关于市政供热管网设计的探讨
2019-01-21王玉虎孙静静程小松
王玉虎,孙静静,程小松
(中国市政工程华北设计研究总院有限公司西安分公司,西安 710018)
市政供热设计的好坏,关系到市政供热管网的施工质量。为了保证城市供热系统能够更好地运行,为城市化建设打下坚实基础,人们需要分析和总结供热管网的设计要点,如供热管网如何达到节能减排效果、如何进行热力管道优化设计等。本文围绕市政供热管网设计要点展开分析,合理计算和论证设计内容,包括管道的连接方式、补偿方式、热网的设计理念以及热力管道工程优化设计等,力求使得市政供热管网的设计更加科学、合理。
1 市政供热管网设计概述
市政供热管网主要集中在北方地区,优化集中供热管网,有助于不断提高供热质量,降低污染,减少能耗。当前,各行业竞争日趋激烈,供热企业要提升软实力,占据更大的市场份额。同时,市政工程企业要不断优化集中供热管网,提升市政公共服务功能。
1.1 市政热力管道工程的设计原则
市政热力管道工程的设计应遵循《城镇供热管网设计规范》(CJJ 34-2010)和《发电厂汽水管道应力计算技术规程》(DL/T 5366-2014)等规定。设计阶段,人们要掌握相关设计规范和规程,遵从热网设计的原则,进行热力工程设计。其主要对象是热源至热用户之间的供热管网,适用范围为:热水管道不能大于2.5 MPa,温度不能大于150℃,蒸汽管道的压力不能大于1.6 MPa,温度不能大于350℃[1]。
1.2 市政热力管道布置类型
部分供热热网以回收的工业余热为热源,可以采用多热源运行的方式。例如,使用基本热源联网运行,随着采暖季气温的变化,采用解列运行的方式,基本热源投入使用后,分隔出部分的多热源,然后进行尖峰热源的划分。随着气温的变化,进行热源分隔和管网范围设定,在分别运行的状态下,单个热源往往用阀门分隔,可以进行分别供热。
市政热力管道的工程设计往往包括管道附件的设计,管件一般分为三通、弯管、变径和直管等类型,采用一次性补偿器、覆土后预热的方式进行长直管段的补偿设计。
市政供热管网的布置,与用热用户、热源以及热煤的种类有一定关系。在进行布置时,要考虑到经济性和安全性,考虑系统的热用户分布区域。例如,考虑到市政热力管网的布置,在设计网格状管网时,设计必须符合供热管网的实际需要,设计选用环状还是枝状,要考虑投资成本和管网质量[2]。
1.3 采用多管制和双管制
在进行市政热力管道工程设计时,管网的形式可以采用多管制和双管制。凝结水管是否设置要根据生产特点来进行设计。考虑凝结水溶氧,要进行管道和设备的防腐设计。供热调节方面,采用热力站热源集中调节和热力入口局部调节的方式。对于有生产负荷的供热系统,用热设备单独进行调节,采用局部调节的方式控制温度变化。热源采用闭式管网设计和流量设计的方式,对相应的回收温度进行采集,采用热负荷和不同温度的热力网流量曲线进行叠加,得到的大流量值作为设计流量进行设计。
2 市政供热管网设计的相关参数
2.1 集中供热管网输配系统应进行水力计算
水力计算要根据管网管径循环水泵和流量扬程等进行设计。分析管网系统中的压力工况后,要确保用户有足够的压头进行工况分析,必要时还可以采用动态水力工况的分析方式,满足连续性方程和压力降方程的需求,按照小流量进行校核计算,同时对流量进行管线压力和压力允许值的计算。大高差、长距离的热水输送系统中除了进行静态水力计算之外,还应进行动态水力计算。
2.2 采用弹性分析和极限分析
人们可以采用弹性分析和极限分析的方式,在峰值应力下,对管道局部结构热应力产生的应力增量进行疲劳分析,运用温度计算的方式,在计算管道特殊穿跨越时,要建模计算管件的受力强度。而布置管网时,主干线附近热用户密集,热负荷大,管网要力求短直,尽量利用管道的自然弯角作为管道受热膨胀的补偿。运用补偿器有补偿敷设时,补偿器的布置要充分考虑固定支墩的推力计算,优化选型布置。
2.3 供热管网设计要考虑抗震因素
考虑到抗震的需要,供热管网设计遵循国家有关的供热管网抗震参数规定,详细论证管道设计、管网施工、材料选取等,采用抗震方法,运用先进的管理模式,在抗震指数提升上进行参数计算。例如,为了提升多热源供热系统的抗震性能,人们可以设计三种运行方式,由各个热源分别供热改为运用多热源供热系统,这种运行模式具有多个热源,提高了供热的可靠性[3]。
多热源供热系统的突出特点是:多热源分别运行、多热源解列运行、多热源联网运行。多热源分别运行,随着气温变化,基本热源满负荷后,逐步扩大或缩小分隔出的管网范围,采暖期用阀门将供热系统分隔成多个单热源供热系统,并随气温变化,多热源解列运行。采暖期,基本热源首先投入运行,分隔出部分管网划归尖峰热源供热,使基本热源在运行期间接近满负荷运行。
3 市政热力工程设计示例
下面以某市政工程供热管网工程设计为例进行具体分析。设计期间,要估算和统计各类热负荷的耗热指标,公共建筑和居住区域采暖热负荷较大,考虑到公共建筑和居住区内综合建筑混合的实际情况,设计时计算了混合区域的采热热负荷,得到了本采暖设计的最大热负荷、最小热负荷以及平均热负荷。
根据年供热需求,进行供热介质和热力网形式的设计。根据城镇供热管网设计规范要求,将蒸汽和高温热水方案进行比对,决定采用高温热水方案,参照可行性研究报告,减少管网一次性投资,预制聚氨酯直埋保温管道。热力网选用支状布置和环状布置方式。供热管网支状布置造价低,运行简单,随着热源距离的增加和用户的减少,在不具备互补供热性能的前提下,对供热点的热用户进行供热,要求建筑物有一定的蓄热能力,同时能够迅速消除热网故障[4]。而环状布置则采用环状的主干线布置方式,在城市多热源联合供热时,将热源连接到主管网上,这种布置运行安全、管理可靠。
设计阀门时,分段阀门可以采用焊接蝶阀与焊接球阀,泄水和放气阀则采用焊接球阀,以提高系统运行的安全性。为了防止室外管道输送效率低,集中供热管网按照设计要求进行均衡的流量设计,避免用户损失较多热能,从而保持管网系统的水力平衡。在实际运行中,往往管道中流动的水力工况十分复杂,因此设计阶段要利用调节阀门对各支线进行流量调节,以达到系统的整体平衡[5]。
本工程设计具体勘测了老旧供热管网存在的具体问题。结果发现,部分市政供热管网由于架空敷设,缺少必要的维护,已经出现保温结构严重破损、管件及支架锈蚀的情况,部分支架出现倾斜、错位;供热管网和户内采暖系统年久失修,各种原因致使供热管沟常年积水,造成管网保温脱落、阀门锈蚀渗漏、补偿器和支架腐蚀失效等,特别是在严寒期,供热设施难以达到温度要求,居民反应强烈;供热管网缺乏质量调节和能耗计量手段,造成水力工况失调,冷热不均,而且没有计量造成粗放运行、浪费严重。各个供热单位自行管理,对供热初调节不是很重视,约有70%的管网没有设置调节装置和计量装置,水力失调现象十分普遍。根据勘测结果,设计中进行了供热管网总体方案的论证。
3.1 供热管网总体布局
供热管网在进行布局时,要按照热负荷情况进行总体规划,不仅要考虑当前情况,也要对未来进行预测和规划,所以实际设计既要符合实际情况,也要留下发展余地。
3.2 改变管网敷设方式
以前,供暖管道敷设主要采用地沟敷设和架空敷设方式,但是二者存在较多问题。管网敷设改造要考虑到降低造价、节约能源和保护环境,最终对地沟敷设供热管道进行改造。供热管道可以应用预制直埋保温管,将聚氨酯硬质泡沫保温材料、聚乙烯保护壳和钢管紧密地粘合,其社会效益和经济效益突出。
3.3 管道保温材料和外保护壳改造
目前,直埋热水管道大多采用聚氨酯硬质泡沫塑料作为保温材料,它的保温效果较好,还具有一定的抗压强度。改造供热管道时,人们一般选择高密聚乙烯套管作为外保护壳,其抗老化和防水效果较好。
3.4 热力站改造、供热计量及节能改造
为了调节供热工况,每个热力站的一次网侧应装设电动调节阀、差压控制器和热量表。每户室内重新敷设能实现分户控制的室内供热管网,与楼道的单元供回水立管并联,在连接每个用户的供回水管线上加装锁闭阀。
3.5 水力失调的解决方法
集中供热管网工作期间,当集中供热系统无法满足用户热量需求时,便会出现供热的水力失调现象,使得管道初端和末端出现远冷近热现象。
为了解决水力失调,首先设计人员要认真核算热负荷,缩小理论值与实际值的差距;在进行设备选型和管径计算时,以实际的水温和温差为依据,选择换热设备,进行系统主干管和立管的水力计算;在设计系统走向时,应尽量缩短供热主干管、支管的长度,减少沿程阻力。
其次要把握好供热管道的联网工作。要严格检查建筑结构和建筑设备的构成和质量,排除建筑结构中可能存在的安全隐患;供热设备的施工要严格按照规范的施工工序一步步实施,施工期间要严格控制施工质量,施工技术要合理、规范;对于热力站、供水管网等核心部件的压力情况,要进行系统、全面的管理和控制,及时有效地预防和处理其中存在的问题[6]。
4 结语
在市政供热管网设计中,除了以上方案,为了保证管网系统运行的可靠性,人们还可以应用新设计理念,运用新材料、新技术。例如,选择变频调速技术,实现补水泵定压,在地下水位较高的区域创新应用喷涂缠绕式预制保温管,使用质量好的板式换热器,在散热器上安装热量分配表和温控阀。人们要综合利用各项科学技术,打破传统的供热系统设计模式,进一步实现供热工程的节能运行和精细化管理。