城市集中供热管网中存在的问题及优化设计

陈善堂

（潍坊市滨投分布式能源有限公司，山东潍坊 261000）

1 引言

近年来，我国城市集中供暖事业飞速发展，供热形势总体呈现良好状态，2020 年，我国城市集中供热面积已达到9.948×109m2，为城市经济与社会发展提供了充足的驱动力，也在一定程度上改善了社会大众的生活条件。但是部分城市集中供热管网仍然存在热能浪费、防腐技术滞后等问题，对城市生产、社会大众生活秩序均造成了不利影响。因此，面向城市集中供热管网现状探究存在的问题及优化设计策略具有非常重要的意义。

2 集中供热管网概述

集中供热管网是由城镇集中供热热源向热用户输送、分配供热介质的管网系统，包括输送干线、支线、输配干线等部分。从本质上而言，集中供热是在工业生产区域或城市居民集聚区内进行集中热源的建设，经集中热源向对应区域、周边居民与企业提供生活用热、生产用热。集中供热热源主要为热电联产、燃气锅炉、区域燃煤锅炉，与分散式的供热相比，具有大气污染程度低、燃料损耗率低、用地面积小、供热质量高、噪声低、自动化程度高、设备故障率低的优势，适用于我国北方人口密度高、用热面积大的城市居民用热以及工业园区集中供热。

3 城市集中供热管网布局特点

我国城市集中供热管网布局多依据地形地质条件、发展规划以及热负荷分布情况布置成枝状，部分情况下也在干线之间进行连通管线的设置，以提高管网供热可靠性，或者将干线布置为环状实现热源的相互备用。枝状集中供热管网布局、环状集中供热管网布局的特点以及优缺点见表1。

表1 我国集中供热管网布局的特点计及优缺点

除上述特点外，因我国城市集中供热管网规模较大，需要进行多结构层次的划分。即在负责连接热源、区域热力站的一级输送管网设置的基础上，设置以热力站为起点的向各热用户输送热媒的二级分配管网[1]。其中，一级输送管网决定供热管网形式，在其为环状时，集中供热管网为环状管网，在其为枝状时，集中供热管网为枝状管网；二级管网多为枝状管网，满足热能由热力站向1 个或多个街区建筑物分配的要求。

4 城市集中供热管网中存在的问题

4.1 保温问题

在城市集中供热管网中，换热站负责将热水加热到一定温度，但是在热水出换热站沿管道流动过程中，会持续将热量散失到低温度的管道周边介质内，促使热水温度持续向低水平发展[2]。除了保温材料选用不当（保温材料热导率较大）、保温层厚度较小、管道顶部覆土埋深较小外，设计时保温管道外径设计不当也会导致集中供热管道保温问题的出现[3]。一般在保温管道外径较大时，管道内水、管壁接触的表面积也处于一个较大的数值，致使热量散失表面积增加，管道内水热量向管道外传递增加，热损失也增加。

4.2 防腐问题

在城市集中供热管网设计过程中，防腐层设计对管道防腐性能具有直接的影响。当前城市集中供热管网防腐层设计的可行性有待提高[4]。部分设计人员盲目选择提高防腐级别的方法，导致具体工艺操作过程中无法达到设计与应用要求；部分设计人员没有结合实际运行环境以及工程情况进行设计，而是进行其他管道防腐层设计的直接套用，导致防腐层与管道不匹配问题频繁出现；部分设计人员从技术难度控制、成本控制视角着手直接选择普通级防腐层，致使防腐设计效果落后于防腐要求，极易致使集中供热管道受外界环境影响而损坏，干扰集中供热效果。

5 我国集中供热管网的优化设计

5.1 建立管网优化模型

在集中供热管网设计过程中，设计人员不仅需要考虑初始投资额与施工技术，而且需要考虑管网运行过程中的能量输送损失，依据管网分流节点水力平衡、水力稳定性佳、初始投资最小、流体形成压力损失与散失损失最小的原则，优选管道管径、保温层厚度以及保温材料，促使集中供热管道可以向用户提供所需的热负荷[5]。基于此，可以从热能输送视角入手，进行优化设计数学模型的搭建。假定集中供热管网输送热能过程中散热损失主要源于流体与环境的温差、流体与管壁的摩擦，将能量量纲、能量损失的量纲分别作为节能性、经济性量纲。将管径以及所通过流体流量一定的一段管道视为一个管段，此时，经一段时间运行后，供热管网内部热水流动速度较为平稳，同时，存在压力损失、散热损失，结合平衡方程可知，进口位置热量为E1、压力E2与机械E3相加后的和为热水在进口位置的。出口位置热量为、压力与机械相加后的和为热水在出口位置的，热水损失能量E0为：

在管段一定时，管道各截面热量流动速度与管道标高无差异，而进出口位置压力、热量仅与流量、年运行时间相关。除此之外，保温工程投资费用也是集中供热管网优化设计的重要组成，由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组成，与管道外径、保温材料外表面直径、保温层厚度也具有较大关系。

5.2 保温优化

在集中供热管网优化设计模型构建完毕后，为确定各参数，需要结合具体供热管网设计项目进行核算[6]。以某集中供热一级网主管道设计为例，拟设置2 供2 回供热管道DN1 400 mm，数量为4 根，单根管道设计流量为15 500 t/h，总循环流量31 000 t/h。中继能源站位于主管道末端，与市区管道间接相连接。始端、中继能源站之间一级主管道设计温度为135/30 ℃，设计压力为2.6 MPa；中继能源站、尾端之间设计温度为120/25 ℃，设计压力为1.8 MPa，主管线输送距离为40.0 km，直埋敷设20.5 km，其余为架空敷设。拟设计供热规模为8.200×107m2，采暖综合热指标与计算热负荷分别为55 W/m2、4 125 MW。根据工程供热要求可以选择的直埋敷设供热管网材料为高密度聚乙烯外护管聚氨酯3 层结构（HCFC141b 体系）。硬质泡沫塑料预埋直埋保温管，为工作钢管层+聚氨酯保温层+高密度聚乙烯保护层，架空管道保温材料为小容重、可预制、热损失小、价格低廉的离心玻璃棉管壳。

在保温材料确定后，计算0.001～0.150 m 聚氨酯硬质泡沫、离心玻璃棉的初投资，寻找保温效果最好且总费用小的厚度组合。得出：在直埋管道保温层厚度为0.066 m、架空管道保温层厚度为0.095 m 时，供热管道年均总费用最低。此时，室外日平均温度在-11～-3 ℃时，直埋管供水温度在117.9～129.45 ℃，回水温度在27.1～27.6 ℃；架空管线供水温度在118.2～128.9 ℃，回水温度在28.6～28.9 ℃，供水管道总散热损失在17.856～22.052 MW，可以保障经济保温厚度下整个采暖季节的总耗热量在规定限度内。

此外，在管网布局为枝状时，设计人员可以确定一个管网主干线，对热用户（热力站）管网各分流节点进行编号，热源为0，由热源顺流动方向分流节点逐次为1，2，…，m-1，相应的管段依次记录为L1，L2，…，Lm，依据设计热流量、分流节点流量平衡原则可以进行管段设计流量的求解[7]。进而由主干线末端管段开始，在前期设定约束条件下，进行管径选择，确保m-1 节点位置的支管管线总费用、主干线末端管段总费用相加值处于最小水平。同理，选择管径，促使m-2 节点位置支管管线总费用、主干线末端管段总费用相加值处于最小水平，最终得到主干线的最少总费用对应的最优管径。由最小二乘法可知，单位长度管道的造价与管径之间的关系为：

式中，di为公称直径；f（di）为单位造价。由式（2）可以确定管网直径以及对应的管网费用。比如，在管网公称直径为1 400 mm时，管道的造价为840.0 万元/km。

5.3 防腐优化

在集中供热管网中，水中溶解氧浓度、水的酸碱度、水的温度等因素均对管道腐蚀具有影响，除此之外，管周湿度过大也会增加供热管网外腐蚀[8]。因此，除了选择小吸水性的保温材料外，设计人员还可以在供热管网外保护层中增设防水层，阻却外界水进入保温层的通道。同时，控制介质温度，避免高温送热加速管道内腐蚀。在这个基础上，增设额外的除氧系统以及pH 调节装置，降低水中溶解氧浓度，并保证供热管网pH处于合理范围内。根据亨利定律，氧在水中溶解度、接触气体中氧分压呈正相关，通过在喷射器内将准备除氧水、已脱氧气体强烈混合可以促使溶解于室内的氧扩散到气体，达到除氧目的。喷射器进口水压对除氧效果具有直接的影响，因此，设计人员应优先选择扬程处于0.55 MPa 左右的除氧泵，并设定除氧泵流量为补给水流量的1.25 倍。同时，将止回阀、闸阀（常开）安装在除氧解析器、水箱之间，保证除氧防腐效果。

6 结语

综上所述，作为寒冷地区城乡居民的基本生活需求之一，城市供热在基础建设投资力度增加、城镇化建设加速、供热需求持续增长的推动下快速发展，集中供热管网部署面积稳定增长。我国城市集中供热管网布局具有典型的枝状+环状布局特点，受多种因素影响，存在保温、防腐等问题，需要设计人员综合考虑各种因素，构建集中供热管网参数优化设计数学模型。在模型中求解最佳保温材料、最佳保温层厚度以及管道直径、防腐层除氧泵参数，保证集中供热管网保温、防腐问题的有效解决。