城市供热管网优化设计分析研究

刘晓琼

（四平热力有限公司，吉林 四平）

目前，大多数城市的集中供热都是以热、电联合生产为主要方式，少部分地区则是以锅炉房作为辅助方式，以保证城市的供热需要。大部分的供热管网都是单一的枝状延伸，这样可以节省成本，但在管网线路上会存在一些问题。为此，有必要对城市集中供热系统进行合理的规划和优化，以保证城市集中供热系统建设的顺利进行。

1 管网设计优化研究现状及存在的问题

早在20 世纪60 年代，诺多等人就已经将系统分析应用于城市供水管道的优化设计中。1969 年,Shakeu 利用非线性模型求解了分支管道的优化设计。1987 年，戈德伯格首先应用遗传算法，建立并解决了管道设计的优化问题。2020 年，wirtz 等人提出了一种全新的基于LP 的人工优化算法，实现了对双冷网络分布式供能系统的人工优化。但在工程的实际应用中还存在着一定局限性：①经验性方法局限性。②经典图论法局限性。③动态规划法局限性。为了改善上述管网设计中存在的问题，笔者在十几年的管网设计工作中，总结了一些管网优化设计的关键节点和解决方法。

2 室外供热管网设计关键点

就目前的采暖方式而言，采用集中供热方式，通过由热力站向居民提供生活用水，以达到对居民生活供热的要求。居住区户外供热网络担负着从热力站向居住区输送热水的重任。为保证热水供应的品质，保证供热的顺利进行，需要对供热网络进行合理的规划，以保证供热网络的安全、高效。

2.1 热负荷量和管径

一次网的供、回水在130/70 ℃的温度范围内，通过热量的交换而变成了温度较低的水。居住区二次供热系统是将55/45 ℃的供、回水冷热水输送至居住区，以满足居住区的采暖需要（见图1）。

图1 居民集中供暖示意

2.2 管线布置原则和方法

居民区的供热系统比较复杂，在进行供热管道的设计时，既要根据居民区整体布局，又要根据其它管道的方向、埋深等因素来进行。城市加热管网的布局应该在城市规划的指引下，以热负荷分布、热源位置、其他管线及构筑物、园林绿地、水文、地质条件等为基础，通过技术部门的经济对比来决定。尽可能避开与排水系统相交，实在不能避开时，在相交部位使用整体隔热的直管道分段。

2.3 敷设方法的选择

供热管道铺设是管道工程建设中的一项重要环节，它直接影响着管道工程建设及运行的安全性。供热管道铺设（见表1）方式有以下几种。

表1 供热管道敷设方式及优缺点

2.4 室外管网水力平衡设计

热网水力平衡问题是热网设计中的一个重要问题，它直接影响到热网的质量。为了保证管网的水力平衡，设计者要做好以下几个方面的工作。①水力平衡设计要点。室外管网主平衡的好坏直接影响到供热质量及用户的供热，所以设计者必须通过分析供热量及能耗来实现管网平衡，从而保证供热质量。②支路均衡。设计者应根据用户要求，计算出主管线与支线的失衡比率，并对平衡阀进行合理的按制，消除支线内残余压力，使管网内水力平衡（见图2）。③排水放空的设计要点。设计者在设计过程中，应对泄水阀、检查井等进行合理布置，并安装相应阀门，为以后的水力平衡按制打下基础。

图2 水力平衡流量分配原理

3 城市集中供热管网设计优化

3.1 管线的节点设计优化

在供热管网中，弯头、变径、三通和折角处是疲劳损伤应力最集中的部位，温度变化会使应力集中于管道结构的非连续性处，导致管道疲劳损伤，降低管网寿命。设计时在节点处采取保护措施，防止节点破坏，减少管网的泄漏点，提高管网的质量。设计阀门时，为了提高系统运行的安全性，可采用焊接蝶阀与焊接球阀相结合的方式。

3.2 管道管径的选择

在铺设管线时，除了设置中继泵外，还应注意管线直径的选取。重视管网直径设计，设计中应当将离散型特点进行充分凸显，灵活运用组合方式，综合管网直径、供热质量、供热效率三者的关系[1]。对管道进行直径的最优化选择还能够确保经济的节约，降低投资使用，提高管道网的经济性和适应性，确保收益的最大化。

3.3 管网平衡的设计优化

在供热系统中，热媒是由封闭的管道输送到各个用户的。要保证设计的合理，就必须在供热系统中按计工况进行操作，使得每个用户都能得到对应的设计流量，这样才能保证供热系统的正常工作。在完成网络均衡时，必须根据规范的水力均衡计算，以保证每个回路的流量满足设计的需求；在室外每一回路及建筑物入口的供热给水管线上都装有一个平衡阀门或其它水力均衡部件（见图3）。

图3 管网平衡布置

3.4 供热网网络的优化

在城市供水系统中，管道布置的优选必须以可靠的技术和合理的经济为基础。在技术上，要做到这一点，就是要做到与公路的中线相平行，要尽可能地减少穿越交通干线，要与车辆相距较远，在地面上铺设管线时，要以不妨碍交通和不影响城市的美感为目标。为保证输送管的寿命，在输送过程中，要尽可能避免发生滑坡、土壤松软等不良环境。在经济性上，要对管道中的补偿装置、阀门等部件进行适当的配置；主管道要尽可能沿温度较高的地区运行。

4 实例应用

4.1 项目概况

该项目基于2018 年总书记在深入推进东北振兴座谈会上的重要讲话和考察黑龙江的重要指示精神。《xxx 有限责任公司二公河工业园区供热管网工程》正式启动，项目建设地点为该市市区。根据热负荷发展需求，新建供热管网引至新增负荷区，并新建换热站；项目共计新建一级供热管网3 362.08 m，二级供热管网2 726.3 m，新建换热站3 座，新建井室15 座（见表2）。

表2 主要技术指标一览表

4.2 热指标及设计负荷选择

供热区域内建筑面积在类别上包括公共建筑和住宅建筑，在节能效果上分为节能建筑和非节能建筑。划新增建筑热指标，在建及已批待建筑物按100%采取节能措施建筑物考虑，规划发展建筑按100%采取节能措施建筑物考虑，根据实际调查，新增建筑采暖面积综合热指标为55 W/m2。

根据《采暖通风及空气调节设计规范》，XX 市供暖期天数197 天，计4 728 h，供暖室外计算温度-33.2 ℃，供暖期平均温度-12.5 ℃，供暖室内计算温度18 ℃。

经计算，本工程年供热量为8.54 MWh（86 517.7 GJ）。

4.3 热媒介的选择及管网布置

根据热源厂可提供的供热参数，同时结合现有热网情况，确定一级网采用高温水供热，设计供回水温度采用130/70 ℃，二级网设计供回水温度采用50/40℃。热用户室内采暖系统与热源采用间接连接方式，二级网可根据负荷状况设成较为适宜的规模，因而，可以较好解决水力平衡问题；并且，二级网可根据各个站内的负荷范围情况设定需要的压力、水力工况，同时，一级网可不受二级网用户条件的限制，按需要设定及调节运行工况，保证近处及远处不利点用户均可获得满意效果[2]。

4.4 水力计算

热网主干线供回水温度为130/70 ℃；管道阻力计算采用当量长度法，局部阻力当量长度百分比取0.3；绝对粗糙度K=0.5 mm；管内流体计算密度92.13 kg/m3。热网主干线推荐比摩阻按《城镇供热管网设计标准》（CJJ34-2022）推荐值，按制在30～70 Pa/m 范围[3]。由于兼顾远期供热规划规模，个别管线比摩阻可适当低于30 Pa/m。热网支干线、支线应按允许压力降确定管径，但供热介质流速不应大于3.5 m/s，支干线比摩阻不应大于300 Pa/m。

水力计算结果：一级管网主干线长3 362.08 m，最大管径DN700，流量5.56 t/h，主干线单程阻力损失为7.3 mH2O。二级管网主干线长2 726.3 m，最大管径DN300，流量178.7 t/h，主干线单程阻力损失为14.79 mH2O。

4.5 本工程意义

本工程改造完成后，改善了供热质量，使市区居民享受到集中供热的好处，提高了居民生活水平和生活质量，同时改善净化了城市环境，对建设生态市的目标将产生积极而深远的影响[4]。本工程的实施，避免了新增供热区域新建区域锅炉房，消除了新建锅炉房对居民区噪声的影响，还居民一个舒适优雅的居住环境。城市污水排放中,锅炉房采暖污水占有一定比例，停止锅炉污水排放，将使市区河流水质有所改善[5]。本工程的实施，不但节约了大量燃煤、水、电等能源，而且减少了运煤、运灰车辆，节约大量人力物力。

结束语

综上所述，在对城市的供热管网的系统进行优化设计时，所要处理的问题并不只是城市化进程的逐步推进，供热面积的增加所带来的问题，还必须要注意对管件、阀门热负荷指标、管网的布置及选择等都要经过慎重的考虑及严密的计算。通过对上述问题的细致分析，能够更好地提高最优设计的品质，从而提高人类的生存品质，并且能够将经济效益最大化。