供熱管網的數字化建設的探索

摘 要：有關熱網技術、計量設備方面的新技術、新設施的發展與應用課題。數字化熱網系統對節能的影響，數字化管網仿真運行與現實熱網運行進行比較后，可以幫助熱網管理人員及時了解冷凝水量、流量計故障、預防偷汽、漏汽檢查、保溫效果評價等功能。

關鍵詞：智能熱網；管損控制；熱網節能；數字熱網

1 工業供熱（蒸汽）管網系統的現狀及發展趨勢

目前，我國熱電聯產集中供熱已經成為工民用熱主要熱源，在工業發達地區隨處可見一條條巨龍一樣的供熱管道，其主要特點歸納為以下幾方面：

（1）大口徑遠距離輸送。比如：DN400-DN800管徑輸送距離在8-30km，有的區域網間管線甚至達到40km輸送管道。（2）分布格局由以前的單熱源樹狀布置發展為多熱源環狀布施。（3）運行方式多為遠距離、偏離設計工況的運行方式，比如：低負荷或超負荷運行。（4）商業結算表計大部分采用渦街流量傳感器居多，按質量流量計量。（5）大多供用熱結算流量裝置都進行了大小流量處理等措施，對管損進行了適當的彌補。（6）管道損失評價指標采用損失量與供量的百分比表示，以便于同行之間比較。影響集中供熱運行經濟性分析的主要因素是管道損失，主要包括質量損失與熱量損失兩部分，不管質量損失還是熱量損失，都是影響經濟指標的直接因素，通常我們把供汽量與售汽量之間質量差稱為管損，如：跑冒滴漏、散熱形成冷凝水無法計量、計量誤差或超差、偷竊行為、超量程計量等。（7）很多熱電廠都很重視管損管理，普遍遇到的難題，是在實施熱網遠程監控系統，都希望得到準確的管損分析結果，但是作者通過對多家熱電廠了解后，都沒有達到預期效果，該類系統僅起到遠程監測作用，不妨定義為監測型熱網監測系統。熱網監控系統應根據流體、熱力、數學、網絡等相關知識建立模型，模擬計算出壓力、溫度、流量、干度等與各節點處采集參數，分析出工況下相應的結果或操作，實現結構與功能相一致，也就是數字熱網監控系統，即監測型熱網監測系統。

2 供熱管網數字化建設的目的與用途

供熱管網數字化建設的目的是確保管網的安全穩定、提高運行的經濟性、管理的規范化，通過數字化建設，能夠幫助運營管理人員了解各企業各負荷點用熱參數需求，從而實現調度的統一化、掌握各節點的具體運行參數。明確損耗分布、各支線負荷仿真分配后各負荷點參數滿足情況、損耗情況，管損控制主要方法首先確定供熱真實量以及各節點的管損，然后比較得出管損存在哪里是多少，有目的去解決。

（1）數字熱網監測系統具有在線仿真檢驗計量表計功能：壓力、溫度測量表計現場校驗是比較方便的，而流量傳感器標定要用專用裝置，根據各管段參數變化，可以仿真出節點處流量。減輕了管理人員檢查范圍，有利于分析管損發生的原因。（2）數字熱網監測系統能隨時檢驗保溫效果，如保溫破壞、老化等情況，能及時檢查、試驗、分析原因。（3）數字熱網監測系統能預防水沖擊事故：據有關數據顯示，當管道通流蒸汽量低于設計流量的30%，蒸汽干度低于85%的情況下蒸汽不能帶走冷凝水而產生積水現象，如管線低負荷長期運行不能及時處理冷凝水，就會產生局部管道滿水，如遇脈沖負荷用戶易造成水沖擊事故。（4）數字熱網監測系統用于管網的啟停與冷卻，保護管道支架延長管道使用壽命。經常誤認為管網停汽后應立即全開所有疏放水閥，實踐證明特別冬季這樣操作對管道傷害特別大。（5）數字熱網監測系統能指導管理人員調整負荷、為管網設計與改造方案提供依據：某廠開發區主線擬供C-H支線時，方案分析擬采用壓力匹配器通過1.5MPa專線增壓與0.98MPa線升溫選用了壓力匹配增壓升溫裝置，同時解決了C-H支線再輸送4km壓力不足與1.5pma專線低負荷冷凝水問題。投入后，雖然用戶參數問題都得到很好地解決，但因1.5MPa專線采用鍋爐新蒸汽，排擠汽輪機供熱而少發電，效率了降低了，如采用數字智能熱網系統，已知末端用戶負荷，供熱母管調節出口參數就可以保證1.5MPa專線不帶水或干度在85%以上。

3 數字熱網監測系統構成

由于計算機技術的迅速發展和應用，單熱源樹狀布置的蒸汽管網，具有散熱仿真功能的軟件趨于成熟，并且得到廣泛應用（多熱源蒸汽管網正在蓬勃發展），為數字化智能型熱網監測系統的實現提供了可靠的保證，該系統構成框圖見圖1。

3.1 熱網屬性模型

根據模擬計算得到的各用戶、節點處的壓力、溫度、流量、干度、冷凝水量等參數，形成表示一次供熱管網虛擬運行狀態的模擬值模型。

（1）管網模型（塊）：按照管網一次系統的管徑、長度、管件等布置結構的物理參數（管徑、管件、布置、粗糙度等），建立管網的網絡模型，得到管路屬性：外支管、內管、節點、通路等。按照質量平衡、能量平衡關系列方程組，建立模型方程組。（2）水力學模型（塊）：按照流體力學知識，為可壓縮的蒸汽，確定管網物理特性（密度、粘度）與操作參數（壓力、溫度、流量）的關系，形成管網水力學模型，得到管段壓降與流量的關系，對于蒸汽管道應計算特定散熱功率下蒸汽介質特性計算水力特性。（3）傳熱模型（塊）：根據保溫、傳熱特性與蒸汽熱力性質（焓、汽化潛熱、飽和溫度等），可以得到管段末端溫度與冷凝水量。（4）建立方程組求解：通過（1）、（2）、（3）和蒸汽管道設計規范以及材料實際技術參數，運用相關數學等知識確立邊界條件，求解網路模型方程組。（5）工程化處理：管網模擬理論較為成熟，但是在實際驗證中經常遇到一些特殊的因素，如保溫老化或質變、管道泄漏、管徑物理性變化等，很難準確地量化。實踐證明：某廠采用東南大學建筑設計院設計的熱網，經過多次運行試驗，在設計工況點時各節點或用戶處測得參數基本與設計一致。由此可見，加入工程化處理后將保證模擬計算結果的實踐作用。

3.2 狀態參數模型

根據各用戶、節點處測得壓力、溫度、流量等參數，形成表示一次供熱管網實際運行狀態的測量值模型，即實時監測系統模型。

3.3 熱網分析模型

熱網屬性模型與狀態參數模型得到對應點的參數比較，如有超過規定范圍給出報警信息，為熱網管理人員及時分析處理提供信息。

4 數字熱網的開發程序，實現工程應用

（1）數字熱網的核心技術建立蒸汽管網數學模型，能否開發成功其關鍵在于建立工程技術試驗研究平臺，進行數據采集及其工程化，即“建立熱網大數據”。a.實現技術可行性：我們專注于集中供熱的研究，已經具備很強的優勢條件，蘇夏設計院正趕上了環保的歷史大環境，對現存熱網存在問題的研究，通過永恒線30km精準設計成為國內分布式熱網設計的佼佼者，新海石化工程又成為長距離超低溫降驅動汽輪機成功案例。b.實踐試驗必要性：新海石化蒸汽管網工程運行后外壁溫度分布見圖2，說明保溫結構仍存在不合理性。從保溫外壁溫度分布分析，經長期運行與保溫材料重力作用后，上徑向150°范圍內溫升應上升，同時在管道伸縮變形產生縫隙會擴大，散熱損失應增大，這些數據將會對熱網長期經濟運行產生深遠的影響。上述分析告訴我們在現有的管網運行中所存在的問題，需進一步實踐采集數據。c.采集數據內容主要圍繞管網安全與經濟運行影響因素進行。如設置并測量分層保溫溫度，計算分層溫度梯度，驗證監視保溫性能下降情況；新海石化管道設置了中間測點，二段溫降相近。該管道全長1618米，按照設計計算書核算新海石化30-35噸/時工況時溫降約20℃、壓降約0.5MPa，這些數據均準確地驗證了設計的符合性；環境對管道管損的影響，不同季節與氣候條件對熱網管損多少、理論管損多少、提高空間多少、管損的真實性、新建管網投資可節約多少等都有影響，進行分析、改造、試驗后，形成自己核心技術，提高企業自身的競爭力，當然建立數據庫不是一朝一夕就可以完成的，而是一個系統工程。

（2）數字熱網技術應用建立在供熱管道設計的基礎上，數字熱網建立最終目的是保證管損與管網的安全運行，贛榆北線管道按照保溫經濟性設計，而雙溝老酒廠與新海石化管道按照允許散熱損失設計，在要求單位長度的管道散熱功率的條件下進行水力計算確定管徑，試算保溫傳熱系數及其保溫結構，如管托設計按照“等截面直肋傳熱、接觸導熱理論計算最大散熱肋骨高”的方法進行設計計算等，然后匯總進行整體核驗。

（3）數字熱網監測系統工程的實施與普及是一項需要逐步完善的系統工程，具有很強實踐性和可操作性，有利于幫助熱電企業對蒸汽管網的實時監測與仿真模擬，提高操作和管理水平，該工程才起步，需要全員參與進一步在實踐中優化，為實現節能減排而努力，實踐證明數字化熱網必將成功。

作者簡介：王如春，身份證號碼：32010619731029085X。