热水供热长距离输送技术

陈继平，刘 冲

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)

随着“十三五”规划的实施，清洁能源供热得到推广应用。在所有能源应用中，热电联产集中供热是能源利用最为合理，也是大面积集中供热最可行的一种方式。城镇供热应以热电联产为主，其它清洁能源为辅。截止2016年底，我国北方地区城乡供暖总面积2.06×1010m2，其中：城镇供暖面积1.47×1010m2，农村供暖面积6.5×109m2。用能结构以燃煤为主，占83%，其它能源占17%，总用能折标煤4×108t/a(城镇用2×108t/a，农村用2×108t/a)。而北方地区的电力、钢铁、水泥等3.0×108t标煤的低品位余热资源没有利用。理论上讲，将这些余热利用可解决北方地区3/4的供热面积，而且用能成本比较低。在这些余热利用中，火力发电厂是主力军，而火力发电厂中热电机组的余热利用率平均不到50%，大型纯凝机组还远远没有开发利用，开发潜力极大。

一方面电厂热能没有被充分利用，另一方面城镇和农村又严重缺乏热源，不得不使用大型的燃煤锅炉、燃气、电力作为热源。造成这种能源不能合理利用的主要原因是输送距离。由于余热所在地距离大中型城市比较远，如果不善加利用，将其长途输送到目的地，无论从投资和运行成本上都是不经济的，因此，如何整合资源，将余热合理规划利用，形成热源、热力公司、用户都能共赢的局面是长距离热水输送供热管网研究的课题。

1 长距离输送供热管网技术特点

长输供热有别于传统供热管网技术，其特点有如下几点。

1.1 大温差技术

由于供热管线长，管道的输送电耗增加，要求每吨循环水携带的热量要尽可能多，如传统的供热热媒参数是130/70℃、120/60℃、110/50℃，温差最大60℃，而长距离供热管线一般选取的热媒参数为130/20、120/20、90/15℃，温差75℃～110℃，比传统热电联产供热的输送能力大25%～80%。如太原至古交长输管线热媒参数130/30℃，供回水温差100℃。

1.2 低温回水技术

传统热电联产集中供热回水温度45℃～55℃，而长输供热为了充分利用火力发电厂余热，需要将回水温度降到35℃～15℃，以便得到更多的余热，取得更经济的热价。降低回水温度的方法有以下几种。

1.2.1 热力站设置大温差热水型溴化锂换热机组

在用户热力站处安装吸收式换热机组，用于替代常规的水-水换热器，在不改变二次网供回水温度的前提下，降低一次网回水温度至25℃左右(显著低于二次网回水温度)，热网供回水温度由原来的130/70℃变为130/25℃，输送温差是原来的1.75倍，同等管径下热力输送能力也是原来的1.75倍，由此大幅度的降低了热网投资和运行费用。

1.2.2 热力站设置电动水源热泵降温方式

在传统热力站板式换热器一级网回水侧串联电动水源热泵，将一级网的回水降到35～20℃，有利于热电厂乏汽充分利用，原有热力站可增容40%左右。

1.2.3 热力站混水降温方式

当用户侧二级网回水温度比较低，在热力站可采用一级网供水与二级网回水混和，做为二级网供水，二级网多余回水进入一级管网的回水干管中。

热力站混水降温由于采用直接混水换热，换热效率高，占地少，投资少。

1.2.4 利用热泵集中回水降温方式

在一级网回水总管上设置大型电动或汽动热泵将回水温度由45℃～55℃降低到35℃～25℃返回火力发电厂，提取的余热经过热泵做功后将二级网回水加热到85℃～110℃，可独立向附近的供热区域供热。

1.3 支架隔热技术

长输供热管线支架的热耗约占管网输送热耗的10%～15%左右，采用隔热支架可显著降低输送热耗，古交电厂至太原长输供热管线由于采用了隔热支架，37.8 km的温降小于1.5℃，节能效果显著。

1.4 火力发电厂余热梯级利用

长输供热经济性主要体现在火力发电厂的余热利用是否充分，长输供热将回水降低到35℃以下，一方面拉大供回水温差，增加热能输送能力，一方面可将电厂的余热梯级利用，如太古长输供热项目中，根据温度对口、梯级利用的用能原则，供热管网的回水顺序经过古交电厂6#机组、5#机组、4#机组、3#机组、2#机组、1#机组热网凝汽器，根据机组的不同背压逐级提升温度，达到乏汽余热梯级利用的目的，将火力发电厂采暖季机组能源效率提高到85%以上，使供热成本大幅降低，为长输供热项目提供了良好的经济性，使火力发电厂、热力公司、用户互惠互利。

2 热水长距离输送供热管网设计要点

热水长距离输送工程项目，目前在国内运行的还不多，设计、施工、运行的经验也不足，为确保系统的安全性，应重视以下几个方面的工作。

2.1 应力计算

热水长距离输送供热管网的管径往往大于DN1200，已超出CJJ/T81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》适用范围，从保证热水长距离输送供热管网的安全性和经济性考虑，建议管道材质和管径壁厚的选择及应力计算在满足中国现行标准CJJ34《城镇供热管网设计规范》和CJJ/T81《城镇供热直埋热水管道技术规程》要求的同时，兼顾欧洲EN13941标准、俄罗斯GOST55596标准。

就管道的强度分析而言，中国标准和俄罗斯标准都采用了应力分类分析法，欧洲标准采用了极限荷载法，以下为国内外集中供热设计规范的适用条件：

(1) 中国现行标准CJJ34—2010《城镇供热管网设计规范》，该规范适用于供热热水介质设计压力小于等于2.5 MPa，设计温度小于或等于200℃；供热蒸汽介质设计压力小于或等于1.6 MPa，设计温度小于或等于350℃城镇供热管网设计。该规范规定架空管道的应力计算按照现行《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》DL/T5366的规定执行，直埋敷设热水管道按照现行《城镇直埋供热管道工程技术规程》CJJ/T81的规定执行。

(2) 中国现行标准CJJ/T81—2013《城镇直埋供热管道工程技术规程》，该规程适合于设计温度小于或等于150℃、设计压力小于或等于2.5 MPa、管道工程直径小于或等于1200 mm城镇供热直埋热水管道的设计、施工、验收和运行管理。

(3) 欧盟 EN13941—2009《design and installation of preinsulated bonded pipe systems for distrect heating》，该标准适合于直埋热水管道，直径限制在1000 mm以内，材料屈服局限在235 MPa。

(4) 俄罗斯标准GOST55596—2013《District heating networks standards for stress and seismic analysis》，该规范涵盖了架空和直埋两种敷设形式的热水管道设计，管径和材料没有限制。

2.2 水锤防范

在压力管道中因流速剧烈变化引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象，称为水锤现象。水锤对热水长距离输送供热管网的安全性威胁最大，按水锤成因的外部条件，可分为启动水锤、管阀水锤、停泵水锤。热水长距离输送供热管网按动态水力计算的要求关闭阀门、变频启停循环泵、合理设置逆止阀、泄压装置可避免启动水锤和关阀水锤的产生。

由于热水长距离输送供热管网根据水力计算工况，往往要设置多级中继泵，各级中继泵在实际运行工程中的各种故障停泵在所难免，有时已超出人力和现有技术控制的范围，因此，故障停泵水锤产生的危害应重点防范。

2.2.1 故障停泵水锤的防范措施

热水长距离输送供热管网在注水时往往会有大量的空气进入管网中，在运行过程中，排气设施不能及时排气会形成水柱分离(气)，或由于管网在运行过程中由于定压失效造成的水柱分离(汽)，在流速发生剧烈变化时，都可能会产生对管网最具危害性的断流弥合水锤，也是热水长距离输送供热管网防范的重点工作。

(1) 设置有效的排气装置

热水长距离输送供热管网在注水时，会有大量空气进入管网中，尤其在加热水体时，大量空气会从水体中逸出，在管网的高点大量聚气，形成水柱分离(气)，如果高点的排气装置设置不合理，不能及时排出空气，就有产生断流弥合水锤的隐患，因此高点排气装置应选择大排量的手自动兼顾的集气排气装置。

(2) 定压方式

热水长距离输送供热管网由于管网距离长，沿途敷设起伏变化大，同时又有多级中继泵站，当定压方式和定压位置选择不合理，在管网中容易形成汽化现象，形成水柱分离(汽)，可能产生断流弥合水锤的隐患。在热水长距离输送供热管网的合适位置建议采用大型膨胀水箱定压(最好兼顾做储水、蓄热功能)。一方面大型膨胀水箱比其它定压方式稳定，另一方面定压点多选在高点，可将管网中的气体从水箱中及时排出。大型膨胀水箱还可以兼顾蓄水、蓄热功能，对系统故障后及时补水及协调昼夜热电负荷都有非常好的作用，融系统的定压、排气、蓄水、蓄热、协调热电平衡为一体，可谓一举多得。

(3) 动态水力计算

热水长距离输送供热管网安全性威胁最大的是各类水锤的破坏，因此，要通过动态水力计算，模拟分析各种启停泵工况、开关阀工况及各种停泵组合工况下，分析水锤的作用。通过动态水力分析，优化供热管网及中继泵站的位置、数量及水锤防止措施，有效避免各类水锤对热网的破坏。

2.3 热媒参数的选择

热水长距离输送供热管网考虑到输热电耗和经济性，通常供回水温差比常规热电联产供热温差大，但供回水温度如何选择需要根据趸售及直供热价、近远期供热面积及热力站降温型式等因素确定。

供水温度越高，温差越大，单位循环流量携带的热量越大，耗电输热比越小，但是供水温度越高，电厂的供热成本也越高；适当降低供回水温度可以降低电厂供热成本，同时也有利于沿途其它工业余热的利用。但是，由于降低供水温度会同时降低供回水温差，耗电输热比增加。因此，一定要根据工程的具体特点，通过技术经济比较确定合理的供回水温度。

2.4 火力发电厂余热利用型式

热水长距离输送供热管网采用大温差供热，除了增加单位循环流量携带的热量，降低耗电输热比外，通过降低回水温度，有效利用火力发电厂的各种余热，降低供热成本。

火力发电厂余热类型有汽轮机冷端乏汽冷凝热、烟气余热、辅机冷却循环水等余热，其中汽轮机冷端乏汽冷凝热所占比例最大，目前应用也最成熟。余热利用的设备有吸收式热泵、压缩式热泵、喷射式热泵、热网凝汽器、换热器。余热利用的方案组合和选择也是多种多样的。要结合每个工程的特点，经过多种方案的技术经济比较后确定。

3 结语

(1) 长输供热技术符合目前清洁能源供热的要求，将火力发电厂及沿途排放到大气中的废热回收利用，一方面减少了废热排放带来的环境污染，另一方将这些废热变废为宝，在满足热用户用热的同时又替代了当地大量的燃煤锅炉，节能减排效果十分显著。

(2) 长输热水供热管网由于投资大，管网输热电耗大，因此，要合理规划热源、管网、热用户，在技术可行的前提下，确保在投资收益、运行成本、用户热价上都是经济可行的，形成热源、投资、运行及用户都能共赢的局面。

(3) 长输热水管网要重视应力计算和动态水力计算，采取合理措施，做好安全防护，避免水锤发生。

参考文献：

[1] 发改能源[2017]2100号，北方地区冬季清洁取暖规划(2017－2021年)[Z]．

[2] 金锥，等．停泵水锤及其防护(第二版)[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004．