某地区集中供热管网不同运行方式比较

栾天华

(中国华电科工集团有限公司，北京 100160)

某地区集中供热管网不同运行方式比较

栾天华

(中国华电科工集团有限公司，北京 100160)

根据某地区集中供热管网的特点，分别介绍了枝状管网和环状管网的水力计算方法。通过水力计算分别得到供热管网在枝状运行工况和环状运行工况下的循环阻力，并对不同工况下的供热管网循环阻力进行比较，指出特定条件下环状管网在运行能耗和可靠性方面相对于枝状管网的优越性，具有一定的推广应用价值。

集中供热；枝状管网；环状管网；水力计算；循环阻力

0 引言

集中供热系统主要由热源、热用户和连接2者的供热管网3部分组成。其应用最早出现在欧美等发达国家，随着工业技术的发展，集中供热技术也日趋成熟，在世界严寒地区得到了大范围应用，一些城市的集中供热普及率已达到很高水平。我国集中供热系统的应用起步较晚，新中国成立前仅个别大城市的个别建筑或区域设置了集中供热系统，新中国成立后我国的集中供热系统应用才得到了长足发展，供暖热源也从分散的区域锅炉房逐步发展为热电厂与配套调峰锅炉相结合的联合热源。

供热管网是集中供热系统必不可少的组成部分，其水力工况和热力工况的好坏将直接影响集中供热系统的应用效果。水力工况与热力工况之间存在着密不可分的联系，如果水力工况发生改变，那么热力工况受其影响也将随之发生改变。集中供热系统的目标是获得良好的供热效果，因此良好的热力工况是我们追求的目标，良好的水力工况是成功实现目标的保障[1]。目前我国城镇集中供热管网主要采用枝状布置和环状布置2种形式，枝状布置具有管网形式简单、投资省、运行管理方便等优点，最为常用。而环状布置虽然投资高，但其运行可靠安全，尤其在多热源联合供热条件下有不少应用。本文将以某地区集中供热管网为例，对其枝状运行和环状运行2种工况分别进行水力计算，并将2种工况的计算结果进行比较分析，根据分析结果对城镇集中供热管网建设与运行提出建议。

1 供热管网水力计算方法

1.1 枝状供热管网水力计算基本方法[2]

首先，根据各个热力站所辖热用户的类型、建筑物使用功能等情况确定各个热力站的实际供热量，并以实际供热量为依据计算各个热力站一级网部分的热媒流量。其次，以计算得到的热媒流量为基础，结合供热管网布置图确定管网中各个管段的热媒流量，进而可以根据已有管网的实际情况计算得到管网中各管段的比摩阻。然后，按照当量长度法估算管网中各管段折算长度并计算各管段压力损失。最后，可以根据选定的最不利环路来确定此管网的循环阻力。

1.2 环状供热管网水力计算基本方法

环状供热管网通常由环状主干线和连接热用户的枝状支线构成。其枝状支线部分的水力计算方法与本文1.1节所述的枝状供热管网水力计算方法基本相同。首先对环状供热管网的枝状支线部分进行水力计算。获得枝状支线部分水力计算结果之后即可确定环状部分的各节点流量。然后，根据管网布置和各管段结构参数，结合流量平衡规律和压力平衡规律对环状部分进行管网平差计算，求解环状管网的水力工况参数。最后，将环状部分与枝状支线部分计算结果相结合，确定管网的循环阻力。

2 某地区集中供热情况

该地区集中供热系统于2001年初步建成，为配套城市建设发展，保障民生，集中供热系统经多次改、扩建形成了现有的规模。与本文相关的主要集中供热设施情况和供热能力如下。

2.1 一级供热管网

管网主干管公称直径为DN700，接于热电厂内的热网首站。管道材料采用预制直埋保温管，结合当地地形地貌敷设方式以直埋敷设为主。运行供回水温度为110/58 ℃。管网最不利环路敷设的管道长度约为12.9 km。供热管网在工程设计阶段及运行初期采用枝状管网形式，后经逐步改、扩建，部分输配干线已连成环状，并在实际运行中形成环状管网。

表1 热力站情况一览

2.2 热力站

目前与一级管网连接的热力站共有27座，全部采用水/水换热器与二级网间接连接，所承担的供热面积达237.2万m2。根据现行的《城镇供热管网设计规范》[3]及当地建筑实际情况确定住宅建筑供暖热指标采用55 W/m2，公共建筑供暖热指标采用65 W/m2。结合当地热力公司在实际供热运营中统计的各个热力站所辖热用户情况，得出与本文相关的热力站供热情况，详见表1。

表1中热力站供热量根据式(1)计算：

(1)

式中：Q为热力站供热量，kW；Az，Ag分别为热力站所辖住宅、公建的供热建筑面积，m2；qz，qg为住宅、公建供暖热指标，W/m2。

表1中热力站一级网流量根据式(2)计算：

(2)

式中：G为换热站一级网流量，t/h；c为水的比热容，kJ/(kg·℃)；t1为供热管网供水温度，℃；t2为供热管网回水温度，℃。

3 供热管网水力计算

该地区集中供热工程供热管网水力计算如图1所示，根据热力公司的运行维护情况，供热管网可在2种工况下运行。当图中所示的切换阀门关闭时，供热管网为枝状运行工况。当切换阀门开启时，供热管网为环状运行工况。

3.1 水力计算原则及参数确定

首先需要确定管网的最不利环路，本工程选取图1中热力站A13所在的环路(环路J0-J1-J7-J8′-J15-A13-J15-J8′-J7-J1-J0)为最不利环路。在水力计算过程中，管网局部阻力以当量长度计取，根据《城镇供热管网设计规范》[3]的要求，管道局部阻力与沿程阻力比值取0.3(管道公称直径≤400 mm)和0.4(450 mm≤管道公称直径≤1 200 mm)；管道内壁当量粗糙度取0.5 mm。对于热网首站和热力站内部的压力损失，本工程按热网首站压力损失为150 kPa、热力站压力损失为100 kPa确定。

图1 供热管网水力计算

3.2 水力计算公式[2]

热网每米管长的沿程损失(比摩阻)按式(3)计算确定：

(3)

式中：R为每米管长的沿程损失(比摩阻)，Pa/m；G为管段的热媒流量，t/h；d为管段的内径，m；ρ为热媒的密度，kg/m3；K为管道内壁当量粗糙度，m。

管段总压力损失按式(4)计算确定：

(4)

式中：ΔP为计算管段总压力损失，Pa；l为计算管段实际长度，m；ld为计算管段局部阻力当量长度，m；lzh为计算管段的折算长度，m。

管段内水的流速按式(5)计算确定：

(5)

式中：v为管段内热媒的流速，m/s。

3.3 枝状运行工况水力计算

根据式(3)、(4)、(5)，按照图1所示的最不利环路对管网进行水力计算，计算结果见表2。

3.4 环状运行工况水力计算

根据式(3)、(4)、(5)，按照图1所示的最不利环路对环状供热管网的枝状支线部分J8′-A13段和J0-J1段进行水力计算，计算结果见表3。

根据热力站和热网首站的布置情况，在水力计算简图中将环状供热管网的枝状支线部分以节点流量的形式简化，得到如图2所示的环状部分管网水力计算简图。

表2 枝状工况水力计算结果

续表

表3 环状工况枝状支线部分水力计算结果

采用文献[4-5]中介绍的环状干线水力计算方法，对图2所示的环状管网进行水力平差计算，得到各管段的水力工况参数和各节点的参考压力，见表4、表5。

图2 环状部分管网水力计算

表4 环状工况环状部分水力计算结果

表5 环状工况环状部分节点参考压力计算结果

注：节点流向按供水管考虑；选取节点1为压力参考点。

5 结束语

通过第3节对该地区集中供热管网枝状运行和环状运行两种工况的水力计算，可以看出，当各热力站都达到表1所列的实际供热能力时，供热系统在枝状运行工况下循环阻力为995.7 kPa；在环状运行工况下循环阻力为828.5 kPa。不考虑热力站与热网首站内部压力损失的情况下，环状运行工况管道部分的阻力比枝状运行工况降低了约22.42%。由此可以得知，当供热能力一定时，环状运行工况比枝状运行工况降低了热网循环水泵的运行能耗。抑或是说，在热源供热能力和管道流通能力允许的前提下，不更换热网循环水泵就可以增加一定的供热面积，但增加的数量和位置还需要根据管网情况通过计算确定。

其他集中供热地区可借鉴此地区的集中供热管网改造经验，在综合考虑热源、热网循环水泵、管网和投资等因素后，将原枝状管网改、扩建成环状管网，不但提高了供热系统的可靠性，还一定程度降低了集中供热系统的运行能耗，在特定条件下是一项值得推广应用的技术措施。

[1]王思莹.集中供热管网热力工况研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[2]贺平，孙刚，等.供热工程[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

[3]城镇供热管网设计规范:CJJ 34—2010[S].

[4]肖益民，付祥钊.环状供热管网水力计算方法探讨[J].重庆大学学报(自然科学版)，2005，28(11)：122-124.

[5]付祥钊，肖益民.流体输配管网[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

(本文责编：齐琳)

2017-04-27；

2017-05-27

TU 995

A

1674-1951(2017)07-0015-05

栾天华(1984—)，男，黑龙江哈尔滨人，工程师，从事电力行业暖通设计方面的工作(E-mail:luantianhua@163.com)。