某熱電聯產企業供熱管損大分析

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引 言

某熱電聯產企業承擔向所在地城市舊管網和專線管網供應蒸汽任務。舊管網長度23.5 km，接有27家用戶，其中大多數為非連續小而散用戶。專線管網長度12.40 km，接有23家用戶。2019年企業供熱管損平均達34.08%，超過15%設計值。

下面應用基本理論，闡述供熱管損的影響因素，通過對企業熱網運行狀況的統計核算，綜合分析熱網運行中存在的問題并列舉針對存在的問題應采取的措施。

1 基本概念

1)城市供熱系統

城市供熱系統由熱源、熱網和熱用戶3部分組成。其是利用集中熱源，通過供熱管網等設施向熱能用戶供應生產或生活用熱能的供熱網絡。

2)供熱管損

供熱管道的“管損”分析，應該按計量方式的不同分開來講，也就是說按質量流量計量還是按熱量流量計量。質量流量計量是指在一定時間段內，供給用戶多少噸一定參數的蒸汽流量，其單位是t/月；熱量流量計量是指在一定時間段內，供給用戶多少吉焦一定參數的蒸汽流量，其單位是GJ/月。

供熱管損是指熱電企業供熱總表流量與熱用戶熱分表之和流量差占熱電廠供熱總表流量的百分比[1]。

供熱管損直接反映了供熱蒸汽輸送過程中有效利用程度，反映了熱網經營管理水平[1]，影響著熱電廠的經濟效益，是熱電企業考核中十分重要的經濟指標。

2 影響供熱管損的因素

依據質量守恒定律，由熱電企業供應的蒸汽，只要沿途管道沒有泄露就不會有損失，即供出去的蒸汽全部能夠計量并與熱用戶進行貿易結算。但是，在工程實踐中，管網規劃設計與實際運行間的偏差、非連續用戶、蒸汽長途輸送以及管道保溫不良等客觀因素，不可避免存在熱量損失[2]，降低了各用戶端蒸汽品質。

1)管道保溫的影響

企業對外供熱，蒸汽在輸送過程中不可避免地存在散熱損失。

保溫管道的散熱損失為

(1)

式中：Qt為單位長度管道的熱損失，W/m；Tv為系統要求的維持溫度，℃；Ta為當地的最低環境溫度，℃；λ為保溫材料的導熱系數，W/(m·℃)；D1為保溫層內徑(管道外徑)，m；D0為保溫層外徑，m；D0=D1+2δ；δ為保溫層厚度，m；ln為自然對數；α為保溫層外表面向大氣的散熱系數，W/(m2·℃)，與風速ω(m/s)有關，α=1.163(6+ω1/2)。

從式(1)中可知，供熱管道保溫效果與保溫材料選型、保溫層設計厚度、施工工藝及當地大氣環境等方面息息相關。

當輸送過熱蒸汽時，散熱損失僅降低蒸汽過熱度，不會冷凝排放，蒸汽質量沒有損失，熱用戶分表與企業供熱總表計量是一致的，不存在供熱損失。但是當利用長輸管網輸送蒸汽時，由于沿途管道散熱損失促使蒸汽汽化潛熱的釋放，到達管網下游處用戶的蒸汽可能降至飽和甚至不飽和狀態，從而產生凝結水排放掉，而蒸汽流量計又無法計量，這部分無法計量的凝結水就是供熱管損[1]。

2)蒸汽流量的影響

輸送蒸汽量一定時，管徑越大，流速越小，則壓損越大，蒸汽內能損失越大。

企業對外供出的過熱蒸汽，由于熱用戶實際用汽量小，蒸汽在管道內流速降低壓損增大，蒸汽內能損失致使蒸汽過熱度降低。當輸送至遠離熱網主干線的末端用戶時蒸汽變成飽和甚至不飽和蒸汽，供熱管損之高顯而易見。無過熱度的蒸汽，不可避免會產生凝結水，而蒸汽流量計又無法計量，形成了供熱管損[1-2]。

依據理論計算和相關資料，在10 ℃的環境條件下，通過直徑為100 mm且保溫良好的管道輸送0.6 MPa的飽和蒸汽時，每100 m管道每小時要凝結約30 kg水。

3)計量誤差的影響

目前熱力用戶中設計安裝的流量計大部分為渦街流量計。在低熱度情況下，蒸汽帶水，干度小于1[3]。由于渦街流量計不能自動識別水滴[4]，測量時會出現“漏脈沖”現象，帶水嚴重時沒有脈沖輸出，造成測量結果偏低。蒸汽含濕量越大，計量誤差越大。

渦街流量計二次儀表一般都是在內部預先設置好參數，不會自動識別蒸汽狀態，當飽和蒸汽按照過熱蒸汽的設置計量，因蒸汽熱力性能不同勢必會造成計量誤差[1]。

渦街流量計選型不合理和熱用戶用汽量偏離設計，造成有流量而不計量和無法計量的微小流量，是供熱管網發生損耗的最主要原因[4]。

4)調節閥門的影響

對于非穩定或非連續用戶，工程實踐中通過頻繁調節閥門開度以調整流量形成脈沖流量、停用時不關閥門或雖關閥門但是閥門不嚴等供熱企業無法進行有效監督與管理的情況，致使大多數流量計長期處于0～8%(節流)或0～5%(渦街)的切除點以下工作區域，造成流量計的漏計，若干用戶累加后漏計損耗不僅給供熱企業帶來了直接的巨額經濟損失，還與國家提倡的節能減排初衷相背離。

目前熱力市場供需雙方絕大多數都是按質量流量為基礎的結算方式。因供熱管道保溫不良、管網蒸汽流量偏離設計運行、計量裝置選型不當、間歇性用汽等因素造成熱用戶處流量計少計、漏計問題，是造成供需雙方貿易結算中統計偏差大、損耗高的矛盾所在。

3 供熱管損統計核算

蒸汽輸送過程中內能損失形成凝結水漏計、計量裝置計量誤差是供熱管損大的2個主要因素。管損大不僅造成供熱企業巨額經濟損失，加大環保壓力，而且在蒸汽輸送過程中因內能損失導致蒸汽汽化潛熱的釋放還嚴重威脅管網運行安全。

經全廠統計分析，2019年熱網管損34.08%，比設計高19.08%。如果按照設計管損為基數計算，相當于2019年熱網多供熱量271 200 GJ(2019年熱網供熱量1 421 300 GJ)：

1)多耗標煤10 800 t：按照2019年供熱煤耗39.77 kg/GJ計算，相當于多耗標煤10 800 t。

2)綜合廠用電率上漲0.08%：按照2019年供熱廠用電率8.85 kWh/GJ計算，相當于多耗電2.400 1 GWh，使綜合廠用電率上漲0.08%(2019年發電量2967 GWh)。

3)補水量增加88 900 t：按照工業蒸汽熱值3.05 GJ/t計算，相當于多補水88 900 t(熱網供出蒸汽疏水不回收，不計入補水率中)。

下面具體統計核算在各因素影響下的供熱管損情況。

1)運行蒸汽流量低

舊管網設計流量為114.79 t/h，2019年平均蒸汽流量10.72 t/h，2020年1月、2月平均蒸汽流量9.52 t/h。

專線管網設計蒸汽流量137.75 t/h，2019年平均蒸汽流量42.23 t/h。

分析2019年全年及2020年1、2月管網流量與管道損失統計曲線如圖1、圖2所示。

圖1 舊管網流量與管道損失關系

圖2 專線管網流量與管道損失關系

從圖2、圖3可知，管道損失與蒸汽流量呈負相關關系，即蒸汽流量越小，管道損失越大；蒸汽流量越大，管道損失越小。

2)熱用戶位置

核算用戶位置對管道損失的影響：

以專線管網為例，某大用戶處于管線較末端，在其投運后帶動該管線蒸汽流速快速上升，內能損失減小，用戶蒸汽溫度上升30 ℃以上，蒸汽由飽和蒸汽變為過熱蒸汽，整個管線管損由投運前40.75%下降至33.40%，管損降低7.35%。

某大用戶處于專線管網的最末端，在其投入運行后，管損由43%下降至26%，管損下降17%。

3)核算熱用戶峰谷期間管道損失

(1)舊管網22家工業蒸汽用戶，21家為間歇性用汽，用戶停運期間蒸汽冷凝(如圖3，舊管網00:00—7:00連續熱用戶減少，管損上升至67%；7:00—17:00熱用戶連續用汽，管損降至25%；17:00—24:00連續熱用戶減少，管損上升至45%)。

圖3 舊管網全天流量與管損變化

(2)專線管網23家蒸汽用戶，9家用戶為間歇性用汽，用戶停運期間蒸汽凝結水成水(如圖4專線管網全天流量與管損變化中，00:00—7:00連續熱用戶減少，管損上升至55%；7:00—17:00熱用戶連續用汽，管損降至23%；17:00—24:00連續熱用戶減少，管損上升至38%)。

圖4 專線管網全天流量與管損變化

從上述統計分析關系圖可知，管道損失與不連續用戶量呈負相關關系，不連續用戶越多，管道損失越大。

4)計量誤差的影響

根據設計和熱用戶運行參數，進行熱力計算，結果如表1所示。

從熱力計算結果可知：(1)輸送到用戶4的蒸汽為不飽和蒸汽，其余4個用戶蒸汽不同程度存在一定過熱度。從蒸汽品質由高到低排序，依次為1→3→2→5→4用戶(1～3用戶處于專線管網，4～5用戶處于舊管網)，可見舊管網保溫效果較專線管網差，蒸汽內能損失大；(2)所有用戶計量流量和計算流量間均存在偏差，設計流量越大、運行流量越小的用戶，流量偏差越大，且偏差量遠遠超過渦街流量計5%切除點。

表1 各用戶流量計算

4 綜合分析

從供熱管損統計核算資料分析，影響企業供熱管網損失的原因如下：

1)用戶用汽量偏離設計且絕大多數用戶為非連續用戶，尤其是末端用戶非連續用汽。原因在于：(1)間歇性用戶停運后調節閥門未關閉形成微小流量漏計；(2)用戶流量小，蒸汽流速低，壓力損失大造成蒸汽過熱度降低冷凝漏計[1]；(3)用戶投退初期因蒸汽內能損失造成蒸汽過熱度降低、密度增大而計量裝置不自動識別蒸汽狀態造成計量誤差[1]。

2)小用戶多且用汽量少，渦街流量計計量不準確(渦街流量計計量切除點為0～5%，當流量低于5%以下時不計量流量)。

3)舊管網保溫老舊，散熱損失大，輸送至用戶處的蒸汽品質低形成冷凝水直接排放漏計。

4)流量計因選型、參數設置或安裝等原因計量誤差大[1]。

5 結 語

熱網管損大已經給企業造成了巨額直接經濟損失，加大了環保壓力。為了提高供熱經濟性，減少供熱損失，提高供熱蒸汽的有效利用，企業應從以下幾個方面著手采取措施，挖潛增效。

1)科學規劃設計管網。查出實際熱負荷，勿將模棱兩可的規劃熱負荷作為設計負荷依據。通過詳實的調查研究開展蒸汽水力計算和保溫設計。在滿足用戶對蒸汽品質要求的前提下，根據實際預留一定富裕量，并選擇較小管徑和最短的輸送距離。避免用汽量一定，卻在輸送過程中產生大量凝結水的先天性失誤。

2)有選擇拓展熱用戶。由于熱網投資巨大和蒸汽產品的特殊性，供熱企業只能承擔區域內供熱的有限責任。拓展用戶必須有所選擇：(1)積極拓展連續大量用汽的優質用戶；(2)慎重發展遠離主干熱網的小、散用戶；(3)動員遠離主干熱網的小、散用戶采用其他熱源，有條件時再并入熱網。

3)嚴格計量管理。加強流量測量裝置和二次儀表的選型和使用，減少計量誤差。

4)優化保溫設計和保溫工藝，減少散熱損失。為了減少蒸汽在輸送過程中形成凝結水，應優化保溫設計，盡可能減少散熱面積和散熱系數，優化保溫工藝，減少蒸汽汽化潛熱的釋放。

5)加強熱網管理和監督，防止人為增加供熱管損。配備熱網遠程監控，實行供熱全程監控，及時隔離退出的用戶。

防止和減少供熱管損是節能降耗提高經濟效益的重要課題，需要密切結合實際，不斷分析研究和探討，才能取得實效。