供熱管網電預熱安裝無補償敷設設計及施工要點淺析

關鍵詞：熱電聯產，分布式光纖泄漏監測系統，無補償敷設，電預熱安裝，保溫一體式滑動支架

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.12.034

0 引言

供暖熱源由熱電聯產集中供熱替代原燃煤鍋爐熱源，熱電聯產應用了高效環保技術和工業鍋爐，供熱效率大幅提升[1-2]，有效發揮經超低排放的熱電聯產集中供熱的經濟性、環保性、能源可靠性等優勢[3-4]。積極推廣和實施熱電聯產集中供熱，可有效改善地區大氣污染現狀和供熱質量，是實現地區節能減排目標的必要途徑。

熱電聯產集中供熱管網的敷設方式有地溝敷設、架空敷設及直埋敷設三種形式。城鎮道路上和居住區內的供熱管道宜采用地下敷設[5]，地下敷設宜采用直埋敷設[5-6]。直埋敷設與地溝及架空敷設相比，具有運行安全性較高，造價低，使用壽命長，開挖面積小，土方量較管溝敷設小，施工周期短，熱損失小，維護工作量小，運行經濟等優勢。直埋敷設可分為有補償器的安裝敷設和無補償器的安裝敷設，不設補償器的供熱管道安裝形式可分為冷安裝、預熱安裝兩種[7 ]。冷安裝完成后，供熱管道錨固段需要承受很大的軸向應力，對供熱管道的埋深、壁厚、折角、焊縫檢測等要求更高，無補償電預熱安裝技術是對傳統供熱管道安裝方式的創新，提前釋放管道的部分熱脹變形，降低運行時的工作鋼管軸向力，近年來在供熱領域得到了廣泛的應用[8-10]。

1 管網及泄漏監測系統設計

1.1 零次側管網設計

根據該縣城供熱基礎資料，縣城原供熱范圍內現狀供熱面積為20 0萬平方米，供熱負荷約102MW。遠期供熱面積300萬平方米，設計供熱負荷148MW。原供暖熱源為2臺29 MW和1臺70 MW的燃煤鏈條高溫熱水鍋爐，熱電聯產項目實施后，以某電廠作為熱電聯產供熱熱源，充分利用電廠高效、低碳、清潔、環保的集中供熱熱源，實現城區100%清潔供暖。

根據項目遠期供熱面積及供熱負荷，管網管徑確定為DN 8 0 0，新建零次側供熱管網自電廠換熱首站接至原熱源廠內新建隔壓泵站，敷設長度約2*10 km，供熱管網設計工作壓力2.0 MPa。供熱管網直管段采用預熱安裝無補償敷設方式，折角較多管段熱網管道采用冷安裝直埋敷設方式。為保證和提高了供熱管網后期運行的安全性和可靠性，供熱管網設計整體采用分布式光纖泄漏監測系統，該系統和供熱管網同步設計、同步施工[11-12]。

1.2 泄漏監測系統設計

分布式光纖泄漏監測系統是利用與供熱管道同溝敷設的傳感光纜中的光纖作為分布式傳感器，長距離連續實時監測高溫水管道沿線的溫度變化情況，并將監測數據自動傳輸至監控調度中心，具備對監測數據進行批量存儲、分析、歷史數據回溯和對比功能[11]。該系統主要由地埋式鎧裝測溫光纜、測溫主機（連續分布全光纖測溫儀）和預警管理終端三大部分組成。能夠判斷泄漏情況和定位泄漏位置，及時報警，起到安全預警的作用，并能夠對這些事件進行精確的定位，通過與地理信息系統的信息交互，顯示事件發生地的具體位置，指導快速維修等。

2 特殊節點穿越設計

新建零次側供熱管網自電廠換熱首站接出，管網采用直埋敷設方式，敷設途中穿越高速、公路、涇河某支流、排洪溝等特殊地段，根據相關主管部門的要求及批復，設計提出了相應的管網敷設解決方案。

2.1 下穿高速、公路方案

供熱管網敷設途中，分別下穿高速高架橋一次、下穿公路一次，根據相關主管部門的批復，設計方案確定為頂管穿越，頂管采用DN 1600鋼筋混凝土套管。考慮到供熱管道在已完成頂進的鋼筋混凝土套管中的焊接連接和鋼筋混凝土套管內運輸，設計了基于硬質聚氨酯泡沫塑料直埋保溫管的保溫一體式滑動支架，不破壞預制保溫管的外護管和保溫層，滑動支架設計安裝詳圖和現場制作圖分別見圖1、圖2。

2.2 下穿涇河某支流方案

供熱管網敷設穿越涇河某支流已建堤防和主河槽采用管溝敷設方式，埋設管道長度144 m，根據項目防洪評價及水務部分的批復文件，要求管道穿越該河流處管溝頂埋置深度至深泓點高程以下2米，考慮供熱管道安裝及后期預留管網安裝條件，管溝凈尺寸斷面設計確定為4.0 m×2.5 m，地溝管道布置斷面詳見圖3。

2.3 下穿排洪溝方案

供熱管網敷設途中，共5次穿越排洪溝已建或在建堤防，穿溝管道采用直埋敷設方式，根據項目防洪評價及水務部分的批復文件，管道穿越排洪溝處埋置深度至深泓點高程以下2 m。熱力管道穿越河床須下翻至穩定河床底2 m以下敷設，由于暫無排洪溝的穩定河床測量標高，具體下翻高度以現場實際測量數據為準，兩側下翻方案分別采用兩組170°、曲率半徑為20 D的預制保溫圓弧彎管及長度3米的保溫短管焊接連接，調整至設計要求敷設標高，管道兩側及管頂回填300 mm厚砂墊層，砂墊層外上側采用250 mm鋼筋混凝土蓋板，蓋板上側設素混凝土灌注片石，高度50 0 mm、長度為排洪溝溝寬，熱力管道穿越排洪溝直埋敷設詳見圖4。

3 電預熱設計及安裝

本項目供熱管網平直管段設計采用電預熱安裝無補償直埋敷設方式，折角較多處管段采用冷安裝直埋敷設方式。

3.1 電預熱安裝原理及優勢

電預熱安裝技術是將供、回水管道作為電阻與電預熱設備通過電纜連接并構成閉合回路，在輸入口提供高電流、低電壓（一般低于50 V）的電能，將供熱管道溫度加熱到預熱安裝的設計溫度[13-15]。該過程主要是電流做功的結果，由于管道施工現場環境復雜，電預熱設備輸出電壓過高對施工現場人員、設備及其他設施造成潛在的安全隱患，容易引發安全事故，因此電預熱設備的輸出電壓一般控制在安全電壓50 V以下。

無補償電預熱安裝技術是對傳統供熱管道安裝方式的創新，可最大限度地減少補償器和固定墩數量，薄弱環節少，管線整體防水、防腐性能較好，推廣和應用具有以下的一些技術優勢。

（1）經過預熱安裝處理，工作鋼管軸向應力僅為采用無補償冷安裝方式的約50%，降低了運行時的軸向力。

（2）相對于冷安裝壁厚不需要增加，同時可取消大部分補償器和固定墩，增加了部分預熱施工的費用，工程投資較低，提高管網的安全性、穩定性和長期的使用壽命。

（3）預熱后的供熱管網運行時，大部分管段由于形成錨固段不會產生管道軸向熱位移；只有小部分管段會產生熱位移，產生的最大熱位移為冷安裝方式熱位移的一半。

（4）薄弱環節少，鋼管軸向應力較小，故障率低，維護工作量小。

（5）安全性高，電預熱設備的低電壓、高電流和自動保護裝置保障了現場人員和設備安全。

3.2 敞槽預熱設計

根據標準規范建議，預熱安裝一般采用敞槽預熱，當在現場不具有敞槽預熱的條件時，可以采用覆土預熱[11-12]的方式。本設計采用敞槽預熱方式，管溝回填砂可以回填到保溫管道外徑的3/4，這時管道伸長不影響管道的形態，同時對預熱段的伸長量影響小。先進行管道預熱，當預熱溫度及伸長量達到設計要求驗收完成后進行回填和夯實，預熱段的計算安裝溫度一般根據平均應力溫度確定，在該溫度下管道最大拉應力和最大壓應力保持一致，平均應力溫度的預熱計算安裝溫度t _p[12]見式（1）和式（2）。

結合敞槽預熱的特點和常規電預熱設備容量，對供熱管道進行分段預熱和連接，預熱管段長度一般不超過1000 m，不宜小于500 m[11]。如果小于500 m也能進行預熱，但是其回縮量較大，預熱效果較差，可以通過更加優化的分段方案來解決。因此預熱管段長度L_pr 分別按最小500 m、最大1000 m進行計算，針對熱電聯產常用管道規格DN30 0～DN 140 0，預熱計算安裝溫度及預熱管段的熱伸長量計算結果詳見表1。

根據表1計算結果，本項目零次側供熱管網管徑DN 800，鋼管規格尺寸Φ 820*12，預熱計算安裝溫度t_p計算值為56.9 ℃，因此設計確定最終電預熱安裝的設計溫度為56 ℃。預熱管段最短長度為500 m時，預熱管段的熱伸長量計算值為0.291 m；預熱管段最長長度為1000 m時，預熱管段的熱伸長量計算值為0.581 m，在項目實際預熱安裝施工中，預熱伸長量應達到計算伸長量[12]。

3.3 預熱安裝施工要求

供熱管網電預熱安裝和施工中，需要注意以下幾方面的技術措施和施工要求。

（1）電預熱安裝需要供回水管形成閉合回路，預熱管段內部不能有積水，預熱段兩端端頭出現積水時，需要將水抽干并使管道內干燥。

（2）本工程采用電預熱方式對每個預熱段利用回水管作為導體，對供水管進行預熱。

（3）采用敞溝電預熱，兩個預熱段之間，留有3～4 m的空間，預熱完成后兩個預熱段之間，采用3 m長短管連接。

（4）預熱前應布置好測溫點，測溫點距離預熱管道端部不應小于12 m；預熱過程中，溫度控制應穩定，管道溫升不宜超過5 ℃/h。

（5）對于直管段，應以預熱溫度下管道的實際伸長量等于計算伸長量作為驗收標準；對于含有彎頭、三通等能夠吸收熱補償部件的預熱段，管道的彎頭、三通處應按設計要求設置泡沫墊以吸收管道位移，應以達到預熱溫度及計算伸長量的80% 作為驗收標準；當達到預熱溫度，而實際伸長量未達到計算伸長量的80% 時，預熱溫度最高可提高5 ℃，并應以預熱溫度作為驗收標準[12]。

4 結語

本項目供熱管網在設計及安裝中，供熱管網平直管段采用預熱安裝無補償敷設方式，根據相應計算設計確定電預熱安裝的設計溫度為56 ℃，并確定了最短、最長預熱管段下的熱伸長量，方便指導實際預熱的施工和驗收，預熱處理降低了鋼管軸向應力，管網安全性提高、運行風險低。敷設途中穿越高速、公路、涇河某支流、排洪溝等特殊地段，提出了相應的管網敷設方案，并對頂管施工針對性提出了保溫一體式滑動支架，方便管道的焊接連接和鋼筋混凝土套管內運輸。供熱管網設計整體采用分布式光纖泄漏監測系統，實時監測供熱管網的溫度和泄漏情況，可以及時發現泄漏并采取措施進行修復，從而保障了供熱管網長期運行的安全性、可靠性。

作者簡介

蘇繼程，碩士，高級工程師，從事供熱節能、暖通空調咨詢和設計工作。

（責任編輯：張瑞洋）