供熱管網蒸汽輸配過程質能平衡研究及損耗組成分析

馮 宏，茹 毅，林小杰，吳燕玲，竇士芳，金鶴峰

（1.桐鄉泰愛斯環保能源有限公司，浙江 嘉興 314599；2.常州英集動力科技有限公司，江蘇 常州 213022；3.浙江大學能源工程學院，浙江 杭州 310027）

供熱是人民生活和工業生產的重要保障。據統計[1]，2014—2018年，我國供熱用能總量從2.2億t（折算為標準煤，下同）增長到3.2億t，增長了45.4%；供熱用能占能源消費總量的比例從5.2%上升到6.9%，增長了32.7%，呈現快速增長趨勢。

我國供熱行業尤其是工業蒸汽供熱當前表現出復雜性：一方面，行業正在向集中化、區域化、智能化的方向發展，有力推動著我國能源利用水平的提高；另一方面，供熱管網規模日益擴大、管網結構日趨復雜，熱電廠和熱力公司對管網管理控制水平參差不齊，蒸汽輸配過程損耗情況差距很大。在相關研究中，楊力[2]認為蒸汽管網質量損失主要受管道蒸汽泄漏、小流量信號切除和計量不準影響。高魯鋒等[3]分析認為蒸汽管網熱損失主要由散熱損失、跑冒滴漏損失、凝結水損失3部分組成。高建強等[4]建立仿真模型分析了凝結水損失的影響因素。Gabrielaitiene[5]分析了不同溫度工況下供熱管網熱損失情況。王富聚[6]對某蒸汽管網建立了數學模型，分析認為該管網散熱損失偏高的主要影響因素為保溫層失效。吳榮煒等[7]根據蒸汽在管網中的能量損失特征進行能耗情況計算，認為蒸汽散熱損失主要受蒸汽流速、保溫層厚度影響。然而，當前研究多針對蒸汽管網輸配損耗的部分內容和影響因素，未能提出損耗組成的具體計算方法。

本文首先分析蒸汽管網輸配過程并建立質能平衡方程；其次，對方程中的未知量進行簡化和解算；最后，根據解算結果，對供熱管網蒸汽輸配過程的損耗組成進行分析。

1 管網蒸汽輸配過程和質能平衡方程

1.1 供熱管網蒸汽輸配過程

工業供熱中，蒸汽管網形態與熱源、園區和用戶分布有關，可能形成復雜的枝狀或環狀結構。目前，對蒸汽管網的研究多通過建立模型方式進行分析[8-11]。利用圖論方法可以將供熱流體網絡化并抽象成數學模型[12]，模型中熱源點、用汽點、管道分支點等作為節點，管段作為支路。熱網簡化模型如圖1所示。

圖1 供熱管網水力有向流程模型Fig.1 Directed flow chart model for pipe network hydraulic

選擇一段時間，分析供熱管網蒸汽輸配過程：1）熱源節點累計供出質量Mo和熱量Qo的過熱蒸汽進入管網，平均焓值為Ho，對應壓力下干度100%的飽和蒸汽焓值為Hbq；2）在溫差作用下，雖已包覆保溫，全支路仍不停地向外界散發熱量，引起的熱量損失即管網散熱損失，記為Qe；3）疏水節點排出水的質量和熱量分別為Msi、Qsi，疏水焓值為Hsi；4）蒸汽管網中漏汽節點損失的蒸汽質量和熱量分別為Mqi、Qqi；5）時間段內最終到達熱用戶節點的蒸汽質量和熱量分別為Mi、Qi，平均焓值為Hi，對應壓力下干度100%的飽和蒸汽焓值為Hbqi。其中質量單位kg，熱量單位kJ，焓值單位kJ/kg。

1.2 蒸汽輸配過程質能平衡方程

蒸汽輸配過程中，一段時間內熱源出口質量累計值與用戶用汽質量累計值總和的差值ΔM稱為管損。一般而言，管損由疏水質量損失ΣMsi和蒸汽質量損失ΣMqi2部分組成。特別地，表計誤差損失也可認為是一種特殊的漏汽或疏水損失。

一段時間內，熱源出口質量與焓值的乘積與用戶用汽質量與焓值的乘積總和的差值ΔQ稱為熱損。一般而言，熱損由管網散熱損失、疏水熱量損失和蒸汽熱量損失3部分組成。根據圖論模型，構建時間段內供熱流體網絡蒸汽輸配過程的質量和能量守恒平衡方程：

2 質能平衡方程的求解和計算

2.1 疏水質量損失機理分析

在實際工程中，一般熱源出口和熱用戶入口處都有相關表計，管損為已知量，管網運行分析需要確定疏水質量損失和蒸汽質量損失的具體數值。由于蒸汽質量損失受表計、現場情況、人員操作等多方面制約難以直接得出，因此必須深入研究疏水質量損失的機理和計算方法。

根據熱工水力學原理對疏水質量損失進行理論分析。管網入口處為過熱蒸汽，在傳輸過程中將不停對外散熱。散熱時首先消耗蒸汽過熱部分熱量；消耗完畢后蒸汽將進入飽和狀態，此時繼續傳輸和散熱，將消耗汽化潛熱并開始凝結。需要注意的是，蒸汽管網為多支路結構，部分蒸汽到達用戶節點時仍有過熱度，此時剩余的過熱熱量并未用于克服管網散熱損失，計算中需要扣除。此外，凝結水積累到一定程度、蒸汽流速較低或經過管網低點時，將通過自動疏水器進行外排；未被排出的凝結水到達用戶處，由于凝結水體積比遠小于蒸汽，蒸汽流量計無法計量，相當于形成了內漏。因此，凝結水形成后必然在外排和內漏作用下形成質量損失。根據以上分析以及通過能量平衡推導，可以得出疏水質量損失ΣMsi的計算公式如下：

式中：γ為水的汽化潛熱，kJ/kg。

由式(3)可以看出，管網散熱損失、蒸汽過熱熱量、用戶消耗的過熱熱量是形成疏水質量損失的主要影響因素。其中，蒸汽過熱熱量主要受蒸汽過熱度和蒸汽負荷影響。用戶消耗的過熱熱量與管網結構有關，管網設計時將蒸汽用量大的用戶布置在管網末端或后端，將有利于更充分地利用蒸汽過熱熱量。為了得出疏水質量損失，需要對管網散熱損失進行計算。

2.2 管網散熱損失計算

管網散熱損失一般可分為管道散熱損失和附屬結構散熱損失。

2.2.1 管道散熱損失

管道的散熱損失計算是經典的傳熱學問題。蒸汽以較高溫度在管內流動，經過管壁金屬、多層保溫結構，在對流和輻射的共同作用下向環境傳熱，管道散熱損失Qeg（單位：kJ）可由不同管徑或保溫結構的管道散熱累加求得：

式中：Δt為選擇的時間段，s；D2i為各段管道的保溫外徑，m；Li為各段不同管徑和保溫的管道長度，m；qi為各段不同管徑和保溫管道的單位面積散熱損失，W/m2，計算公式見式(5)[13-14]。

式中：T和Ta為管內蒸汽溫度和外界環境溫度，K；D2和D1為保溫外徑和蒸汽管道外徑，m；λ為保溫材料的當量熱導率，W/(m·K)；αw為絕熱層外表面與周圍空氣的傳熱系數，W/(m2·K)，αw受環境溫度、保溫結構外表面材料黑度、保溫結構外表面溫度、環境風速等多方面因素影響，計算較為復雜[13]。

分析可知，管道對外界的傳熱過程中，保溫材料的熱阻將占絕大部分。根據多項目實際數據測算，理論狀態下保溫層外表面熱阻僅為保溫層熱阻的2%～5%。工程計算中，可忽略絕熱層外表面與周圍空氣的換熱。

2.2.2 管網散熱損失的修正計算

計算管網散熱損失時，在管道散熱損失的基礎上，需考慮附屬結構修正、保溫材料老化修正、外表面熱阻和天氣修正。將上述修正合并為1個管網修正因子α，可得到Qe計算公式：

修正因子α可通過測試得出。在管網中選擇數個已知管網物性、無泄漏和無疏水的過熱測試段，兩端設置溫度、壓力、流量測點，利用式(6)進行實際測算后取平均值。

2.2.3 管網散熱損失的影響因素和評價標準

根據以上分析，管網散熱損失主要受管內蒸汽溫度、環境溫度、保溫材料厚度和導熱系數、管徑和管長的影響，管托等附屬結構將引起額外的散熱損失。在實際運行中，由于管徑和管長屬于固定因素，主要通過計算平均單位面積散熱損失，與國家標準[15]對比來評估管網保溫狀態。

2.3 蒸汽質量損失計算

蒸汽質量損失一般由疏水帶汽損失、管網泄漏損失、表計誤差損失、主動操作損失等組成；瞬時或短時狀態下，管網滯后性[16-17]和儲汽性[18-19]也會產生影響。蒸汽質量損失為動態、不確定的變化過程，直接計算非常困難且誤差較大，可選擇較長時間段利用質量平衡反推：

求得蒸汽質量損失對管網安全經濟運行具有重大意義。監測該指標可以更好地了解管網運行情況，同時在管網意外泄漏事故時有利于提醒運行人員及時發現和處理。在管網實際運行中蒸汽質量損失應有效控制，保證管網安全和經濟運行。

2.4 熱損組成計算和準確率校核

計算得出疏水質量損失、蒸汽質量損失后通過焓值平均方法計算，可求得疏水熱量損失和蒸汽熱量損失；再結合已求得的管網散熱損失，即可完成理論熱損組成的求解。同時，由于實際熱損可通過表計數據計算獲得，利用式(2)對比理論熱損和實際熱損的差異，還可以校核方程計算的準確率。

3 蒸汽管網損耗組成計算和分析實例

桐鄉泰愛斯環保能源科技有限公司通過熱電聯產向周邊區域進行工業供熱。公司現集中供熱半徑約9.2 km，中壓管網總長約39 km，架空管為主。供汽參數3.2 MPa，用戶33家?；趘iHeating?軟件構建中壓管網模型，結果如圖2所示。

圖2 中壓管網模型Fig.2 Middle pressure pipe network model

應用蒸汽輸配過程質能平衡方程求解該管網損耗組成情況。該項目中壓管網采用雙層保溫結構：內層保溫材料為硅酸鋁，運行溫度下，熱導率取0.156 W/(m·K)；外層保溫材料為玻璃棉，熱導率取0.036 W/(m·K)。其他保溫層忽略不計。管網結構統計匯總見表1。

表1 中壓管網結構Tab.1 Structure of medium pressure pipe network

熱網中，熱源出口和各熱用戶入口處溫度、壓力、流量數據采集頻率1次/min。選取某個典型工作日，按小時統計熱源和所有熱用戶累計流量、熱源的供汽平均壓力和平均溫度、熱用戶的用汽加權平均壓力和加權平均溫度（流量加權）；根據焓值計算每小時供熱量、用熱量、熱源過熱熱量和用戶過熱熱量：所得數據如圖3所示。

圖3 典型工作日中壓管網熱源熱用戶統計數據Fig.3 Statistical data of heat source and users of medium pressure pipe network in a typical working day

根據式(6)和說明方法選擇數個典型過熱段進行管網修正因子測試后，取均值得α=1.51。由此計算管損分布情況，結果如表2和圖4所示。

表2 某中壓管網典型工作日數據情況和計算結果Tab.2 Typical data and calculation results of a medium pressure pipe network in a typical working day

圖4 中壓管網典型工作日管損和熱損分布情況Fig.4 Pipe loss and heat loss distribution of medium pressure pipe network in a typical working day

在管網輸配過程損耗組成計算的基礎上，可對管網運行和管損情況進行診斷分析，同時有針對性地給出優化運行策略。

1）計算校核 利用式(2)由理論熱損和實際熱損對計算結果進行校核，得出計算偏差率為3.4%，可見計算精確率較高，滿足工程計算要求。

2）管網漏汽 測試日管網漏汽率為3.0%，管網漏汽情況不可忽略。需要加強管網巡檢，對表計偏差、疏水閥排水帶汽、疏水旁路閥泄漏、管網其他意外泄漏等情況進行定期檢查和處理。

3）單位面積散熱損失 根據管網結構和管網散熱損失計算，該中壓管網的單位面積散熱損失為

81.6 W/m2，滿足標準要求。

4）管網修正因子 雖然管網的單位面積散熱損失滿足標準要求，但管網的修正因子高達1.51，處于較高水平，仍需檢查管網保溫狀態，對老化、沉降、破損的區域進行改造，將普通管托改造為絕熱管托，以降低管網散熱損失。

5）供熱熱量和管網散熱損失 計算可知熱源出口蒸汽過熱度已達110 ℃以上，處于較高水平，但實際運行中，供熱過熱熱量仍不能滿足管網散熱損失的需要。如機組運行允許并結合源側經濟性分析后，可繼續提高熱源出口過熱度，以降低疏水質量損失。

6）供熱面積比 調研可知，常規熱網供熱面積比（管網供熱量與供熱管網外面積的比值）一般在2～10 kg/(h·m2)。本項目中壓管網面積供熱比僅0.76 kg/(h·m2)，處于非常低水平，這也是管網散熱損失和管損較高的重要原因。供熱面積比主要受制于熱用戶分布和管網設計，屬于管網固定因素，改變較為困難。

4 結 論

1）蒸汽輸配過程中管損由疏水質量損失和蒸汽質量損失2部分組成；熱損由管網散熱損失、疏水熱量損失和蒸汽熱量損失3部分組成。

2）疏水質量損失可由機理研究和能量平衡進行計算。管網散熱損失、蒸汽過熱熱量、用戶消耗過熱熱量是疏水質量損失的主要影響因素。

3）管網實際的蒸汽質量損失可根據質量守恒由管損和疏水質量損失推算。該計算也提供了一種管網泄漏監控的方法，能夠提高管網安全經濟運行水平。

4）管網散熱損失可由管道散熱損失的理論計算和管網修正因子測算結合的方式進行研究。對管網單位面積散熱損失與標準進行對比、同時考慮管網修正因子數值，可以對管網保溫狀態進行評價。

5）對管網診斷分析時，應綜合考慮管網漏汽、單位面積散熱損失、供熱熱量和管網散熱損失、供熱面積比的具體情況，從而給出科學合理的優化運行策略。