某城區城北與城南供熱管網互聯互通分析

王 方，王全福，趙云鵬，倪 珅

(1.黑龍江建投城市設計有限責任公司，哈爾濱 150025；2.黑龍江建筑職業技術學院，哈爾濱 150025)

0 引 言

某城區供熱企業下設四個熱源廠：總廠、一分廠、城南車間與城北車間，截止2019年底總供熱建筑面積1 268.88×104m2。目前城區供熱管網包括蒸汽網、高溫熱水網、低溫熱水網三種類型，均為4處大型集中供熱熱源配套管網，未能形成有效地互聯互通。近兩年，由于熱源設備故障導致居民供熱不能得到有效保障的問題逐漸顯現出來，這就有必要研究各熱源廠之間互聯互通管網的建設工作，以使各熱源廠之間能形成互相備用的關系，有效保證冬季的供熱安全。在國外(特別是北歐地區)，供熱系統多熱源聯網運行已有較成熟的經驗；我國自20 世紀70 年代末80 年代初以來，北京、沈陽、牡丹江等市縣也陸續開始進行多熱源聯網運行的嘗試，取得了不少可貴的經驗[1]。本文即對該城區城北與城南供熱管網互聯互通進行研究分析。

1 城北與城南供熱現狀

城北車間熱源現狀為：熱水鍋爐2臺，總容量232 MW(2×116 MW)；供熱面積為344.88×104m2；城南車間熱源現狀為：熱水鍋爐2臺，總容量232 MW(2×116 MW)；供熱面積為389.38×104m2。

城南車間配套管網類型為高溫熱水網和低溫熱水網；城北車間配套管網類型為高溫熱水網。其中高溫熱水網的設計供回水溫度為120 ℃/70 ℃。

1 城北至城南供熱管網互聯互通的意義

1.1 實現城北和城南熱源互為備用

城北車間與城南車間的兩個熱源目前僅為孤立運行，事故狀態時尚沒有有效的措施解決臨時替代熱源問題，城北至城南供熱管網的互聯互通，可使城北和城南熱源互為備用，獲得安全運行保障。

1.2 解決城北和城南熱源之間規劃發展負荷的供熱問題

城北和城南兩個熱源之間的地域，地方政府正在按計劃開發建設，規劃將有120×104m2新建建筑需新增供熱，借建設穿越該區域聯通管線的契機，完成此部分熱負荷的供熱工作，使聯通管線的建設實現供給新增負荷的作用，一事多用，提高投資效率。

2 城北至城南供熱管網互聯互通分析

2.1 互聯互通管網路由確定

城北與城南互聯互通供熱管網的建設路由需要綜合考慮新增供熱負荷發展的區域、管網施工的便利性、工程建設的經濟性、各熱源聯網備用關系等因素。

城南車間已實現與一分廠熱源的聯通，當城南車間鍋爐出現故障時，城南區域的供熱面積將切換為2部分轉由城北和一分廠兩個熱源分別進行供熱，計劃事故時城南區域內切割出180.96×104m2供熱面積給城北車間供熱。同時，在城北至城南互聯互通供熱管網區間內，城區規劃發展供熱面積為120×104m2。

綜合考慮以上因素，城北至城南互聯互通供熱管網路由規劃如下：擬在北新路與金滌路交匯處DN900城北高溫管網上引出DN700聯通管道，沿金滌路向南敷設至金都大街，隨后向東轉向繼續沿金都大街向東敷設至金泉路，在路口供熱管網轉向南沿金泉路繼續向東敷設至金水湖大街，此處供熱管網轉向東沿金水湖大街繼續向東敷設，末端與金水湖大街的城南供熱主管網連接，管網敷設長度約為3 008.6 m。

此規劃路由的合理性體現在：聯通管網直接由城北供熱主管網引出，沿途穿越120×104m2規劃發展供熱面積，終點直接與180.96×104m2城南原有供熱面積的主管網連接，有效實現區間熱用戶的合理覆蓋，最大限度實現兩熱源廠的互備關系。

2.2 事故工況下供熱量保證率分析

當城南車間或城北車間鍋爐出現故障時，城南區域內切割出的180.96×104m2供熱面積(其余208.42×104m2供熱面積由一分廠承擔)將完全由城北車間或城南車間供熱，再加上城南與城北區間內規劃發展的120×104m2供熱面積以及城北區域現有的344.88×104m2供熱面積，該情況下需負擔的總供熱面積將達到645.84×104m2，城區供熱綜合熱指標為52 W/m2，則此時總計算熱負荷為335.84 MW，而城南車間與城北車間熱源最大供熱能力均為2×116=232 MW(2臺116 MW熱水爐)，此時供熱量保證率為69.08%，滿足《城鎮供熱管網設計規范(CJJ34-2010)》中關于事故工況下最低供熱量保證率65%[2]的要求。

也可以認為在采暖期室外日平均溫度高于-11.15 ℃時，645.84×104m2供熱面積完全可由城北車間或城南車間單獨供熱。

2.3 互聯互通管網管徑的確定

(1)城南車間鍋爐出現故障情況時，互聯互通管網管徑分析

當城南車間鍋爐出現故障時，互聯互通管網所負擔的供熱面積包括：城南區域內180.96×104m2供熱面積以及城南與城北區間內規劃發展的120×104m2供熱面積，管網負擔的總供熱面積為300.96×104m2，供熱綜合熱指標52 W/m2，總計算熱負荷為156.50 MW，根據前面計算的事故工況下供熱量保證率69.08%，可確定此時互聯互通管網需承擔的熱負荷為156.50×69.08%=108.11 MW，則互聯互通管網的熱水流量為1 859.52 t/h，可以看出此時互聯互通管網的管徑只需DN600即可滿足要求。

(2)城北車間鍋爐出現故障情況，互聯互通管網管徑分析

當城北車間鍋爐出現故障時，互聯互通管網所負擔的供熱面積包括：城北區域344.88×104m2供熱面積以及城南與城北區間內規劃發展的120×104m2供熱面積，管網負擔的總供熱面積為464.88×104m2，供熱綜合熱指標52 W/m2，總計算熱負荷為241.74 MW，根據前面計算的事故工況下供熱量保證率69.08%，可確定此時互聯互通管網需承擔的熱負荷為241.74×69.08%=167.00 MW，則互聯互通管網的熱水流量為2 872.32 t/h，可以看出此時互聯互通管網的管徑只需DN700即可滿足要求。

2.4 聯通管道水力計算

(1)水力計算原則

①熱網主干線供回水溫度為120 ℃/70 ℃；局部阻力以當量長度計取，系數為0.4；絕對粗糙度K=0.5 mm；管內流體計算密度958.4 kg/m3。

②熱網主干線推薦比摩阻控制在30～70 Pa/m范圍，按《城市供熱管網設計規范》(CJJ34-2010)推薦值。

③聯通管道水力計算應按事故狀態下城北車間和城南車間單獨向聯通區域內熱用戶供熱的兩種情況分別進行考慮。由以上分析可知，城北車間發生故障時，聯通管道將承擔464.88×104m2的供熱任務；城南車間發生故障時，聯通管道將承擔300.96×104m2的供熱任務。所以水力計算應按城南供城北這種最不利情況進行計算，按城北供城南情況進行校核。

(2)水力計算簡圖，如圖1所示。

圖1 城南與城北聯通管道水力計算簡圖

(3)水力計算

水力計算公式如下：

R=6.88×10-3K0.25G2/ρd5.25(Pa/m)

(1)

W=3.54×10-1G/ρd2(m/s)

(2)

d=0.388K0.048G0.381/(ρR)0.19(m)

(3)

式中，G為管段的水流量(t/h)；d為管子的內徑(m)；p為水的密度(kg/m3)；K為管壁的當量絕對粗糙度(mm)；W為管內流體流速(m/s)。

聯通管道設計水力計算結果見表1，聯通管道校核水力計算結果見表2。

表1 聯通管道設計水力計算表

表2 聯通管道校核水力計算表

3 結束語

城北與城南供熱管網的互聯互通可實現城北與城南兩熱源互為備用，使得北南兩區域供熱管網運行安全性得到保障，提高了城市供熱的質量；同時，有效解決了城北和城南熱源之間規劃發展負荷的供熱問題。

綜合文中兩種故障情況下的分析，可得出如下結論：①城南車間與城北車間的任何一個熱源出現故障時，互聯互通管網均可實現事故工況下的最低供熱量保證率滿足規范要求；②城北至城南供熱管網互聯互通工程中的聯通管管徑為DN700較為合理。

當項目實施時，需在設計階段結合管網詳細水力計算對北南熱源廠的循環泵進行校核，當參數不滿足需要時，就要更換循環水泵并配置變頻器，以適應區域供熱管網實際運行的需求。

在區域內熱負荷持續發展階段，可通過在必要的管段設置手動平衡閥或電動調節閥等方式進行水力平衡調節；當區域熱負荷發展到穩定狀態時，建議考慮采用分布式供熱系統實現水力平衡調節，該技術屬于有源式的水力平衡調節[4]，可帶來明顯的節電效果。分布式供熱系統完全適用于多熱源聯網運行，在大型供熱系統中，分布式供熱的優勢更加明顯[5]。