桂伊佳

大連源信建筑設(shè)計(jì)有限公司 遼寧 大連 116600

目前看來(lái)，很多城市建設(shè)的集中供熱管網(wǎng)仍存在諸多問(wèn)題，尤其是熱能浪費(fèi)、防腐問(wèn)題十分嚴(yán)重，影響城市生產(chǎn)、社會(huì)大眾生活十分明顯，為解決此類(lèi)問(wèn)題，相關(guān)工作者必須仔細(xì)研究城市集中供熱管網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，從現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，不斷探究城市集中供熱管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，使城市集中供熱管網(wǎng)變得更為穩(wěn)定，顯著助推行業(yè)及城市化建設(shè)的發(fā)展。

1 城市集中供熱發(fā)展?fàn)顩r

現(xiàn)階段看來(lái)，很多城市都是在以熱力聯(lián)合生產(chǎn)的方式進(jìn)行集中供熱，部分區(qū)域采用鍋爐房進(jìn)行供熱，能夠基本滿足供熱需求。在城市化建設(shè)日益推進(jìn)的背景下，政府部門(mén)普遍重視集中供熱，基本都在號(hào)召相關(guān)單位加大集中供熱設(shè)施建設(shè)力度，使得集中供熱走上了現(xiàn)代化的發(fā)展之路，在這一背景下，建設(shè)有集中供熱系統(tǒng)的城市日益增多，供熱面積連年擴(kuò)大，帶動(dòng)了集中供熱總量的持續(xù)上升。但值得說(shuō)明的是，很多城市在建設(shè)供熱管網(wǎng)的初期，并未仔細(xì)了解城市建設(shè)的實(shí)際情況，并通過(guò)多方走訪，采用專(zhuān)業(yè)技術(shù)搜集數(shù)據(jù)，導(dǎo)致集中供熱管網(wǎng)擴(kuò)展能力不佳，在后期無(wú)法進(jìn)行擴(kuò)建[1]。很多城市建設(shè)的供熱管網(wǎng)，都是在以單一枝狀進(jìn)行延伸，實(shí)踐證明這種管網(wǎng)形式有利于幫助供熱單位節(jié)約成本，但也會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)線路出現(xiàn)諸多不合理現(xiàn)象，如，部分單位為了滿足特殊用戶的需求，會(huì)對(duì)管網(wǎng)實(shí)施加粗，導(dǎo)致二次管網(wǎng)管徑明顯大于主管網(wǎng)，對(duì)管網(wǎng)的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)造成負(fù)面影響。總而言之，為保障集中供熱的可持續(xù)發(fā)展，有必要對(duì)管網(wǎng)實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。

2 城市集中供熱管網(wǎng)的布置方式

就目前來(lái)看，城市集中供熱管網(wǎng)的布置方式主要分為環(huán)狀、枝狀兩種，具體而言，前者主要指的是將供熱干線以環(huán)形連接在一起，為城市給予聯(lián)合供熱的一種形式，供熱期間，環(huán)狀管網(wǎng)會(huì)連接熱源，從而將熱量輸送至需要的區(qū)域。枝狀管網(wǎng)顧名思義，就是一種呈現(xiàn)為樹(shù)枝狀的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式，在管網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工上有著一定的優(yōu)勢(shì)。從不同角度出發(fā)，對(duì)2種不同的布置方式展開(kāi)對(duì)比，本文認(rèn)為這兩種方式具有的優(yōu)勢(shì)是不同的，如，在投資、管理成本方面，枝狀管網(wǎng)更具優(yōu)勢(shì)，不僅成本低廉，管理起來(lái)也較為簡(jiǎn)單，而從管網(wǎng)運(yùn)行工況的角度上來(lái)看，環(huán)狀管網(wǎng)更具優(yōu)勢(shì)，安全性強(qiáng)，能夠令熱源實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充調(diào)劑，在能源利用方面有著可觀的優(yōu)勢(shì)。

3 城市集中供熱管網(wǎng)敷設(shè)分析

3.1 敷設(shè)方式

（1）地下直接敷設(shè)

地下直接敷設(shè)是供熱管網(wǎng)敷設(shè)的重要形式之一，此種形式下，熱力管網(wǎng)大多是以3種類(lèi)型進(jìn)行直埋：無(wú)補(bǔ)償直埋、增設(shè)一次性補(bǔ)償器直埋、增設(shè)直埋式熱力管道補(bǔ)償器。一般來(lái)講此種敷設(shè)方式在以熱水為熱媒的管道中更為常用，同時(shí)對(duì)管徑也有著一定的要求，一般適用于管徑不大的區(qū)域。應(yīng)用該種方式的前提下，熱力管道有著一定的埋深，主要依靠管道、土壤摩擦力限制熱力管道的熱伸長(zhǎng)，在為溝槽敷土前，可對(duì)管道實(shí)施預(yù)處理，一般可將預(yù)熱溫度控制在安裝/運(yùn)行溫度差的50%以?xún)?nèi)[3]。在增設(shè)一次性補(bǔ)償器時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)仔細(xì)查看補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力，分析其是否契合預(yù)熱溫度管道的伸長(zhǎng)量，實(shí)際工作中應(yīng)當(dāng)對(duì)安裝完畢的管道實(shí)施熱處理，在伸長(zhǎng)量符合要求后，有必要對(duì)補(bǔ)償器活動(dòng)處實(shí)施焊接，而后再進(jìn)行土體回填。在增設(shè)直埋式補(bǔ)償器時(shí)，有必要設(shè)定好固定敷，并采用專(zhuān)業(yè)技術(shù)搜集數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算確定間距，一般來(lái)講補(bǔ)償器必須同管道熱伸長(zhǎng)需求相契合，在此基礎(chǔ)上還應(yīng)計(jì)算管道預(yù)熱時(shí)感受到的推力，核算管道斷面承受的應(yīng)力，若應(yīng)力不高于運(yùn)行溫度下鋼材的許用應(yīng)力，則可進(jìn)行施工。

（2）地下有溝敷設(shè)

地下有溝敷設(shè)也是一種典型的管網(wǎng)敷設(shè)方式，一般指的是將熱管道敷設(shè)在地溝內(nèi)部，此種情況下，管道并不承擔(dān)外界提供的荷載。一般來(lái)講這一方式下，可供技術(shù)人員使用的地溝主要分為3種：通行地溝、不通行地溝、半通行地溝。通行地溝中，技術(shù)人員應(yīng)聯(lián)合敷設(shè)供熱管道與其他管道，此種情況下，對(duì)管道實(shí)施檢修、維護(hù)是較為便利的，但一般需要技術(shù)人員耗費(fèi)較多的投資。不通行地溝相較于其他兩種地溝，有著更小的斷面尺寸，此種地溝的投資成本一般較低，故而適用性相對(duì)廣泛；半通行地溝內(nèi)人行通道的尺寸通常較窄小，在使用此種地溝敷設(shè)供熱管道時(shí)，相關(guān)工作者應(yīng)在地溝內(nèi)做好巡視工作。

3.2 熱力管網(wǎng)補(bǔ)償

（1）熱力管網(wǎng)的補(bǔ)償方式

熱力管網(wǎng)補(bǔ)償方式一般包括兩種：其一，自然補(bǔ)償，其二，補(bǔ)償器補(bǔ)償。所謂自然補(bǔ)償主要指的是借助管道本身在自然彎曲時(shí)，產(chǎn)生的彈性，驅(qū)動(dòng)管道產(chǎn)生熱變形。若管道長(zhǎng)度位于15~25m之間，彎曲應(yīng)力不超過(guò)80MPa，使用此種補(bǔ)償方式可取得顯著效果；所謂補(bǔ)償器補(bǔ)償方式，主要指的是通過(guò)在管路上加設(shè)補(bǔ)償器，使管道熱變形量達(dá)到要求的一種方式，目前應(yīng)用較多的補(bǔ)償器有波紋形、方形等多種，在自然補(bǔ)償無(wú)法取得良好效果時(shí)，技術(shù)人員可嘗試使用補(bǔ)償器進(jìn)行處理。

（2）波紋管補(bǔ)償器在熱力管網(wǎng)中的應(yīng)用

本文著重介紹波紋管補(bǔ)償器在熱力管網(wǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。該補(bǔ)償器由多個(gè)不同的波紋管結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，常被用于吸收溫度變化導(dǎo)致的管道尺寸變化，承壓能力可觀，同時(shí)結(jié)構(gòu)也較為緊湊，有著一定的耐腐蝕能力。在將波紋管補(bǔ)償器應(yīng)用于熱力管網(wǎng)的過(guò)程中，相關(guān)工作者應(yīng)重點(diǎn)就波紋管的材料、性能做好考量，確保能夠較好地發(fā)揮補(bǔ)償器的作用。如，若熱管網(wǎng)是被敷設(shè)在地下溝中，有必要仔細(xì)分析材料的抗腐蝕性，避免雨水、污水對(duì)補(bǔ)償器造成腐蝕，影響其性能。在安裝波紋管膨脹節(jié)之前，應(yīng)當(dāng)仔細(xì)檢查膨脹節(jié)的型號(hào)與規(guī)格，確保其合理。安裝期間，有必要調(diào)整好內(nèi)襯筒的方向，確保其與流動(dòng)方向一致，令波紋管補(bǔ)償器得以更好地發(fā)揮作用。

4 城市集中供熱管網(wǎng)現(xiàn)存問(wèn)題

對(duì)本地區(qū)集中供熱管網(wǎng)展開(kāi)分析，認(rèn)為其存在如下幾方面的問(wèn)題：

4.1 保溫問(wèn)題

換熱站在城市集中供熱管網(wǎng)中承擔(dān)著極為重要的作用，在熱水加熱到一定溫度后，換熱站會(huì)驅(qū)動(dòng)熱水沿著管道流動(dòng)，將熱量傳遞到溫度低的管道介質(zhì)內(nèi)，使熱水溫度向著低水平的方向發(fā)展。目前技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)高度關(guān)注城市集中供熱管網(wǎng)面臨的保溫問(wèn)題，通常情況下，使用不合理的保溫材料敷設(shè)管網(wǎng)、管網(wǎng)保溫層厚度不合理、管道頂部覆土埋深不合理等問(wèn)題，均會(huì)導(dǎo)致保溫問(wèn)題的高發(fā)。此外，在設(shè)計(jì)階段，若設(shè)計(jì)人員未控制好管道的外徑，也會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)在運(yùn)營(yíng)階段出現(xiàn)一系列的保溫問(wèn)題。通常情況下，若保溫管道有著較大的外徑，且管道內(nèi)水、管壁接觸面積較大，導(dǎo)致熱量散失表面積大，也會(huì)增多管道內(nèi)的熱損失，尤其是會(huì)使得管道內(nèi)水的熱量傳遞至管道外，最終導(dǎo)致保溫問(wèn)題的頻頻出現(xiàn)。

4.2 防腐問(wèn)題

城市集中供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)人員必須高度重視做好防腐層設(shè)計(jì)，這對(duì)管道防腐的性能有著極為顯著的影響。現(xiàn)階段看來(lái)，城市集中供熱管網(wǎng)防腐層設(shè)計(jì)還有較大改善空間，部分設(shè)計(jì)人員選擇防腐方法較盲目，工藝操作過(guò)程一般無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)要求。此外，還有部分設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的防腐方法并不符合管道的實(shí)際情況，與工程的實(shí)際需求相差甚遠(yuǎn)，也導(dǎo)致了防腐問(wèn)題的高發(fā)，主要表現(xiàn)為防腐層與管道的不匹配。部分設(shè)計(jì)人員會(huì)為了降低設(shè)計(jì)成本與技術(shù)難度，盲目選擇普通防腐層，導(dǎo)致管道的防腐效果難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)營(yíng)階段中，集中供熱管道受外界環(huán)境影響極為明顯，會(huì)對(duì)集中供熱形成突出的干擾作用。

5 城市集中供熱管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 構(gòu)建管網(wǎng)優(yōu)化模型

為更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)城市集中供熱管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮初始投資額與施工技術(shù)，其次應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮管網(wǎng)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中究竟會(huì)產(chǎn)生怎樣的能量輸送損失，在綜合考慮管網(wǎng)分流節(jié)點(diǎn)、水力穩(wěn)定性、初始投資、流體形成壓力損失等參數(shù)的前提下，選擇合適的管徑，并調(diào)整好保溫層的厚度，以合理的保溫材料完成設(shè)計(jì)，確保集中供熱管道能夠?yàn)橛脩籼峁┳銐虻臒嶝?fù)荷。設(shè)計(jì)人員可從熱能輸送的角度入手，搭建有關(guān)集中供熱管網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型。假定集中供熱管網(wǎng)在輸送熱能的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)榱黧w與環(huán)境之間存在溫差，以及流體與管壁之間的摩擦力而產(chǎn)生一定的熱量損失，可將能量及能量損失的量綱，分別作為節(jié)能型、經(jīng)濟(jì)型量綱，將通過(guò)流體流量一定的一道管道視作一管段，經(jīng)過(guò)一段運(yùn)行時(shí)間后，供熱管網(wǎng)內(nèi)部水流的流速將變得更為平穩(wěn)，通過(guò)分析壓力、散熱損失，可將進(jìn)口位置熱量?、壓力?、機(jī)械?（分別記為E1、E2與E3）相加得到熱水在進(jìn)口位置的?，將出口位置熱量?、壓力?、機(jī)械?（分別記為E’1、E’2與E’3）相加得到熱水在進(jìn)口位置的?，此種情況下可使用如下公式算出熱水損失能量E0：

在管段一定的情況下，管道各截面熱量有著不同的流動(dòng)速度，這一速度往往與管道標(biāo)高之間無(wú)較大差異，而進(jìn)出口位置的壓力?、熱量?，一般只受到流量、年運(yùn)行時(shí)間等因素的影響[4]。此外，保溫工程的投資費(fèi)用也是供熱管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)考慮的因素，一般需要考慮管道材料與施工費(fèi)用、保溫材料與施工費(fèi)用、保護(hù)層材料與施工費(fèi)用之間的關(guān)系，此外還應(yīng)考慮管道外徑、保溫材料外徑、保溫層厚度等因素。

5.2 做好保溫優(yōu)化設(shè)計(jì)

在建設(shè)完畢集中供熱管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型后，為明確參數(shù)，有必要結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，做好核算工作。以對(duì)某集中供熱一級(jí)網(wǎng)主管道的設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)人員擬設(shè)計(jì)2供2回供熱管道DN1400mm，數(shù)量共有4根，將設(shè)計(jì)流量控制在15500t/h，總循環(huán)流量控制在31000t/h。將中繼能源站設(shè)置在管道的末端，同市區(qū)管道連接在一起[5]。始端、中繼能源站一級(jí)主管道設(shè)計(jì)溫度控制在135/30℃，設(shè)計(jì)壓力控制在2.6MPa，尾端、中繼能源站設(shè)計(jì)溫度控制在120/25℃，設(shè)計(jì)壓力控制在1.8MPa，主管線輸送距離為40.0km，其中20.5km屬于直埋敷設(shè)，其他距離為架空敷設(shè)。對(duì)供熱規(guī)模與采暖綜合指標(biāo)展開(kāi)計(jì)算，前者控制在8200×107m2，將后者控制在55W/m2、4125MW。依照工程供熱要求，選擇供熱管網(wǎng)材料，最終選擇HCFC141b體系的高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯3層結(jié)構(gòu)材料，并使用硬質(zhì)泡沫塑料預(yù)埋直埋保溫管，設(shè)計(jì)高密度聚乙烯保護(hù)層，使用離心玻璃棉管殼作為架空保溫材料，該材料有著熱損失小、成本低廉的特點(diǎn)。

在確定管道使用的保溫材料后，對(duì)初投資展開(kāi)計(jì)算，力求找到保溫效果佳，且投資費(fèi)用較低的組合，最終得出結(jié)論：在保溫層厚度為0.066m、架空管道保溫層厚度為0.095m時(shí)，供熱管道擁有的年均總費(fèi)用是較低的，此時(shí)室外日平均溫度不超過(guò)-3℃，對(duì)直埋管的供水溫度、回水溫度實(shí)施計(jì)算，認(rèn)為其符合要求，能夠保障經(jīng)濟(jì)保溫厚度下采暖季節(jié)總耗熱量合適。

此外，若技術(shù)人員采用枝狀形式布局管網(wǎng)，可先明確管網(wǎng)主干線，為用戶管網(wǎng)的各個(gè)分流節(jié)點(diǎn)給予一一的編號(hào)，將熱源設(shè)置為0，順流動(dòng)方向設(shè)計(jì)分流節(jié)點(diǎn)分別為1、2...m-1，將相應(yīng)的管段記錄為L(zhǎng)1、L2...，依據(jù)熱流量、分流節(jié)點(diǎn)流量平衡原則，求解管段設(shè)計(jì)流量，由主干線末端管段開(kāi)始，在設(shè)計(jì)約束條件的前提下，選擇合適的管徑，首先確保m-1節(jié)點(diǎn)位置管線總費(fèi)用、末端管段總費(fèi)用相加值合理，最終在成本處于最小水平的情況下，得到最優(yōu)的管徑?？捎勺钚《朔ǖ贸鰡挝婚L(zhǎng)度管道造價(jià)與管徑之間的關(guān)系，符合如下公式：

其中di指的是公稱(chēng)直徑，f（di）指的是單位造價(jià)。結(jié)合上述公式，可將管網(wǎng)直徑、管網(wǎng)費(fèi)用確定出來(lái)。如，在管網(wǎng)公稱(chēng)直徑為1400mm的情況下，可得出管網(wǎng)造價(jià)為840.0萬(wàn)元/km。

5.3 做好防腐優(yōu)化設(shè)計(jì)

鑒于供熱管網(wǎng)防腐問(wèn)題發(fā)生得較為頻繁，必須重點(diǎn)做好防腐優(yōu)化設(shè)計(jì)。一般來(lái)講，在集中供熱管網(wǎng)中，不論是水的溫度條件、酸堿度還是水中溶解氧的濃度，都會(huì)對(duì)管道的防腐能力產(chǎn)生突出的影響，如，管道濕度較大的情況下，腐蝕問(wèn)題會(huì)變得更為嚴(yán)重。故而，在設(shè)計(jì)階段中，設(shè)計(jì)人員可多選擇那些具有一定吸水性的保溫材料，此外也可將防水層設(shè)置在管網(wǎng)保護(hù)層外部，避免水涌入保溫層之中。此外也應(yīng)針對(duì)介質(zhì)溫度做好控制，避免高溫造成管道內(nèi)部腐蝕問(wèn)題頻發(fā)[6]。在此基礎(chǔ)上，可通過(guò)增設(shè)除氧系統(tǒng)，將水中溶解氧的濃度控制在合理范圍內(nèi)，使供熱管網(wǎng)內(nèi)部的pH值也變得合理。結(jié)合亨利定律可知，氧在水中的溶解度，同接觸氣體的氧分壓有著正相關(guān)關(guān)系，可將除氧水、已脫氧氣體混合在噴射器內(nèi)部，使溶解于室內(nèi)的氧擴(kuò)散至氣體，實(shí)現(xiàn)除氧。實(shí)踐證明，噴射器進(jìn)口水壓會(huì)對(duì)除氧效果產(chǎn)生一定的影響作用，故而設(shè)計(jì)人員必須優(yōu)先選擇揚(yáng)程合適的除氧泵，并將除氧泵流量設(shè)置好（一般設(shè)置為給水流量的1.25倍是較為合適的），之后可將止回閥安裝在除氧解析器與水箱之間，提升除氧防腐的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，熱量是寒冷地區(qū)城鄉(xiāng)居民在冬天最為基礎(chǔ)的需求，在基礎(chǔ)建設(shè)投資力度逐年增加、城鎮(zhèn)化建設(shè)飛速發(fā)展、城鄉(xiāng)居民供熱需求日益提升的時(shí)代背景下，城市供熱行業(yè)無(wú)疑有著極為廣闊的發(fā)展前景。近年來(lái)，城市供熱管網(wǎng)部署面積有了穩(wěn)定的增長(zhǎng)，我國(guó)城市集中管網(wǎng)布局有著枝狀、環(huán)狀兩種不同的特點(diǎn)，在進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須綜合考慮這兩種不同管網(wǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，避免管網(wǎng)存在保溫、防腐等一系列的問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員必須綜合考慮各類(lèi)因素，爭(zhēng)取凸顯優(yōu)勢(shì)、規(guī)避劣勢(shì)地設(shè)計(jì)城市供熱管網(wǎng)，結(jié)合管網(wǎng)的實(shí)際情況，建立數(shù)學(xué)模型，借助模型求解最佳的保溫材料、保溫層厚度，確保能夠解決供熱管網(wǎng)在保溫、防腐等方面出現(xiàn)的問(wèn)題，助推城市供熱事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。