，在管端處焊固14 顆錨栓（型號M12 或M16，長度需小于50mm），使其間距保持不少于100mm，方便電纜的安置。錨栓的裝置點要遠離管端不少于30mm，且焊接需要完全穿透嚴密，嚴禁出現未焊透的部分。

圖3 錨栓焊接工藝示意圖

（6）平整電預熱設備放置場地，保障預熱設備擺放位置干燥（防止漏電等安全隱患，對人員和設備的安全造成威脅）、安全（距離基坑不得小于1.5m 且與管端錨栓位置的電纜連接長度不得超過8m）。

（7）安裝溫度傳感器：在管頂距離管端（預熱設備存放端）向內管尾方向12m 處管道保溫的塑料保護外殼上開口，以安裝溫度檢測傳感器，確保將檢測探針緊密接觸并牢固地安置在鋼質管道表層。

（8）在預熱管道縱向的前后兩端，分別安裝一臺同一廠家生產的測量儀器（通常選用刻度清晰準確的米尺），用來測量管道縱向膨脹后的伸長量及降溫后的回縮量。

（9）在管道末端安裝密封裝置。

（10）將電纜連接鋼管管端和設備，如圖4 所示。

圖4 管道設備安裝工藝示意圖

（11）打開機器開關后，記錄初始溫度。

（12）電預熱過程中要嚴格控制升溫速度，因本項目管徑為DN1 600，所以升溫速度控制在2℃/h（施工期間溫度為25℃～32℃，電預熱段的預熱時間控制在20h 左右）。期間每小時巡檢一次，并做好電預熱施工記錄。在達到預設的加熱溫度后（本項目長輸部分設計供水溫度130℃，預熱溫度為60℃），檢查各個管道的總長度，管道伸長量如式（1）所示，看其是否滿足預定的總長度要求，及時組織進行驗收。

預熱管道伸長量的計算：

（13）當完成四方現場驗收流程后，需立即組織人員機械設備按照設計標準進行管溝回填，并逐步進行分層流水夯實作業，如圖5 所示，確保回填土密實度滿足設計圖紙要求，且符合現行標準《城市供暖管線工程施工和驗收規范》（CJJ28）的規范要求，并應在規定時間（24h，不超過30h）內完成回填土工作。必須按照設計要求進行分層夯實，如果由于回填質量達不到設計要求而出現預熱段回縮量超過設計要求，則預熱失敗，需重新預熱[9]。應當自預熱管道段的雙側逐步進行回填作業，若無法在短期內完成回填夯實，則會引發預熱管道段產生過度的回縮現象。

圖5 管道回填工藝示意圖

（14）回填土分層高度和壓實度達到設計要求后，立即關閉預熱設備（防止資源浪費），拆除附件。

5 電預熱施工注意事項

（1）為了阻止氣體的流動，影響管材的伸展，需要在預熱管段的兩端用帽子或塑料薄膜進行封閉。

（2）電預熱時可以帶著閥門一起預熱，閥門井需要在電預熱完成后方可修建。

（3）所有分支三通在電預熱完成前，不得與三通分支進行連接，電預熱過程中必須敞溝。

（4）除在預熱段末端為了形成回路而進行的連接，兩條供水管道其余部位禁止出現橫向聯通形成短路。

（5）彎頭和彎管可以參與電預熱，但需按照冷安裝進行選型和敷設，以保護彎頭和彎管，使其能夠安全運行。

（6）彎頭和彎管雖具備一定補償能力，但如果其兩端連接的直管段在冷安裝敷設情況下運行時的受熱變形不能被其完全吸收，并且直管段又過短而不能獨立進行預熱（獨立預熱回縮量過大），則需將直管段、帶彎頭和彎管劃分在同一個預熱段中進行預熱。

（7）管溝回填必須按照設計要求進行分層夯實。如果由于回填質量達不到設計要求而出現預熱段回縮量超過設計要求，則預熱失敗，需重新預熱。

6 結論

發電廠熱源通過長輸管道為城市進行供熱，是我國減少能源消耗的有效途徑，節能增效、安全可靠、經濟性好是加熱工藝發展的趨勢。本文提出長輸管道電預熱（無補償器）加熱工藝相比其他傳統工藝（水預熱、風熱預熱）能更好地保障預熱效率，適合廣泛應用的結論，具體表現為：

（1）電預熱工藝可以克服環境對管道加熱效果的影響；

（2）電預熱工藝更加節約成本，縮短施工周期；

（3）電預熱工藝操作更加方便安全。