城市供熱管網優化設計分析研究

劉曉瓊

（四平熱力有限公司，吉林 四平）

目前，大多數城市的集中供熱都是以熱、電聯合生產為主要方式，少部分地區則是以鍋爐房作為輔助方式，以保證城市的供熱需要。大部分的供熱管網都是單一的枝狀延伸，這樣可以節省成本，但在管網線路上會存在一些問題。為此，有必要對城市集中供熱系統進行合理的規劃和優化，以保證城市集中供熱系統建設的順利進行。

1 管網設計優化研究現狀及存在的問題

早在20 世紀60 年代，諾多等人就已經將系統分析應用于城市供水管道的優化設計中。1969 年,Shakeu 利用非線性模型求解了分支管道的優化設計。1987 年，戈德伯格首先應用遺傳算法，建立并解決了管道設計的優化問題。2020 年，wirtz 等人提出了一種全新的基于LP 的人工優化算法，實現了對雙冷網絡分布式供能系統的人工優化。但在工程的實際應用中還存在著一定局限性：①經驗性方法局限性。②經典圖論法局限性。③動態規劃法局限性。為了改善上述管網設計中存在的問題，筆者在十幾年的管網設計工作中，總結了一些管網優化設計的關鍵節點和解決方法。

2 室外供熱管網設計關鍵點

就目前的采暖方式而言，采用集中供熱方式，通過由熱力站向居民提供生活用水，以達到對居民生活供熱的要求。居住區戶外供熱網絡擔負著從熱力站向居住區輸送熱水的重任。為保證熱水供應的品質，保證供熱的順利進行，需要對供熱網絡進行合理的規劃，以保證供熱網絡的安全、高效。

2.1 熱負荷量和管徑

一次網的供、回水在130/70 ℃的溫度范圍內，通過熱量的交換而變成了溫度較低的水。居住區二次供熱系統是將55/45 ℃的供、回水冷熱水輸送至居住區，以滿足居住區的采暖需要（見圖1）。

圖1 居民集中供暖示意

2.2 管線布置原則和方法

居民區的供熱系統比較復雜，在進行供熱管道的設計時，既要根據居民區整體布局，又要根據其它管道的方向、埋深等因素來進行。城市加熱管網的布局應該在城市規劃的指引下，以熱負荷分布、熱源位置、其他管線及構筑物、園林綠地、水文、地質條件等為基礎，通過技術部門的經濟對比來決定。盡可能避開與排水系統相交，實在不能避開時，在相交部位使用整體隔熱的直管道分段。

2.3 敷設方法的選擇

供熱管道鋪設是管道工程建設中的一項重要環節，它直接影響著管道工程建設及運行的安全性。供熱管道鋪設（見表1）方式有以下幾種。

表1 供熱管道敷設方式及優缺點

2.4 室外管網水力平衡設計

熱網水力平衡問題是熱網設計中的一個重要問題，它直接影響到熱網的質量。為了保證管網的水力平衡，設計者要做好以下幾個方面的工作。①水力平衡設計要點。室外管網主平衡的好壞直接影響到供熱質量及用戶的供熱，所以設計者必須通過分析供熱量及能耗來實現管網平衡，從而保證供熱質量。②支路均衡。設計者應根據用戶要求，計算出主管線與支線的失衡比率，并對平衡閥進行合理的按制，消除支線內殘余壓力，使管網內水力平衡（見圖2）。③排水放空的設計要點。設計者在設計過程中，應對泄水閥、檢查井等進行合理布置，并安裝相應閥門，為以后的水力平衡按制打下基礎。

圖2 水力平衡流量分配原理

3 城市集中供熱管網設計優化

3.1 管線的節點設計優化

在供熱管網中，彎頭、變徑、三通和折角處是疲勞損傷應力最集中的部位，溫度變化會使應力集中于管道結構的非連續性處，導致管道疲勞損傷，降低管網壽命。設計時在節點處采取保護措施，防止節點破壞，減少管網的泄漏點，提高管網的質量。設計閥門時，為了提高系統運行的安全性，可采用焊接蝶閥與焊接球閥相結合的方式。

3.2 管道管徑的選擇

在鋪設管線時，除了設置中繼泵外，還應注意管線直徑的選取。重視管網直徑設計，設計中應當將離散型特點進行充分凸顯，靈活運用組合方式，綜合管網直徑、供熱質量、供熱效率三者的關系[1]。對管道進行直徑的最優化選擇還能夠確保經濟的節約，降低投資使用，提高管道網的經濟性和適應性，確保收益的最大化。

3.3 管網平衡的設計優化

在供熱系統中，熱媒是由封閉的管道輸送到各個用戶的。要保證設計的合理，就必須在供熱系統中按計工況進行操作，使得每個用戶都能得到對應的設計流量，這樣才能保證供熱系統的正常工作。在完成網絡均衡時，必須根據規范的水力均衡計算，以保證每個回路的流量滿足設計的需求；在室外每一回路及建筑物入口的供熱給水管線上都裝有一個平衡閥門或其它水力均衡部件（見圖3）。

圖3 管網平衡布置

3.4 供熱網網絡的優化

在城市供水系統中，管道布置的優選必須以可靠的技術和合理的經濟為基礎。在技術上，要做到這一點，就是要做到與公路的中線相平行，要盡可能地減少穿越交通干線，要與車輛相距較遠，在地面上鋪設管線時，要以不妨礙交通和不影響城市的美感為目標。為保證輸送管的壽命，在輸送過程中，要盡可能避免發生滑坡、土壤松軟等不良環境。在經濟性上，要對管道中的補償裝置、閥門等部件進行適當的配置；主管道要盡可能沿溫度較高的地區運行。

4 實例應用

4.1 項目概況

該項目基于2018 年總書記在深入推進東北振興座談會上的重要講話和考察黑龍江的重要指示精神。《xxx 有限責任公司二公河工業園區供熱管網工程》正式啟動，項目建設地點為該市市區。根據熱負荷發展需求，新建供熱管網引至新增負荷區，并新建換熱站；項目共計新建一級供熱管網3 362.08 m，二級供熱管網2 726.3 m，新建換熱站3 座，新建井室15 座（見表2）。

表2 主要技術指標一覽表

4.2 熱指標及設計負荷選擇

供熱區域內建筑面積在類別上包括公共建筑和住宅建筑，在節能效果上分為節能建筑和非節能建筑。劃新增建筑熱指標，在建及已批待建筑物按100%采取節能措施建筑物考慮，規劃發展建筑按100%采取節能措施建筑物考慮，根據實際調查，新增建筑采暖面積綜合熱指標為55 W/m2。

根據《采暖通風及空氣調節設計規范》，XX 市供暖期天數197 天，計4 728 h，供暖室外計算溫度-33.2 ℃，供暖期平均溫度-12.5 ℃，供暖室內計算溫度18 ℃。

經計算，本工程年供熱量為8.54 MWh（86 517.7 GJ）。

4.3 熱媒介的選擇及管網布置

根據熱源廠可提供的供熱參數，同時結合現有熱網情況，確定一級網采用高溫水供熱，設計供回水溫度采用130/70 ℃，二級網設計供回水溫度采用50/40℃。熱用戶室內采暖系統與熱源采用間接連接方式，二級網可根據負荷狀況設成較為適宜的規模，因而，可以較好解決水力平衡問題；并且，二級網可根據各個站內的負荷范圍情況設定需要的壓力、水力工況，同時，一級網可不受二級網用戶條件的限制，按需要設定及調節運行工況，保證近處及遠處不利點用戶均可獲得滿意效果[2]。

4.4 水力計算

熱網主干線供回水溫度為130/70 ℃；管道阻力計算采用當量長度法，局部阻力當量長度百分比取0.3；絕對粗糙度K=0.5 mm；管內流體計算密度92.13 kg/m3。熱網主干線推薦比摩阻按《城鎮供熱管網設計標準》（CJJ34-2022）推薦值，按制在30～70 Pa/m 范圍[3]。由于兼顧遠期供熱規劃規模，個別管線比摩阻可適當低于30 Pa/m。熱網支干線、支線應按允許壓力降確定管徑，但供熱介質流速不應大于3.5 m/s，支干線比摩阻不應大于300 Pa/m。

水力計算結果：一級管網主干線長3 362.08 m，最大管徑DN700，流量5.56 t/h，主干線單程阻力損失為7.3 mH2O。二級管網主干線長2 726.3 m，最大管徑DN300，流量178.7 t/h，主干線單程阻力損失為14.79 mH2O。

4.5 本工程意義

本工程改造完成后，改善了供熱質量，使市區居民享受到集中供熱的好處，提高了居民生活水平和生活質量，同時改善凈化了城市環境，對建設生態市的目標將產生積極而深遠的影響[4]。本工程的實施，避免了新增供熱區域新建區域鍋爐房，消除了新建鍋爐房對居民區噪聲的影響，還居民一個舒適優雅的居住環境。城市污水排放中,鍋爐房采暖污水占有一定比例，停止鍋爐污水排放，將使市區河流水質有所改善[5]。本工程的實施，不但節約了大量燃煤、水、電等能源，而且減少了運煤、運灰車輛，節約大量人力物力。

結束語

綜上所述，在對城市的供熱管網的系統進行優化設計時，所要處理的問題并不只是城市化進程的逐步推進，供熱面積的增加所帶來的問題，還必須要注意對管件、閥門熱負荷指標、管網的布置及選擇等都要經過慎重的考慮及嚴密的計算。通過對上述問題的細致分析，能夠更好地提高最優設計的品質，從而提高人類的生存品質，并且能夠將經濟效益最大化。