长输供热管线工程设计方案与应用探讨

梁辰 关宝良 孟思宇

随着我国“双碳”战略的持续推进，节约能源、可持续发展、减少污染成为新时代的要求。长输供热管线工程是城市集中供热系统重要组成部分，是保障生产、生活的民生工程。本文针对长输供热管线工程现状与建设必要性进行思考分析，阐述了长输供热管线工程的优化设计方案，探讨了长输供热管线工程以安全、绿色、低碳、智能为供热发展方向全面提升供热保障能力的应用分析及社会效益。

我国在热电联产发展初级阶段时，供热半径一般不超过10公里。到2016年《热电联产规划管理办法》修订时，热电联产的常规供热半径调整为20公里。传统的集中供热管网的最远供暖间距，即常规的经济供暖半径范围，普遍在20公里以内。长输供热管网特指运输间距大于20公里并在管道中央设定有中继泵站或隔压站的热力系统，长输供热管网的供热建筑面积常常在1500万平方米之上，长输管道的公称直径一般大于等于DN1200。

发展城市集中供热不仅是完善城市基础设施，推进城市现代化进程的客观需求，更是推动国民经济可持续发展、节约能源、减少环境污染和提高人民生活质量的重大举措。我国能源资源供需矛盾日益突出，供热企业面临的能源资源形势比较严峻。能源问题影响供热企业的经济效益和发展前景。面临严峻的能源形势，在清洁新能源供热热源不足、电厂余热利用效果差背景下，合理整合资源，降低管道输配过程消耗，对长输供热管线进行方案优化设计，有利于降低供热能耗，保障供热质量和效率的同时节约工程成本，从而获取经济效益。

一、长输供热管线工程现状与必要性

供热管网作为与热源建设和城市发展相配套的必要设施，集中供热管网如同城市的血脉，推动着经济社会的发展，有利于市政基础设施和公共资源优化整合，改善居住生活环境，推动社会经济发展，助力“资源节约型、环境友好型”社会形成。

然而受城市总体规划、供热技术条件以及资金等原因影响，早期供热发展的弊端在现代开始显现，供热管网已无法满足当前供热要求。现状管网同时供应工业和采暖热负荷，采暖期存在压降大、末端参数低的现象；非采暖期存在热损大、安全隐患高的现象，严重影响了工业生产和居民采暖质量。长输供热管线设计必要性如下：

1.供热需求的驱动

城市开发建设速度较快，集中供热面积发展迅速，热负荷大幅增加，但集中供热设施的建设明显滞后，现状热源供热能力严重不足，已成为当前制约城市集中供热事业发展的主要因素。

2.热源变化的影响

随着城市周边热电厂退出，中心城区将面临热源不足的情况，为适应集中供热热源变化，同时满足城区远期的发展需要，引入新的热源，加紧推进长输管线工程的建设，已势在必行。

3.能源绿色低碳转型体制机制和政策的需要

2022年2月10日，国家发展改革委、国家能源局联合发布《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》指出：充分挖掘现有大型热电联产企业供热潜力，鼓励在合理供热半径内的存量凝汽式煤电机组实施热电联产改造，在允许燃煤供热的区域鼓励建设燃煤背压供热机组，探索开展煤电机组抽汽蓄能改造。有序推动落后煤电机组关停整合，加大燃煤锅炉淘汰力度。随着城市周边小型热电厂的关闭，大型热点企业供热能力可获得充分利用。

4.项目建设的社会效益

发展城市集中供热不仅是完善城市基础设施，推进城市现代化进程的客观需求，推动国民经济可持续发展、节约能源、减少环境污染和提高人民生活质量的重大举措，更是加快构建清洁、低碳、安全、高效的现代能源体系，为全面建成小康社会提供坚强的能源保障，具有十分重要的引导、支撑作用。

二、长输供热管线工程优化设计方案

1.长输供热管线敷设方式及供热介质

目前国内外关于供热管网的敷设方式主要有四种形式：架空敷设、管沟敷设、直埋敷设及城市综合管廊，长输供热管线敷设方法应根据地形地貌、管道附近的建筑设施、城市发展的因素加以综合分析考虑，并且考虑交通、人文、经济的发展状况选择合适管网敷设方式。

热网系统以水作为热媒，可利用质—量调节，供热半径大，单公里温降小，供热工况稳定。现阶段的热水管线直埋技术在目前国内已经是相当完善，管线本身的表面温度也比较低，对于管线附近的一些其他的管道工程和一些城市的绿化工程影响也比较小。依据《城镇供热管网设计规范》（CJJ 34-2010）第4.1.2条规定：“当以水为供热介质能够满足生产工艺需要，且技术经济合理时，应采用水作供热介质。”因此，长输供热管线在满足生产、生活需求下，多采用高温热水作为供热介质。

2.长输管道稳定性设计、水击及防范措施

长输供热管道大、距离长，为防止在应用中塑性变形，在承受高轴向压应力和截面内存在缺陷部位出现局部失稳及土壤摩擦力约束热胀变形或局部沉降造成的高内力，设计时应进行局部失稳计算，避免局部屈曲、弯曲屈曲和皱折的产生。对于局部失稳位置，采取相关措施避免失稳现象的产生。

当循环水泵突然停止运行或阀门突然关闭时，易发生水击现象，对系统设备和管道产生冲击，严重时设备发生破坏及管道破裂。水击所能引起的最大压强由水的密度、流速、水击波、水声传播速度、管径、壁厚等多种因素决定。当发生水击时如不采取措施会对系统产生很大的破坏力，防范水击措施如下：

（1）增加系统关闭和开启时间，尽量减少直接水击；

（2）在系统中设置安全阀，发生水击瞬间将部分水放出；

（3）为减少对水泵的冲击，在水泵进出管道上设置旁通管，旁通管上设置止回阀。

3.长输管网减阻与分段阀门设计

长输供热管网宜对管道内壁采取减阻措施，并应采用经过测定的当量粗糙度值进行水力计算。长输供热管网减少输送阻力是节能降耗的重点之一，在管道内壁采取减阻措施可减少管道沿程压力损失，显著降低循环水泵的电耗。

高温热水管道的内壁减阻材料目前尚处于试验研究阶段，减阻涂层的寿命不应小于30年，即30年内涂层无局部剥落，减阻涂层应完整、连续覆盖热水管道内壁。在长输供热管道上，建议采用成熟可靠的内壁处理技术，减小内壁当量粗糙度，可以降低管道的输送电耗。

长输供热管网通常管径较大，其阀门造价较高，从节省建设投资角度可将分段阀门的间距加大。对于长输供热管道，分段阀门起不到减小停供范围的作用。与《城镇供热管网设计规范》相比，增大分段阀门的间距，减少阀门的数量，可以提高管道的供热可靠性。为了降低长输供热管道阀门间距增加后对故障修复时间的影响，应适当加大长输管道的放水管管径，同时增加长输管道系统的补水能力。为便于供热管网检修和运行，局部管网发生故障需要维修时不影响相邻的管网正常供热，同时为减少管网检修时的泄水损失以及缩短补水时间，迅速恢复供热应在长输管线设置关断阀门，阀门设置位置选择在受力均匀的部位。

4.长输管道预热设计

管道敞槽电预热安装是指在管道整体回填之前，将管道受热以后产生的一部分热膨胀变形提前释放，从而降低管道的轴向应力，减少管道滑动段的位移量，提高热网运行安全稳定性的一种管道直埋式敷设方式。

电预热技术的是通过电缆将电预热设备与工作钢管连接并构成闭合回路，将低电压、高电流的电能作用于预热管段，利用钢管自身电阻发热的原理，通过计算获得预热温度及伸长量，将工作钢管的温度加热到设计预热温度，常应用在长输管道余热中。长输供热主干线部分及市区供热管网干线部分均采用无补偿预热安装，以利于管道的安装和降低工程造价；预热方式优先采用电预热，根据不同的预热长度，选用不同容量的电预热设备，一次预热的管线长度可适当调整。

5.防腐保温

长输供热热水管道满足规范要求可采用高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件，要求工作钢管、保温层及保护层必须是三位一体紧密结合的整体性结构。聚氨酯与工作钢管紧密结合，有效隔绝了钢管外表面与空气、水的接触，具有良好的防腐性能。为增强聚氨酯保温层分别与钢管和高密度聚乙烯外壳管之间的抗剪切强度，钢管外表面要进行抛丸处理和高密度聚乙烯外护管内表面进行电晕处理。

（1）管道保温。采用氰聚塑直埋保温管，其结构由钢管、防腐层、保温层和保护层四部分组成。钢管一般采用无缝钢管和螺旋缝钢管。防腐层是在钢管外表面上涂上一层具有很强防水、防腐能力的氰凝。氰凝又具有强粘性，能和聚氨脂泡沫牢固结合。保温层是改性硬质聚氨脂泡沫塑料，密度小，导热系数小，抗压强度高。保温层泡沫闭孔率不应小于90%，密度不应小于60kg/m3。保护层为高密度聚乙烯管。

（2）管道保温材料。聚氨酯保温材料各项性能指标应达到下表中的要求。

闭孔率 ≥88% 吸水率 (100℃，90min)≤10%平均孔径 ≤0.5mm 断裂伸长率 ≤350%密度 60kg/m3 拉伸强度 ≥20MPa抗压强度 ≤0.3MPa 耐温 135℃

6.检漏措施

供热管网作为城市集中供热系统的一个重要组成部分，承担着将热源的热量及时地输送、分配给各个热用户的任务，但同时也是供热系统可靠性的薄弱环节。随着热网规模的增大和使用年数的增长，由于管道及部件材质、敷设方式、环境、施工方法及管理等诸多因素的影响，供热管网泄漏故障的不断发生对运行和维护管理造成了极大的影响，严重妨碍了热网运行的经济性和安全性。为了确保供热管网安全稳定运行，实现供热管网现代化管理，建立供热管网漏水故障诊断系统是确保供热水管道网经济、安全和提升供热水管道网自控、管理的有效工具。

供热管网泄漏检测由中央计算机系统、通信网络、现场测量站组成。中央计算机系统由服务器、操作员站、工程师站、打印机等组成，通过路由器和通信线缆接入公共通信网，实现中央计算机系统与现场测量站间的数据通信。各现场测量站均有固定的IP 地址，整个漏点检测系统形成一个独立的虚拟专用通信网络，确保信息传输的安全性。

现场测量站主要由通信模块、漏点检测模块组成。通信模块可直接与漏点检测模块通信；分析检测数据，并将数据储存在SD卡上；建立中央计算机系统与各现场测量站间的数据通信。漏点检测模块的功能是测试管线与感应器导线相互之间的阻抗，利用感应器导线与其他漏点检测模块通讯；支持各种管段通信模块间的传输；当有泄露出现时，发送报警信号。

三、长输供热管线工程节能分析

长输供热管线工程优化能够降低供热能耗、保障供热效率与质量，为城市供热系统安全稳定运行保驾护航。同时，建设长输供热应满足以下几点：

1.长输供热管线项目应满足节能要求

项目设计贯彻执行《中华人民共和国节约能源法》，符合能源利用建设标准、技术标准和《中国节能技术政策大纲》中关于节能的要求，达到“节约能源，合理利用能源”的目的。主要要求如下：对表面温度≥50℃的设备、管道均采用良好的保温层及防护层以降低热损失，一级网输送效率＞92%。高温热水管道推荐采用直埋方式敷设，比地沟敷设可降低热损失5～10%。对热用户及主要用电设备均设置热能及电能计量装置，并及时对热力网供回水温度、定压总压力、循环流量、供热量、补水量进行累计记录，加强对能耗的考核。

2.长输供热管线项目应满足环境风险要求

项目的最大潜在事故是供热管网的破裂和泄漏，在线路选材、选线、设计、防护以及工程的设计、施工、养护、维护、管理监督等各方面要给予以高度的重视，通过完善各项安全防范技术措施，落实各项应急技术措施，从找出引起灾害事故发生的最基本的原因和事故根源上加以防治。管线在敷设施工时，在一些交通较为繁忙或一些经常有大型货车频繁出入市区的路段的主要道路上设置泄漏报警的装置，如果发现管线上出现了渗漏，第一时间要确定渗漏地点。出现地下供热系统管线发生严重爆裂现象和严重渗漏时，应及时关闭管道附近的关断阀，停运相关水泵等设备，以便于管网的维修，并将损失降至最低。

四、结语

长输供热管线项目具有良好的社会效益、环境效益和综合经济效益，对建设现代化的城区、改善环境质量、提高居民生活水平具有良好助推作用，是节约能源、利国利民的民生工程。长输供热管线工程设计应在满足规范、安全、节能的要求下，通过合理化的设计提高合理性、科学性、稳定性，同时采取相关措施，促进我国集中供热发展和进步。