城市集中供热管网设计的研究

桂伊佳

大连源信建筑设计有限公司 辽宁 大连 116600

目前看来，很多城市建设的集中供热管网仍存在诸多问题，尤其是热能浪费、防腐问题十分严重，影响城市生产、社会大众生活十分明显，为解决此类问题，相关工作者必须仔细研究城市集中供热管网的发展现状，从现有技术出发，不断探究城市集中供热管网优化设计策略，使城市集中供热管网变得更为稳定，显著助推行业及城市化建设的发展。

1 城市集中供热发展状况

现阶段看来，很多城市都是在以热力联合生产的方式进行集中供热，部分区域采用锅炉房进行供热，能够基本满足供热需求。在城市化建设日益推进的背景下，政府部门普遍重视集中供热，基本都在号召相关单位加大集中供热设施建设力度，使得集中供热走上了现代化的发展之路，在这一背景下，建设有集中供热系统的城市日益增多，供热面积连年扩大，带动了集中供热总量的持续上升。但值得说明的是，很多城市在建设供热管网的初期，并未仔细了解城市建设的实际情况，并通过多方走访，采用专业技术搜集数据，导致集中供热管网扩展能力不佳，在后期无法进行扩建[1]。很多城市建设的供热管网，都是在以单一枝状进行延伸，实践证明这种管网形式有利于帮助供热单位节约成本，但也会导致管网线路出现诸多不合理现象，如，部分单位为了满足特殊用户的需求，会对管网实施加粗，导致二次管网管径明显大于主管网，对管网的可持续经营造成负面影响。总而言之，为保障集中供热的可持续发展，有必要对管网实施优化设计[2]。

2 城市集中供热管网的布置方式

就目前来看，城市集中供热管网的布置方式主要分为环状、枝状两种，具体而言，前者主要指的是将供热干线以环形连接在一起，为城市给予联合供热的一种形式，供热期间，环状管网会连接热源，从而将热量输送至需要的区域。枝状管网顾名思义，就是一种呈现为树枝状的管网结构形式，在管网设计、施工上有着一定的优势。从不同角度出发，对2种不同的布置方式展开对比，本文认为这两种方式具有的优势是不同的，如，在投资、管理成本方面，枝状管网更具优势，不仅成本低廉，管理起来也较为简单，而从管网运行工况的角度上来看，环状管网更具优势，安全性强，能够令热源实现补充调剂，在能源利用方面有着可观的优势。

3 城市集中供热管网敷设分析

3.1 敷设方式

（1）地下直接敷设

地下直接敷设是供热管网敷设的重要形式之一，此种形式下，热力管网大多是以3种类型进行直埋：无补偿直埋、增设一次性补偿器直埋、增设直埋式热力管道补偿器。一般来讲此种敷设方式在以热水为热媒的管道中更为常用，同时对管径也有着一定的要求，一般适用于管径不大的区域。应用该种方式的前提下，热力管道有着一定的埋深，主要依靠管道、土壤摩擦力限制热力管道的热伸长，在为沟槽敷土前，可对管道实施预处理，一般可将预热温度控制在安装/运行温度差的50%以内[3]。在增设一次性补偿器时，技术人员应仔细查看补偿器的补偿能力，分析其是否契合预热温度管道的伸长量，实际工作中应当对安装完毕的管道实施热处理，在伸长量符合要求后，有必要对补偿器活动处实施焊接，而后再进行土体回填。在增设直埋式补偿器时，有必要设定好固定敷，并采用专业技术搜集数据，通过计算确定间距，一般来讲补偿器必须同管道热伸长需求相契合，在此基础上还应计算管道预热时感受到的推力，核算管道断面承受的应力，若应力不高于运行温度下钢材的许用应力，则可进行施工。

（2）地下有沟敷设

地下有沟敷设也是一种典型的管网敷设方式，一般指的是将热管道敷设在地沟内部，此种情况下，管道并不承担外界提供的荷载。一般来讲这一方式下，可供技术人员使用的地沟主要分为3种：通行地沟、不通行地沟、半通行地沟。通行地沟中，技术人员应联合敷设供热管道与其他管道，此种情况下，对管道实施检修、维护是较为便利的，但一般需要技术人员耗费较多的投资。不通行地沟相较于其他两种地沟，有着更小的断面尺寸，此种地沟的投资成本一般较低，故而适用性相对广泛；半通行地沟内人行通道的尺寸通常较窄小，在使用此种地沟敷设供热管道时，相关工作者应在地沟内做好巡视工作。

3.2 热力管网补偿

（1）热力管网的补偿方式

热力管网补偿方式一般包括两种：其一，自然补偿，其二，补偿器补偿。所谓自然补偿主要指的是借助管道本身在自然弯曲时，产生的弹性，驱动管道产生热变形。若管道长度位于15~25m之间，弯曲应力不超过80MPa，使用此种补偿方式可取得显著效果；所谓补偿器补偿方式，主要指的是通过在管路上加设补偿器，使管道热变形量达到要求的一种方式，目前应用较多的补偿器有波纹形、方形等多种，在自然补偿无法取得良好效果时，技术人员可尝试使用补偿器进行处理。

（2）波纹管补偿器在热力管网中的应用

本文着重介绍波纹管补偿器在热力管网设计中的应用。该补偿器由多个不同的波纹管结构件构成，常被用于吸收温度变化导致的管道尺寸变化，承压能力可观，同时结构也较为紧凑，有着一定的耐腐蚀能力。在将波纹管补偿器应用于热力管网的过程中，相关工作者应重点就波纹管的材料、性能做好考量，确保能够较好地发挥补偿器的作用。如，若热管网是被敷设在地下沟中，有必要仔细分析材料的抗腐蚀性，避免雨水、污水对补偿器造成腐蚀，影响其性能。在安装波纹管膨胀节之前，应当仔细检查膨胀节的型号与规格，确保其合理。安装期间，有必要调整好内衬筒的方向，确保其与流动方向一致，令波纹管补偿器得以更好地发挥作用。

4 城市集中供热管网现存问题

对本地区集中供热管网展开分析，认为其存在如下几方面的问题：

4.1 保温问题

换热站在城市集中供热管网中承担着极为重要的作用，在热水加热到一定温度后，换热站会驱动热水沿着管道流动，将热量传递到温度低的管道介质内，使热水温度向着低水平的方向发展。目前技术人员应当高度关注城市集中供热管网面临的保温问题，通常情况下，使用不合理的保温材料敷设管网、管网保温层厚度不合理、管道顶部覆土埋深不合理等问题，均会导致保温问题的高发。此外，在设计阶段，若设计人员未控制好管道的外径，也会导致管网在运营阶段出现一系列的保温问题。通常情况下，若保温管道有着较大的外径，且管道内水、管壁接触面积较大，导致热量散失表面积大，也会增多管道内的热损失，尤其是会使得管道内水的热量传递至管道外，最终导致保温问题的频频出现。

4.2 防腐问题

城市集中供热管网设计环节中，设计人员必须高度重视做好防腐层设计，这对管道防腐的性能有着极为显著的影响。现阶段看来，城市集中供热管网防腐层设计还有较大改善空间，部分设计人员选择防腐方法较盲目，工艺操作过程一般无法达到设计、运营要求。此外，还有部分设计人员设计的防腐方法并不符合管道的实际情况，与工程的实际需求相差甚远，也导致了防腐问题的高发，主要表现为防腐层与管道的不匹配。部分设计人员会为了降低设计成本与技术难度，盲目选择普通防腐层，导致管道的防腐效果难以达到标准，运营阶段中，集中供热管道受外界环境影响极为明显，会对集中供热形成突出的干扰作用。

5 城市集中供热管网优化设计

5.1 构建管网优化模型

为更好地实现对城市集中供热管网的优化设计，设计人员首先应当仔细考虑初始投资额与施工技术，其次应当仔细考虑管网在运营过程中究竟会产生怎样的能量输送损失，在综合考虑管网分流节点、水力稳定性、初始投资、流体形成压力损失等参数的前提下，选择合适的管径，并调整好保温层的厚度，以合理的保温材料完成设计，确保集中供热管道能够为用户提供足够的热负荷。设计人员可从热能输送的角度入手，搭建有关集中供热管网的数学模型。假定集中供热管网在输送热能的过程中，会因为流体与环境之间存在温差，以及流体与管壁之间的摩擦力而产生一定的热量损失，可将能量及能量损失的量纲，分别作为节能型、经济型量纲，将通过流体流量一定的一道管道视作一管段，经过一段运行时间后，供热管网内部水流的流速将变得更为平稳，通过分析压力、散热损失，可将进口位置热量㶲、压力㶲、机械㶲（分别记为E1、E2与E3）相加得到热水在进口位置的㶲，将出口位置热量㶲、压力㶲、机械㶲（分别记为E’1、E’2与E’3）相加得到热水在进口位置的㶲，此种情况下可使用如下公式算出热水损失能量E0：

在管段一定的情况下，管道各截面热量有着不同的流动速度，这一速度往往与管道标高之间无较大差异，而进出口位置的压力㶲、热量㶲，一般只受到流量、年运行时间等因素的影响[4]。此外，保温工程的投资费用也是供热管网优化设计过程中，设计人员需要重点考虑的因素，一般需要考虑管道材料与施工费用、保温材料与施工费用、保护层材料与施工费用之间的关系，此外还应考虑管道外径、保温材料外径、保温层厚度等因素。

5.2 做好保温优化设计

在建设完毕集中供热管网优化设计模型后，为明确参数，有必要结合项目的实际情况，做好核算工作。以对某集中供热一级网主管道的设计为例，设计人员拟设计2供2回供热管道DN1400mm，数量共有4根，将设计流量控制在15500t/h，总循环流量控制在31000t/h。将中继能源站设置在管道的末端，同市区管道连接在一起[5]。始端、中继能源站一级主管道设计温度控制在135/30℃，设计压力控制在2.6MPa，尾端、中继能源站设计温度控制在120/25℃，设计压力控制在1.8MPa，主管线输送距离为40.0km，其中20.5km属于直埋敷设，其他距离为架空敷设。对供热规模与采暖综合指标展开计算，前者控制在8200×107m2，将后者控制在55W/m2、4125MW。依照工程供热要求，选择供热管网材料，最终选择HCFC141b体系的高密度聚乙烯外护管聚氨酯3层结构材料，并使用硬质泡沫塑料预埋直埋保温管，设计高密度聚乙烯保护层，使用离心玻璃棉管壳作为架空保温材料，该材料有着热损失小、成本低廉的特点。

在确定管道使用的保温材料后，对初投资展开计算，力求找到保温效果佳，且投资费用较低的组合，最终得出结论：在保温层厚度为0.066m、架空管道保温层厚度为0.095m时，供热管道拥有的年均总费用是较低的，此时室外日平均温度不超过-3℃，对直埋管的供水温度、回水温度实施计算，认为其符合要求，能够保障经济保温厚度下采暖季节总耗热量合适。

此外，若技术人员采用枝状形式布局管网，可先明确管网主干线，为用户管网的各个分流节点给予一一的编号，将热源设置为0，顺流动方向设计分流节点分别为1、2...m-1，将相应的管段记录为L1、L2...，依据热流量、分流节点流量平衡原则，求解管段设计流量，由主干线末端管段开始，在设计约束条件的前提下，选择合适的管径，首先确保m-1节点位置管线总费用、末端管段总费用相加值合理，最终在成本处于最小水平的情况下，得到最优的管径。可由最小二乘法得出单位长度管道造价与管径之间的关系，符合如下公式：

其中di指的是公称直径，f（di）指的是单位造价。结合上述公式，可将管网直径、管网费用确定出来。如，在管网公称直径为1400mm的情况下，可得出管网造价为840.0万元/km。

5.3 做好防腐优化设计

鉴于供热管网防腐问题发生得较为频繁，必须重点做好防腐优化设计。一般来讲，在集中供热管网中，不论是水的温度条件、酸碱度还是水中溶解氧的浓度，都会对管道的防腐能力产生突出的影响，如，管道湿度较大的情况下，腐蚀问题会变得更为严重。故而，在设计阶段中，设计人员可多选择那些具有一定吸水性的保温材料，此外也可将防水层设置在管网保护层外部，避免水涌入保温层之中。此外也应针对介质温度做好控制，避免高温造成管道内部腐蚀问题频发[6]。在此基础上，可通过增设除氧系统，将水中溶解氧的浓度控制在合理范围内，使供热管网内部的pH值也变得合理。结合亨利定律可知，氧在水中的溶解度，同接触气体的氧分压有着正相关关系，可将除氧水、已脱氧气体混合在喷射器内部，使溶解于室内的氧扩散至气体，实现除氧。实践证明，喷射器进口水压会对除氧效果产生一定的影响作用，故而设计人员必须优先选择扬程合适的除氧泵，并将除氧泵流量设置好（一般设置为给水流量的1.25倍是较为合适的），之后可将止回阀安装在除氧解析器与水箱之间，提升除氧防腐的效果。

6 结语

综上所述，热量是寒冷地区城乡居民在冬天最为基础的需求，在基础建设投资力度逐年增加、城镇化建设飞速发展、城乡居民供热需求日益提升的时代背景下，城市供热行业无疑有着极为广阔的发展前景。近年来，城市供热管网部署面积有了稳定的增长，我国城市集中管网布局有着枝状、环状两种不同的特点，在进行管网设计时，设计人员必须综合考虑这两种不同管网的设计优势，避免管网存在保温、防腐等一系列的问题，设计人员必须综合考虑各类因素，争取凸显优势、规避劣势地设计城市供热管网，结合管网的实际情况，建立数学模型，借助模型求解最佳的保温材料、保温层厚度，确保能够解决供热管网在保温、防腐等方面出现的问题，助推城市供热事业的进一步发展。