關于市政供熱管網設計的探討

武瑞朋

（山西雙良新能源熱電工程設計有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

近年來，隨著環境的污染問題受到了國家的重視，煤炭污染是造成空氣污染的最重要因素之一，集中供熱如何減少環境污染且有效提高供熱效率，為提供更好的供熱環境成為一個非常重要的研究領域。供熱管網設計是影響供熱效率的關鍵因素，設計質量的好壞直接影響供熱效率和供熱水平，因此，在施工開始之前，必須做好充分的準備。

1 市政供熱網絡設計說明

城市供熱網絡集中在北方地區，優化集中供熱網絡，為不斷提高供熱質量、減少污染、降低能耗做出了貢獻。在行業競爭日益激烈的今天，公司需要提高軟實力，以獲得更大的市場份額。同時，市政工程公司需要不斷優化集中供熱網絡，提高公用事業服務效率。在設計市政熱管時，可采用多管組網的方式。冷凝水管道安裝應按制造規范設計。在考慮凝析油中的氧溶液時，應對管道和設備進行防腐設計。在供熱調節方面，采用熱源集中調節和熱站熱輸入就地調節的方式。對于帶生產負荷的供熱系統，熱力設備進行單獨調節，局部溫度調節。熱源封閉網絡設計和流量，收集適當的熱回收溫度，將熱負荷和各種溫度疊加在熱網曲線上，得到大流量作為設計流量[1]。

2 集中供熱網絡位置的類型

城市集中供暖網絡的選址明顯與供暖介質類型、熱源分布、用戶所在的區域等因素密切相關，但要從安全、高效等方面加以考慮。城市供暖具有不同于一般采暖方式的特點。有些熱網在規劃和設計時，為了保證供暖的可靠性，避免了供暖過程中的不確定性，采用了電力網的安裝方式，但是，由于熱網的水模和控制系統的復雜性，以及投資較大的模型網絡，給用戶帶來了很多困難。在多個熱源的城市公用供暖系統中，一些方案將主要導熱網設計為環形網，而用戶網則是采用大環形的支路網絡。該結構具有多馀的供暖特點，運行安全、可靠。在城市供暖網絡中，應該采用多分支式輻射網絡，并從安全、經濟兩個方面進行綜合考慮。在規劃設計時，根據城市規模、熱量分布、熱源位置、供熱能力、供熱能力等因素，對各主干道進行優化。在城市供暖主干骨架成型后，可適當地設置管道，在正常工作時，可將連接管的閥門關閉，并在主干線發生故障時利用管道來供暖。這類熱網布局確保了網絡能夠廣泛地適應熱用戶的不確定。如果一個管道不能提供足夠的熱能，那么安裝鄰近的管道將會提高熱產量。為達到熱網分布的最佳化，不需要將其當作環狀網絡來決定，而是將其引入更大的管線。隨著我國經濟的發展和人民生活水平的不斷提高，集中供熱由于其管理方便、能源利用率高、供熱范圍廣、對環境影響較低等特點，逐漸成為一種新興的供熱方式。但是，隨著我國城鎮集中供暖系統的推廣和采用供暖系統的建設，在規劃設計上出現了一定的困難。

3 市政供熱網絡相關設計參數

3.1 集中式熱管分配系統的水力計算

根據管網管徑、循環泵和流量進行水力學計算。在分析了管道系統的壓力模式，并確保用戶進行情況分析后，如果需要，可以使用動態液壓模式來滿足連續性的方程和壓降要求。計算對流壓力和管道中的壓力容限。在差異大、距離遠的熱水抽運系統中，除進行靜態水力計算外，還必須進行動態水力計算。

3.2 運用柔性和極限分析

在最大應力時，可采用彈性分析和極限分析對管道局部結構因熱應力而產生的應力增量進行分析，在計算特殊管道過渡時，可采用溫度計算方法建立模型計算管道強度。如果靠近主干線，熱用戶網絡將承受較大的熱負荷。管網趨于短直，盡量利用管道的自然彎曲角來補償管道的熱膨脹。如果采用帶補償墊的補償器，補償器的布局必須充分考慮靜止的推力計算，優化配置的選擇。

3.3 設計供熱網絡時應考慮地震因素

考慮到地震的影響，熱管設計必須滿足國家對熱網地震參數的要求，對管道設計、管道施工和材料選擇進行詳細論證。可以采用先進的管理模式，根據參數改進抗震指標。例如，為提高多熱源供熱系統的抗震性能，可設計3 種操作方法，從每一熱源到使用多熱源的供熱系統，提高供熱的可靠性。多熱源供熱系統的特點是采用多熱源網絡運行，多個熱源隨著溫度的變化而分別起作用，在主熱源滿負荷后，劃分的管網逐漸擴大或縮小，從而在采暖期間通過閥門將采暖系統劃分為多個同一熱源的供熱系統。隨著溫度的變化，許多解離源開始起作用。將主熱源首次運行的采暖期劃分為管道的急性熱源段，使運行的主熱源接近滿負荷[2]。

4 市政供熱網絡的總體設計技術及特點

4.1 總體設計技術

城市供熱網絡的特點是熱用戶分布范圍廣泛。在網絡故障的情況下，一些熱網在以電網形式進行熱網規劃設計時也存在一些問題，如要提高供熱的可靠性和消除供熱發展中的不確定性，熱工水力條件和控制都非常困難，并且熱網存在很高的投資。技術研究通常從建立以投資、運維組合最小為最終函數的數學模型開始，限制實際工作的要求，然后優化一些方法，找到實際問題的最佳解決方案。第一個網絡優化模型是專門針對樹突狀網絡開發的，但隨后發現不能廣泛應用于優化實際網絡設計，也不能給出良好的結果。有人認為，城市供熱管網應是多支路輻射配置的管網，同時應充分考慮系統安全性和經濟性。

4.2 總體設計的優點

城市區域供熱作為現代城市的文明標志和發展方向，帶來了重要的經濟效益和社會效益，不僅為城市提供了穩定、可靠和優質的熱源，而且在節能、改善空氣質量、減少城市空氣污染、減少城市空間、高效利用城市空間等方面發揮著重要作用。與其他類型的供熱方式相比，集中供熱有以下五大優點。

4.2.1 長期效益

采用集中供熱不僅節約了城市地區寶貴的土地資源，降低了人力物力成本，更重要的是，有效地避免了由于設備壽命有限和定期更換熱裝置的缺點而采用的其他供熱方式。這為公司提供了長期效益的優勢。

4.2.2 低成本和經濟性

專家估計，結合初始組裝和運行成本，與其他類型的供熱方式相比，集中供熱在室溫下比其他供熱方式更經濟、方便和穩定。煤、水、電等大宗商品價格的上漲，提高了傳熱介質的價格，但城市區域供熱作為低品位能源載體，長期來看，相對于其他優質能源載體具有成本優勢[3]。

4.2.3 適用范圍廣，使用方便

集中供暖既能實現冬季采暖、夏季制冷，又能持續提供熱水，工程企業也能實現集中供暖。蒸汽還可以用來生產食物，這對酒店、餐館、商店、醫院和辦公室非常有用。

4.2.4 科學管理，安全可靠

隨著集中供熱技術的發展和改進，越來越多的新材料、新技術、新工藝得到廣泛應用，其安全性和可靠性大大提高。

4.2.5 環保節能，凈化空氣

集中供熱作為國家積極推廣的集中供熱模式，其環境效益明顯，在治理大氣污染和環境污染方面發揮了積極作用。近年來，各省市不斷發展城市集中供熱，實施“藍天工程”，建立環保模范城市，10t 以下燃煤鍋爐嚴格禁止使用，積極推進和發展區域供熱系統。

5 城市供熱熱力工程的實例

通過一個城市建筑供暖管網的實例，對其進行了詳細的分析。在此基礎上，利用混合熱負荷區，對不同類型的熱負荷、公共建筑和住宅小區的大熱負荷進行了評估和統計，并根據公共建筑與住宅區的實際結合，計算出了該項目所能承受的最大熱負荷、最小熱負荷和平均熱負荷。依據供暖年度的需要，進行換熱器和供熱管網的設計。針對城市熱管的設計需求，考慮到蒸汽和高溫熱水的相互影響，經過可行性分析，確定了高溫熱水方案，降低了管網建設投資。熱網基本線路的安裝費用低廉、使用簡便、熱源間距增大、用戶數減少、無附加熱特性、供熱用戶在供暖地點進行供暖，對建筑進行部分電能再生，并能迅速解決熱網故障。環狀布局為環狀主接線，在多個熱源聯合提供電力，并與適當的電網相連時，該結構工作是安全、可靠的。節流閥的選型可以選用焊接式蝶閥和焊接球閥，排氣閥可以選用焊球閥，以保證系統的安全。為防止室外管網的供給效率下降，采用集中供暖方式，減少了用戶的熱量損失，根據設計的需要，實現了管網水力均衡。在實際操作中，由于管道內有液體存在，所以在設計時需要采用控制閥來控制經過分支的流量，從而實現整個系統的平衡。

6 城市供暖系統的優化方案

熱網的設計要充分考慮熱網的技術特性、初始投資和運營期間的能耗。一個由部件確定的管網的設計存在著必須綜合考慮的問題。但是，技術、經濟和能源目標卻是相互沖突的。追求更高的經濟性會使供暖系統的能耗降低，這就需要把三者有機地結合在一起，從而達到整體的目的，并使供暖系統的設計達到最優。所以，要解決熱網的問題，就必須從理論上對其進行分析，并對其進行不斷的完善與發展。在具體的采暖網絡設計中，可以從下列方面來進行優化。

6.1 供暖系統的最佳化

在建筑工程中，戶外熱管網是最繁重的工作，也是供暖系統投資最多的環節。供熱管網的幾何結構直接關系到供熱系統的可靠性，系統的可操作性，運行的方便，以及經濟性。合理地確定熱管級的建線工作，可以節約資金，確保供熱系統的安全、可靠、方便地進行施工、維護。在城市規劃中，熱管的選擇要綜合考慮熱源分布、熱源位置、不同表面的連接、地下管線與結構、園林比例等因素。熱管的平面布置應遵循下列基本原則：①經濟性，線路的直線度趨向最大，熱負荷最大。②技術可靠性，在平坦、低水平的道路上行駛。在軟土地基、地震斷裂帶、滑坡災害、地下水不良等方面，要盡量避免。③在主要運輸線路中，管線的滲入要盡量少。一般情況下，鋪設時要與公路的中線平行，并盡可能地沿行車道外側鋪設。管道一般僅在街道的一邊安裝。鋪設于地表的管線不會對城市的環境造成破壞，也不會阻礙交通。供暖管線應與各類管線、結構相配合，其間隔應保證施工安全、施工方便、維護方便[4]。

6.2 供暖系統的先進技術

在眾多企業紛紛生產節能產品的時候，節能問題也逐漸成為社會關注的焦點，建筑節能技術可以通過節能熱管行業、節能設備公司來實現。由于其防水、防腐、耐老化、耐沖擊等特性，使得其強度高、焊接方便。很多城市正在逐步接受這種集中供熱的方式。

7 優化措施

7.1 靈活應用彈性分析和極限分析

可采用彈性分析和極限分析，對管道局部結構在最大應力下因熱應力而產生的應力增量進行疲勞分析，并采用溫度計算方法，在計算特殊管道過渡時，建立模型計算。

7.2 熱管敷設步驟

熱管的敷設通常有兩種方式進行：地面敷設和管溝敷設。

（1）管道的地面敷設，即架空敷設，是一種在敷設過程中即可進行基礎施工的支撐結構。考慮到架空鋪設需要一定的空間，管道的復雜性會影響美觀，因此在私人住宅建筑中，很少使用管道來鋪設集中供暖，因為建筑公司需要考慮市政熱管的整體規劃。而在工業領域，許多熱管主要采用空氣襯墊，熱管經過拋光后可以成為一種藝術元素，熱管不僅便于設計，還可以加工管道襯墊，增加美觀，減少工藝次數[5]。在降低維修成本的同時，工業園區也可以考慮采用這項技術，因為它降低了熱管的建造成本。

（2）管溝敷設供熱管道具有占地面積小、施工成本低、施工工藝簡單、工作周期短等優點，采用保溫聚塑、聚醋酸氨護套保溫防腐涂料。這兩種保溫管道的工作原理相似，都采用低密度、低吸水性、耐腐蝕和耐用的聚氨酰胺作為管道的保溫材料，既能起到防腐作用，又不會對自重產生二次影響。熱力管道的直接處理有兩種方法。第一種方法是直接掩埋，不加補償。這種鋪設管道的方法可以提高管道的穩定性，從而使管道浸水更深。如果管道鋪設無補償的加熱方式，由于夜間土壤的厚度，土壤的厚度必須與管道的直徑成正比。這種敷設的原理是利用土壤與管道之間的靜摩擦，加上動摩擦，限制熱管道的伸長和收縮。當采用不直接埋藏補償的預熱時，預熱溫度取安裝溫度與操作溫度差的一半。為減少不必要的工作和資源，不進行預熱補償直接埋設熱管墊片作為熱水導體。第二種方法是補償直接掩埋。這種鋪設管道的方法適用于距離地面超過0.6m 的情況。這種鋪設方法是一種不需要半徑的表面埋設方法。工作流程采用一次性焊接膨脹接頭，無須延長，熱管道安裝完成后回填土壤，從上方加熱，管道延長到一定長度。

8 結語

在市政供熱網絡的設計中，除了上述方案外，人們還可以采用新的設計或使用新的材料和技術來保證系統的可靠性。總體而言，我國城市具有人口密度高、熱網性能好等特點。這對城市集中供熱管網的建設提出了更高的要求。隨著對城市集中供熱系統需求的增加，工程建設日益增多，需要水平不斷提高，供熱網絡性能不斷改進和改善。