浅谈长输供热管网电预热技术应用

刘勋德，李勉之

（中铁三局集团建筑安装工程有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

长输供热是我国目前重点推广的一种供热采暖方式，这种方式是一种更加具有经济性、安全可靠性的供热模式[1]（发电厂→加压泵站→换热站→热用户）。目前管道预热可分为水预热、风热预热及电预热这几种。郭彬[2]提出从安全角度出发，总结现阶段市政热力管道施工技术应用现状，优化施工技术方案。蔡蕊[3]根据电预热技术在直埋供热管道的应用，提出了具有相对有效补偿安装工艺成本低、操作简单和工期短的观点。武斌[4]在预热安装可以在不增加管道壁厚的基础上，发现了通过安装少量的一次性补偿器能够有效降低轴向应力和局部失稳的危险性。本文在此基础上，总结了预热方式的选择需要从安全节能、节约成本、周期短、效率高等方面切入，提出了电预热无补偿器方式作为优先推广选择的施工方式。

1 工程概况

本项目由托克托电厂敷设长输供热管线至呼和浩特市区，全长共104km，沿线设置2 座中继泵站及1 座隔压换热站。项目管网建设包括长输供热管网主干线（由托克托电厂至呼和浩特市班定营村隔压换热站，管径4×DN1 600mm、路由长度72km）、市区南线主干线管网（由班定营隔压换热站沿三环南路向东敷设至湿地公园东三路延长线，管径2×DN1 600mm、路由长度7.0km）、市区北线主干线管网（由班定营隔压换热站沿二环西路向北敷设至二环北路，然后沿二环北路向东敷设至呼伦贝尔北路，管径2×DN1 600mm，路由长度分别为17.43 和5.39km）。管网设计压力为2.5MPa，设计流量为39 542t/h，设计供水温度为130℃，设计回水温度为35℃，其中供水管采用灌注式发泡的预制直埋保温管，执行标准为GB/T29047-2021。回水管采用缠绕式预制直埋保温管执行标准为CB/B4611-2017，压力管道类别为GB2 类，设计工作年限不小于30 年。

2 预热方法及优缺点

水预热方法：利用热水在管道内的循环，将供热管道加热到预热温度。优点：当周边有方便并且可以利用的热源时，采用水预热比较经济。缺点：当没有方便并且可以利用的热水为预热管道提供热源时，必须具备加热设备对预热管道提供热水热源，预热费用相对高。

风热预热方法：利用风热设备管道中的风进行加热，以达到将保温管道加热到预热温度的效果。优点：以风为介质，预热介质轻，在预热时明显减少了热量因传递产生的热损失，提高了预热效率，解决了用水预热方式时间较长的缺陷。缺点：风预热产生的热风，在管道中流动时与空气大面积接触就存在大量的热损失，正常情况下预热管道始端温度会比末端管道的温度高，约为20℃左右，严重影响了管道预加热产生热伸长的均匀性。

电预热方法：该方法是通过使钢管充当电阻体，应用电力实现钢管的升温。其明显优势在于钢管内部不含任何传热介质，保证了热能沿管道长度方向的均匀分布，缩短了预热所需时间。此外，在敞开式预热过程中，管道不会拥有锚定区域，从而有效保证了管道预热伸长的最佳效果[5]。

3 电预热工艺原理

直埋式保温钢管采取管道电加热的方式进行预热，如图1所示，这一过程通过向保温钢管施加低压高流量的直流电进行加热[6]，加热的目的是使钢管达到其设计温度的50%左右（例如托克托长输供热工程中为60℃），这样做的原因是让钢管受热发生膨胀，从而产生轴向的伸长（供热管道在通电升温过程及正常供暖运行中既会沿轴向也会径向进行热膨胀与收缩，但由于管道长度通常远超过其直径，所以通常只考虑沿轴向的伸缩）。待钢管伸长至设计长度后，即采取固定措施，其中固定钢管的主要方式是借由钢管管腔的回填土和覆盖在钢管顶部的土壤所产生的摩擦力来实现。

图1 电预热工艺示意图

采用上述工艺为热力输送管提前施加特定的拉力，此举确保了在管路开始正式运行并达到管线预热温度时，其内应力归零。随后温度上升至正常使用温度时，管道所承受的压力应力会比允许应力水平低，因此无需使用补偿装置也能保证正常运转。此外，该方法还能预防管道在工作时由于温度带来的应力过高导致的异常伸展或潜在的结构性损坏。

4 电预热施工工序

4.1 施工工艺

供热管道施工工艺如图2 所示。

图2 供热管道施工工艺示意图

4.2 电预热施工要点

（1）根据施工现场实际情况进行区段的划分，建议将500 ～1 000m 划分为一个预热段。

（2）依照常规施工流程进行管沟挖掘，对管道进行焊接且完成无损检测、进行耐压测试以及施行接口保温处理[7]。

（3）确保预热成效，必须清除钢管内部的积水直至完全排空。

（4）当达到预热要求时，必须实施预防管线横向位移的手段，并以沙土作为回填材料将管沟填满至不超过管体外部直径3/4 的高度。

（5）如图3 所示，在管端处焊固14 颗锚栓（型号M12 或M16，长度需小于50mm），使其间距保持不少于100mm，方便电缆的安置。锚栓的装置点要远离管端不少于30mm，且焊接需要完全穿透严密，严禁出现未焊透的部分。

图3 锚栓焊接工艺示意图

（6）平整电预热设备放置场地，保障预热设备摆放位置干燥（防止漏电等安全隐患，对人员和设备的安全造成威胁）、安全（距离基坑不得小于1.5m 且与管端锚栓位置的电缆连接长度不得超过8m）。

（7）安装温度传感器：在管顶距离管端（预热设备存放端）向内管尾方向12m 处管道保温的塑料保护外壳上开口，以安装温度检测传感器，确保将检测探针紧密接触并牢固地安置在钢质管道表层。

（8）在预热管道纵向的前后两端，分别安装一台同一厂家生产的测量仪器（通常选用刻度清晰准确的米尺），用来测量管道纵向膨胀后的伸长量及降温后的回缩量。

（9）在管道末端安装密封装置。

（10）将电缆连接钢管管端和设备，如图4 所示。

图4 管道设备安装工艺示意图

（11）打开机器开关后，记录初始温度。

（12）电预热过程中要严格控制升温速度，因本项目管径为DN1 600，所以升温速度控制在2℃/h（施工期间温度为25℃～32℃，电预热段的预热时间控制在20h 左右）。期间每小时巡检一次，并做好电预热施工记录。在达到预设的加热温度后（本项目长输部分设计供水温度130℃，预热温度为60℃），检查各个管道的总长度，管道伸长量如式（1）所示，看其是否满足预定的总长度要求，及时组织进行验收。

预热管道伸长量的计算：

（13）当完成四方现场验收流程后，需立即组织人员机械设备按照设计标准进行管沟回填，并逐步进行分层流水夯实作业，如图5 所示，确保回填土密实度满足设计图纸要求，且符合现行标准《城市供暖管线工程施工和验收规范》（CJJ28）的规范要求，并应在规定时间（24h，不超过30h）内完成回填土工作。必须按照设计要求进行分层夯实，如果由于回填质量达不到设计要求而出现预热段回缩量超过设计要求，则预热失败，需重新预热[9]。应当自预热管道段的双侧逐步进行回填作业，若无法在短期内完成回填夯实，则会引发预热管道段产生过度的回缩现象。

图5 管道回填工艺示意图

（14）回填土分层高度和压实度达到设计要求后，立即关闭预热设备（防止资源浪费），拆除附件。

5 电预热施工注意事项

（1）为了阻止气体的流动，影响管材的伸展，需要在预热管段的两端用帽子或塑料薄膜进行封闭。

（2）电预热时可以带着阀门一起预热，阀门井需要在电预热完成后方可修建。

（3）所有分支三通在电预热完成前，不得与三通分支进行连接，电预热过程中必须敞沟。

（4）除在预热段末端为了形成回路而进行的连接，两条供水管道其余部位禁止出现横向联通形成短路。

（5）弯头和弯管可以参与电预热，但需按照冷安装进行选型和敷设，以保护弯头和弯管，使其能够安全运行。

（6）弯头和弯管虽具备一定补偿能力，但如果其两端连接的直管段在冷安装敷设情况下运行时的受热变形不能被其完全吸收，并且直管段又过短而不能独立进行预热（独立预热回缩量过大），则需将直管段、带弯头和弯管划分在同一个预热段中进行预热。

（7）管沟回填必须按照设计要求进行分层夯实。如果由于回填质量达不到设计要求而出现预热段回缩量超过设计要求，则预热失败，需重新预热。

6 结论

发电厂热源通过长输管道为城市进行供热，是我国减少能源消耗的有效途径，节能增效、安全可靠、经济性好是加热工艺发展的趋势。本文提出长输管道电预热（无补偿器）加热工艺相比其他传统工艺（水预热、风热预热）能更好地保障预热效率，适合广泛应用的结论，具体表现为：

（1）电预热工艺可以克服环境对管道加热效果的影响；

（2）电预热工艺更加节约成本，缩短施工周期；

（3）电预热工艺操作更加方便安全。