熱水供熱長距離輸送技術

陳繼平，劉 沖

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001)

隨著“十三五”規劃的實施，清潔能源供熱得到推廣應用。在所有能源應用中，熱電聯產集中供熱是能源利用最為合理，也是大面積集中供熱最可行的一種方式。城鎮供熱應以熱電聯產為主，其它清潔能源為輔。截止2016年底，我國北方地區城鄉供暖總面積2.06×1010m2，其中：城鎮供暖面積1.47×1010m2，農村供暖面積6.5×109m2。用能結構以燃煤為主，占83%，其它能源占17%，總用能折標煤4×108t/a(城鎮用2×108t/a，農村用2×108t/a)。而北方地區的電力、鋼鐵、水泥等3.0×108t標煤的低品位余熱資源沒有利用。理論上講，將這些余熱利用可解決北方地區3/4的供熱面積，而且用能成本比較低。在這些余熱利用中，火力發電廠是主力軍，而火力發電廠中熱電機組的余熱利用率平均不到50%，大型純凝機組還遠遠沒有開發利用，開發潛力極大。

一方面電廠熱能沒有被充分利用，另一方面城鎮和農村又嚴重缺乏熱源，不得不使用大型的燃煤鍋爐、燃氣、電力作為熱源。造成這種能源不能合理利用的主要原因是輸送距離。由于余熱所在地距離大中型城市比較遠，如果不善加利用，將其長途輸送到目的地，無論從投資和運行成本上都是不經濟的，因此，如何整合資源，將余熱合理規劃利用，形成熱源、熱力公司、用戶都能共贏的局面是長距離熱水輸送供熱管網研究的課題。

1 長距離輸送供熱管網技術特點

長輸供熱有別于傳統供熱管網技術，其特點有如下幾點。

1.1 大溫差技術

由于供熱管線長，管道的輸送電耗增加，要求每噸循環水攜帶的熱量要盡可能多，如傳統的供熱熱媒參數是130/70℃、120/60℃、110/50℃，溫差最大60℃，而長距離供熱管線一般選取的熱媒參數為130/20、120/20、90/15℃，溫差75℃～110℃，比傳統熱電聯產供熱的輸送能力大25%～80%。如太原至古交長輸管線熱媒參數130/30℃，供回水溫差100℃。

1.2 低溫回水技術

傳統熱電聯產集中供熱回水溫度45℃～55℃，而長輸供熱為了充分利用火力發電廠余熱，需要將回水溫度降到35℃～15℃，以便得到更多的余熱，取得更經濟的熱價。降低回水溫度的方法有以下幾種。

1.2.1 熱力站設置大溫差熱水型溴化鋰換熱機組

在用戶熱力站處安裝吸收式換熱機組，用于替代常規的水-水換熱器，在不改變二次網供回水溫度的前提下，降低一次網回水溫度至25℃左右(顯著低于二次網回水溫度)，熱網供回水溫度由原來的130/70℃變為130/25℃，輸送溫差是原來的1.75倍，同等管徑下熱力輸送能力也是原來的1.75倍，由此大幅度的降低了熱網投資和運行費用。

1.2.2 熱力站設置電動水源熱泵降溫方式

在傳統熱力站板式換熱器一級網回水側串聯電動水源熱泵，將一級網的回水降到35～20℃，有利于熱電廠乏汽充分利用，原有熱力站可增容40%左右。

1.2.3 熱力站混水降溫方式

當用戶側二級網回水溫度比較低，在熱力站可采用一級網供水與二級網回水混和，做為二級網供水，二級網多余回水進入一級管網的回水干管中。

熱力站混水降溫由于采用直接混水換熱，換熱效率高，占地少，投資少。

1.2.4 利用熱泵集中回水降溫方式

在一級網回水總管上設置大型電動或汽動熱泵將回水溫度由45℃～55℃降低到35℃～25℃返回火力發電廠，提取的余熱經過熱泵做功后將二級網回水加熱到85℃～110℃，可獨立向附近的供熱區域供熱。

1.3 支架隔熱技術

長輸供熱管線支架的熱耗約占管網輸送熱耗的10%～15%左右，采用隔熱支架可顯著降低輸送熱耗，古交電廠至太原長輸供熱管線由于采用了隔熱支架，37.8 km的溫降小于1.5℃，節能效果顯著。

1.4 火力發電廠余熱梯級利用

長輸供熱經濟性主要體現在火力發電廠的余熱利用是否充分，長輸供熱將回水降低到35℃以下，一方面拉大供回水溫差，增加熱能輸送能力，一方面可將電廠的余熱梯級利用，如太古長輸供熱項目中，根據溫度對口、梯級利用的用能原則，供熱管網的回水順序經過古交電廠6#機組、5#機組、4#機組、3#機組、2#機組、1#機組熱網凝汽器，根據機組的不同背壓逐級提升溫度，達到乏汽余熱梯級利用的目的，將火力發電廠采暖季機組能源效率提高到85%以上，使供熱成本大幅降低，為長輸供熱項目提供了良好的經濟性，使火力發電廠、熱力公司、用戶互惠互利。

2 熱水長距離輸送供熱管網設計要點

熱水長距離輸送工程項目，目前在國內運行的還不多，設計、施工、運行的經驗也不足，為確保系統的安全性，應重視以下幾個方面的工作。

2.1 應力計算

熱水長距離輸送供熱管網的管徑往往大于DN1200，已超出CJJ/T81—2013《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》適用范圍，從保證熱水長距離輸送供熱管網的安全性和經濟性考慮，建議管道材質和管徑壁厚的選擇及應力計算在滿足中國現行標準CJJ34《城鎮供熱管網設計規范》和CJJ/T81《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》要求的同時，兼顧歐洲EN13941標準、俄羅斯GOST55596標準。

就管道的強度分析而言，中國標準和俄羅斯標準都采用了應力分類分析法，歐洲標準采用了極限荷載法，以下為國內外集中供熱設計規范的適用條件：

(1) 中國現行標準CJJ34—2010《城鎮供熱管網設計規范》，該規范適用于供熱熱水介質設計壓力小于等于2.5 MPa，設計溫度小于或等于200℃；供熱蒸汽介質設計壓力小于或等于1.6 MPa，設計溫度小于或等于350℃城鎮供熱管網設計。該規范規定架空管道的應力計算按照現行《火力發電廠汽水管道應力計算技術規程》DL/T5366的規定執行，直埋敷設熱水管道按照現行《城鎮直埋供熱管道工程技術規程》CJJ/T81的規定執行。

(2) 中國現行標準CJJ/T81—2013《城鎮直埋供熱管道工程技術規程》，該規程適合于設計溫度小于或等于150℃、設計壓力小于或等于2.5 MPa、管道工程直徑小于或等于1200 mm城鎮供熱直埋熱水管道的設計、施工、驗收和運行管理。

(3) 歐盟 EN13941—2009《design and installation of preinsulated bonded pipe systems for distrect heating》，該標準適合于直埋熱水管道，直徑限制在1000 mm以內，材料屈服局限在235 MPa。

(4) 俄羅斯標準GOST55596—2013《District heating networks standards for stress and seismic analysis》，該規范涵蓋了架空和直埋兩種敷設形式的熱水管道設計，管徑和材料沒有限制。

2.2 水錘防范

在壓力管道中因流速劇烈變化引起動量轉換，從而在管路中產生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現象，稱為水錘現象。水錘對熱水長距離輸送供熱管網的安全性威脅最大，按水錘成因的外部條件，可分為啟動水錘、管閥水錘、停泵水錘。熱水長距離輸送供熱管網按動態水力計算的要求關閉閥門、變頻啟停循環泵、合理設置逆止閥、泄壓裝置可避免啟動水錘和關閥水錘的產生。

由于熱水長距離輸送供熱管網根據水力計算工況，往往要設置多級中繼泵，各級中繼泵在實際運行工程中的各種故障停泵在所難免，有時已超出人力和現有技術控制的范圍，因此，故障停泵水錘產生的危害應重點防范。

2.2.1 故障停泵水錘的防范措施

熱水長距離輸送供熱管網在注水時往往會有大量的空氣進入管網中，在運行過程中，排氣設施不能及時排氣會形成水柱分離(氣)，或由于管網在運行過程中由于定壓失效造成的水柱分離(汽)，在流速發生劇烈變化時，都可能會產生對管網最具危害性的斷流彌合水錘，也是熱水長距離輸送供熱管網防范的重點工作。

(1) 設置有效的排氣裝置

熱水長距離輸送供熱管網在注水時，會有大量空氣進入管網中，尤其在加熱水體時，大量空氣會從水體中逸出，在管網的高點大量聚氣，形成水柱分離(氣)，如果高點的排氣裝置設置不合理，不能及時排出空氣，就有產生斷流彌合水錘的隱患，因此高點排氣裝置應選擇大排量的手自動兼顧的集氣排氣裝置。

(2) 定壓方式

熱水長距離輸送供熱管網由于管網距離長，沿途敷設起伏變化大，同時又有多級中繼泵站，當定壓方式和定壓位置選擇不合理，在管網中容易形成汽化現象，形成水柱分離(汽)，可能產生斷流彌合水錘的隱患。在熱水長距離輸送供熱管網的合適位置建議采用大型膨脹水箱定壓(最好兼顧做儲水、蓄熱功能)。一方面大型膨脹水箱比其它定壓方式穩定，另一方面定壓點多選在高點，可將管網中的氣體從水箱中及時排出。大型膨脹水箱還可以兼顧蓄水、蓄熱功能，對系統故障后及時補水及協調晝夜熱電負荷都有非常好的作用，融系統的定壓、排氣、蓄水、蓄熱、協調熱電平衡為一體，可謂一舉多得。

(3) 動態水力計算

熱水長距離輸送供熱管網安全性威脅最大的是各類水錘的破壞，因此，要通過動態水力計算，模擬分析各種啟停泵工況、開關閥工況及各種停泵組合工況下，分析水錘的作用。通過動態水力分析，優化供熱管網及中繼泵站的位置、數量及水錘防止措施，有效避免各類水錘對熱網的破壞。

2.3 熱媒參數的選擇

熱水長距離輸送供熱管網考慮到輸熱電耗和經濟性，通常供回水溫差比常規熱電聯產供熱溫差大，但供回水溫度如何選擇需要根據躉售及直供熱價、近遠期供熱面積及熱力站降溫型式等因素確定。

供水溫度越高，溫差越大，單位循環流量攜帶的熱量越大，耗電輸熱比越小，但是供水溫度越高，電廠的供熱成本也越高；適當降低供回水溫度可以降低電廠供熱成本，同時也有利于沿途其它工業余熱的利用。但是，由于降低供水溫度會同時降低供回水溫差，耗電輸熱比增加。因此，一定要根據工程的具體特點，通過技術經濟比較確定合理的供回水溫度。

2.4 火力發電廠余熱利用型式

熱水長距離輸送供熱管網采用大溫差供熱，除了增加單位循環流量攜帶的熱量，降低耗電輸熱比外，通過降低回水溫度，有效利用火力發電廠的各種余熱，降低供熱成本。

火力發電廠余熱類型有汽輪機冷端乏汽冷凝熱、煙氣余熱、輔機冷卻循環水等余熱，其中汽輪機冷端乏汽冷凝熱所占比例最大，目前應用也最成熟。余熱利用的設備有吸收式熱泵、壓縮式熱泵、噴射式熱泵、熱網凝汽器、換熱器。余熱利用的方案組合和選擇也是多種多樣的。要結合每個工程的特點，經過多種方案的技術經濟比較后確定。

3 結語

(1) 長輸供熱技術符合目前清潔能源供熱的要求，將火力發電廠及沿途排放到大氣中的廢熱回收利用，一方面減少了廢熱排放帶來的環境污染，另一方將這些廢熱變廢為寶，在滿足熱用戶用熱的同時又替代了當地大量的燃煤鍋爐，節能減排效果十分顯著。

(2) 長輸熱水供熱管網由于投資大，管網輸熱電耗大，因此，要合理規劃熱源、管網、熱用戶，在技術可行的前提下，確保在投資收益、運行成本、用戶熱價上都是經濟可行的，形成熱源、投資、運行及用戶都能共贏的局面。

(3) 長輸熱水管網要重視應力計算和動態水力計算，采取合理措施，做好安全防護，避免水錘發生。

參考文獻：

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