城市集中供熱管網(wǎng)探討

       一、城市集中供熱管網(wǎng)布置的類型

       城市集中供熱管網(wǎng)布置與熱媒種類、熱源與熱用戶相互位置有一定的關(guān)系，其布置應(yīng)考慮系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。城市供熱系統(tǒng)的特點(diǎn)是熱用戶分布區(qū)域廣、分支多。在管網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)，通常允許有若干小時(shí)的停供修復(fù)時(shí)間。有些熱網(wǎng)為提高供熱可靠性和應(yīng)付供熱發(fā)展的不確定性，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)就將熱網(wǎng)象市政給水管網(wǎng)一樣成網(wǎng)格狀布置，但這樣存在一定的問題，熱網(wǎng)水力工況和控制的十分復(fù)雜，同時(shí)網(wǎng)格狀管網(wǎng)投資非常高。在城市多熱源聯(lián)合供熱時(shí)，有些規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)將熱網(wǎng)主干線設(shè)計(jì)成環(huán)管網(wǎng)環(huán)狀布置，用戶管網(wǎng)是從大環(huán)網(wǎng)上接出的枝狀管網(wǎng)，這種布置方式具有供熱的后備性能，運(yùn)行安全可靠，但熱網(wǎng)水力工況和控制的也比較復(fù)雜，投資很高。             在充分考慮系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，筆者認(rèn)為城市熱力管網(wǎng)應(yīng)是多條枝狀管網(wǎng)放射型布置。在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)城市規(guī)模、熱用戶分布及熱源位置布置幾條輸配主干線，在實(shí)施過程中根據(jù)供熱能力和熱用戶情況，逐步完善不同的主干線。當(dāng)城市供熱主干線骨架形成后，適當(dāng)敷設(shè)連通管，在正常工作時(shí)連通管上的閥門關(guān)閉，當(dāng)主干線某段出事故時(shí)，可利用連通管進(jìn)行供熱。這種熱網(wǎng)布置形式保證了枝狀管網(wǎng)適應(yīng)不確定熱用戶的發(fā)展，如果一條干管供熱能力不夠，敷設(shè)相鄰干管時(shí)加大其供熱能力就可以解決，以達(dá)到供熱管網(wǎng)輸配能力最優(yōu)化，不必象環(huán)狀管網(wǎng)那樣先埋入較大管道去等負(fù)荷確定的熱用戶。

        二、熱力管道直埋敷設(shè) 供熱管網(wǎng)直埋敷設(shè)由于占地面積小、工程造價(jià)低、施工周期短、保溫性能好等特點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。正確認(rèn)識(shí)熱力管道直埋原理，合理選擇敷設(shè)方式是很關(guān)鍵的。熱水管道直埋與架空或管溝敷設(shè)主要不同之處在于直埋敷設(shè)的供熱管道保溫結(jié)構(gòu)與周圍土壤直接接觸，管道熱脹冷縮的過程受到土壤摩擦力約束，此時(shí)管道處于錨固狀態(tài)，在熱脹冷縮過程中產(chǎn)生的位移勢(shì)能，被儲(chǔ)存在管道壁上，使管道受力復(fù)雜化。管道直埋敷設(shè)方式可分為：無補(bǔ)償直埋敷設(shè)、一次性補(bǔ)償直埋敷設(shè)和有補(bǔ)償直埋敷設(shè)三大類。

         熱力管道的敞開預(yù)熱無補(bǔ)償直埋敷設(shè)是一種“冷緊”式直埋。工藝過程是在管道焊接完畢后 ，對(duì)一定長(zhǎng)度管道進(jìn)行預(yù)熱，管道受熱產(chǎn)生變形，釋放一部分熱應(yīng)力，同時(shí)對(duì)管溝進(jìn)行回填夯實(shí)，利用土壤摩擦力將管道嵌固。這種敷設(shè)方式不需要設(shè)補(bǔ)償器和固定支墩，其工程造價(jià)最低。但這種方法不僅施工復(fù)雜，而且管線預(yù)熱只能改變管線的熱態(tài)應(yīng)力水平，而不能改變它的全補(bǔ)償值，從管材疲勞的角度來看，在實(shí)際采用時(shí)應(yīng)仔細(xì)斟酌。          

          一次性補(bǔ)償直埋也是一種“冷緊”型直埋。工藝過程是：在管道焊接完畢溝槽回填后，對(duì)管道進(jìn)行預(yù)熱，管道熱伸長(zhǎng)被“一次性補(bǔ)償器”吸收，此時(shí)立即將“一次性補(bǔ)償器外殼和管道 焊死，使其不能再次伸縮，這樣預(yù)熱結(jié)束后，管道由于溫降產(chǎn)生的熱應(yīng)力在管道中表現(xiàn)為拉應(yīng)力，用以克服管道再次受熱時(shí)的熱應(yīng)力。

        有補(bǔ)償直埋是目前應(yīng)用最多的敷設(shè)方式，因其施工方便，所以得到廣泛采用。實(shí)際工程中應(yīng)盡量合理布置補(bǔ)償器，使管道的補(bǔ)償器分段長(zhǎng)度接近最大安裝長(zhǎng)度，(管段由于移動(dòng)所產(chǎn)生的土壤摩擦力在管道截面上產(chǎn)生的應(yīng)力和材料許用應(yīng)力相等，這個(gè)管段長(zhǎng)度即最大安裝長(zhǎng)度)同時(shí)應(yīng)保證補(bǔ)償器在固定支墩兩側(cè)對(duì)稱布置，以減小固定支墩受力，降低支墩土建費(fèi)用。另外對(duì)直線段“駐點(diǎn)”位置的固定支墩應(yīng)考慮取消，以降低造價(jià)。

        對(duì)于小區(qū)二次熱網(wǎng)，如果僅是為集中空調(diào)或地板輻射采暖服務(wù)，熱媒溫度65℃以下，實(shí)際工作溫度較低，熱應(yīng)力較小，因此熱網(wǎng)設(shè)計(jì)中可根據(jù)管網(wǎng)柔性考慮非預(yù)熱的無補(bǔ)償直埋敷設(shè)。 直埋敷設(shè)管線最大安裝長(zhǎng)度Lmax計(jì)算如下： Lmax＝（2.4ƒ[δ]20-ｐdi/4s）A/(πDoFf) m 式中：A－－管道橫截面積 mm2 Ff－－管道外表面摩擦力 N/ m2 ƒ－－應(yīng)力范圍的減小系數(shù) di－－管道內(nèi)徑 mm ｐ－－設(shè)計(jì)壓力 MPa [δ]20－－鋼材許用應(yīng)力 MPa Do－－保溫管直徑 m s－－管道壁厚 mm 供熱管網(wǎng)直埋敷設(shè)應(yīng)注意下列有關(guān)事項(xiàng)：直埋管道盡可能直線敷設(shè)，管道自然彎曲應(yīng)限制在5º以內(nèi)；從主干線引出的分支干線處，應(yīng)設(shè)“L”、”Z”型彎管；水平彎管處應(yīng)力集中，受力較大，應(yīng)增加彎頭壁厚、加大彎頭的曲率半徑；在土壤下沉性屬于二級(jí)或高于二級(jí)地區(qū)，直埋敷設(shè)要采取一定的措施。

        三、波紋管補(bǔ)償在熱力管網(wǎng)中的應(yīng)用 在熱力管網(wǎng)敷設(shè)中，補(bǔ)償器是保證管道安全運(yùn)行的重要部件。波紋管補(bǔ)償以其體積小、重量輕、節(jié)省鋼材、占地面積小、流動(dòng)阻力小、不易滲漏，已開始占有舉足輕重的地位，而且很有發(fā)展前景。目前波紋管制造突破了傳統(tǒng)的材料和工藝，采用高彈性金屬管經(jīng)滾壓一次成型，并采用多層金屬結(jié)構(gòu)，從而提高了其補(bǔ)償能力和承壓能力，應(yīng)用新技術(shù)制造的波紋管補(bǔ)償為其在熱力管網(wǎng)中的應(yīng)用提供了可靠的保證。 盡管波紋補(bǔ)償器有很多優(yōu)點(diǎn)，但它也有自身的缺點(diǎn)。例如軸向型波紋補(bǔ)償器對(duì)主固定支架產(chǎn)生壓力推力，管壁較薄不能承受扭力，設(shè)備投資高等。

        許多設(shè)計(jì)人員對(duì)波紋補(bǔ)償器的認(rèn)識(shí)還不夠全面，因此在設(shè)計(jì)中存在計(jì)算和補(bǔ)償管系選定不合理問題。 波紋管補(bǔ)償器根據(jù)位移形式可基本分為軸向、橫向、角向三類，每一類都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，所以必須根據(jù)不同的使用條件，恰當(dāng)?shù)剡x用才能使波紋補(bǔ)償器正常工作，做到波紋補(bǔ)償器設(shè)計(jì)選型經(jīng)濟(jì)、合理。 軸向補(bǔ)償 直管段上的膨脹節(jié)對(duì)沿膨脹節(jié)及管段的軸向方向拉伸與壓縮進(jìn)行補(bǔ)償。膨脹節(jié)給出的額定補(bǔ)償量包括拉伸、壓縮位移的總和。軸向型補(bǔ)償器。這是應(yīng)用最多的也是最基本的型式。

        在工作時(shí)主要是利用其波紋部分的軸向變形來吸收管道的軸向位移。 橫向補(bǔ)償 是在“L”、“Z”、“Ⅱ”型管道中的補(bǔ)償形式。通過成對(duì)的波紋管彎曲變形實(shí)現(xiàn)直線補(bǔ)償。 角向補(bǔ)償 管路補(bǔ)償需要膨脹節(jié)作彎曲變形，它們往往是兩個(gè)或三個(gè)角向式膨脹節(jié)組合使用，實(shí)現(xiàn)直線補(bǔ)償。 鉸鏈型補(bǔ)償器 在結(jié)構(gòu)上由波紋管、活動(dòng)鉸鏈、銷軸組成。該補(bǔ)償器可在同一平面內(nèi)作角向偏轉(zhuǎn)，因此可吸收管道在同一平面內(nèi)的角位移。 萬向鉸鏈型補(bǔ)償器 在結(jié)構(gòu)上由波紋管、鉸鏈和萬向鉸鏈組成。它可以在任意平面內(nèi)作角向偏轉(zhuǎn)，從而可吸收管道的任意平面內(nèi)的角位移（空間角位移）。

       波紋管的產(chǎn)品性能有兩大類：其中一種是為滿足使用必須保證的性能，如耐壓、耐溫、耐疲勞和彈性補(bǔ)償?shù)?；另一類，如剛度、有效面積、材質(zhì)等，它們不是使用所需要的，但它們對(duì)管系的設(shè)計(jì)及補(bǔ)償器的使用有重要影響，所以對(duì)它們都要有充分的認(rèn)識(shí)。 波紋補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力源于波紋管的彈性變形，有拉伸、壓縮、彎曲及它們的組合變形。補(bǔ)償能力的大小，由設(shè)計(jì)者根據(jù)需要確定規(guī)定的額定補(bǔ)償量，即表示在一定條件下具有的最大補(bǔ)償能力。熱力管網(wǎng)兩固定點(diǎn)之間的最大長(zhǎng)度是由管道失穩(wěn)條件決定的，它與管徑的大小及補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力有關(guān)，一條管線無論如何復(fù)雜都可以通過設(shè)置固定支座將其分割成若干形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的獨(dú)立管段，如直管段，L形管段，Z形管段等。波紋管補(bǔ)償器的計(jì)算應(yīng)從以下幾方面著手。

       （1）熱力管道的熱伸長(zhǎng)量通常按下式計(jì)算： Δx=α(t1-t2)L 其中：Δx —— 管道的熱伸長(zhǎng)量，mm; α —— 鋼管的線膨脹系數(shù)，mm/(m ℃), t1 —— 管內(nèi)介質(zhì)溫度，℃，管內(nèi)介質(zhì)指蒸汽、熱水、過熱水等; t2 —— 管道安裝時(shí)的溫度,℃, L —— 管道計(jì)算長(zhǎng)度，m。 計(jì)算管道熱伸長(zhǎng)量，是為了確定補(bǔ)償器的所需補(bǔ)償量，或驗(yàn)算管道因熱伸長(zhǎng)而產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力，所以對(duì)于管道的熱伸長(zhǎng)量應(yīng)計(jì)算其最大值，即取冷態(tài)安裝條件的最低溫度和熱態(tài)運(yùn)行條件的最高溫度之間的最大溫差。由于管網(wǎng)安裝的氣候條件差異很大，因此t2不應(yīng)有統(tǒng)一的取值，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的氣候條件和施工環(huán)境，確定適當(dāng)?shù)墓艿腊惭b溫度。

       （2）安裝軸向型補(bǔ)償器的管道軸向推力F，按下式計(jì)算： Fx=Fp+Fm+Fs N 式中： Fp——內(nèi)壓力產(chǎn)生的推力， N FS——波紋管補(bǔ)償?shù)膹椥苑戳? N Fm——管道活動(dòng)支架的摩擦力 N 計(jì)算固定支架推力時(shí)，應(yīng)按管道的具體敷設(shè)方式，參考上述公式按支架兩側(cè)管道推力的合力計(jì)算。

      （3）管道應(yīng)力驗(yàn)算 補(bǔ)償器在內(nèi)壓作用下的失穩(wěn)包括兩種情況，即平面失穩(wěn)和軸向柱狀失穩(wěn)。 A、 平面失穩(wěn) 表現(xiàn)為一個(gè)或幾個(gè)波紋的平面相對(duì)于波紋管軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)而傾斜，但其波平面的圓心基本在波紋管的軸線上。這是由于內(nèi)壓產(chǎn)生的子午向彎曲應(yīng)力和周向薄膜應(yīng)力的合力超過材料屈服強(qiáng)度，局部出現(xiàn)塑性變形所致。 B、 柱失穩(wěn) 波紋管的波紋連續(xù)地橫向偏移，使波紋管偏移后的實(shí)際軸線成弧形或S形（在多波情況下呈S形）。這種情況多數(shù)是因?yàn)椴y數(shù)太多，波紋管有效長(zhǎng)度L跟內(nèi)徑d之比（L/d）太大造成的。為避免失穩(wěn)情況發(fā)生，對(duì)管道應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算。 管道在工作狀態(tài)下，由內(nèi)壓產(chǎn)生的折算應(yīng)力按下式計(jì)算： σeq＝P[0.5do－Y(s－α)]/ s－α ≤[σ]t MPa P－設(shè)計(jì)壓力 MPa do－管線外徑 mm s－管線設(shè)計(jì)壁厚 mm Y－溫度對(duì)計(jì)算管線壁厚的修正系數(shù) α－腐蝕裕量 mm [σ]t－設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 Mpa 四、推廣使用水力平衡元件，提高水輸送系數(shù) 在供熱系統(tǒng)中，熱媒介質(zhì)由閉式管路系統(tǒng)輸送至各用戶。

        對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)合理，并能夠按設(shè)計(jì)工況運(yùn)行的供熱管網(wǎng)，其各用戶應(yīng)均能獲得相應(yīng)的設(shè)計(jì)流量，以滿足其負(fù)荷要求。但在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，由于缺乏消除環(huán)路剩余壓頭的水力平衡元件，大部分管網(wǎng)系統(tǒng)近段環(huán)路的剩余壓頭只能靠管線管徑的變化來消除，而且目前管網(wǎng)上控制閥門既無調(diào)節(jié)功能，又沒有流量顯示，使得部分環(huán)路及末端用戶的流量，并不按設(shè)計(jì)要求輸配。水力失調(diào)直接導(dǎo)致熱力失調(diào)，供熱系統(tǒng)存在的冷熱不均現(xiàn)象，主要原因就是系統(tǒng)的水力失調(diào)亦即流量分配不均所致。 水力失調(diào)度計(jì)算如下：水力失調(diào)度X=實(shí)際流量G’/設(shè)計(jì)流量Gsj 當(dāng)水力失調(diào)度X 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 時(shí)，根據(jù)散熱器性能曲線可以看出，此時(shí)平均室溫的增長(zhǎng)緩慢；當(dāng)X遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1時(shí)，平均室溫的減少幅度明顯增加。熱力工況失調(diào)形成了“大流量，小溫差”的運(yùn)行方式。

         實(shí)際上大流量運(yùn)行方式并沒有從根本上消除系統(tǒng)的水力失調(diào)，反而帶來了能耗的增加。即大流量要求大水泵，增加了電耗；大流量形成了大熱源，熱源低負(fù)荷運(yùn)行降低了熱源熱效率，管網(wǎng)小溫差運(yùn)行增加了輸送能耗，還影響了散熱器的散熱效率。除此之此，大流量還降低了系統(tǒng)的可調(diào)性，即系統(tǒng)流量過大，近端多余的流量無法調(diào)劑到末端，甚至出現(xiàn)回水溫度過高的假象。結(jié)果增加了整個(gè)供熱系統(tǒng)的熱耗，降低了輸水系統(tǒng)的熱效率。 規(guī)范中規(guī)定“設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)采暖系統(tǒng)進(jìn)行水力平衡計(jì)算，確保各環(huán)路水量符合設(shè)計(jì)要求。在室外各環(huán)路及建筑物入口處采暖供水管（或回水管）路上應(yīng)安裝平衡閥或其它水力平衡元件，并進(jìn)行水力平衡調(diào)試”。

        為搞好管網(wǎng)的初調(diào)節(jié)，在一、二次管網(wǎng)的各個(gè)分支處和各熱力入口處裝置調(diào)節(jié)性能好的平衡調(diào)節(jié)閥，以保證各環(huán)路水量符合設(shè)計(jì)要求。 目前市場(chǎng)水力平衡元件主要有手動(dòng)調(diào)節(jié)閥（平衡閥）和自動(dòng)調(diào)節(jié)閥（自力式調(diào)節(jié)閥）兩大類，其具體選用應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行方式的不同，分別對(duì)待。對(duì)于手動(dòng)調(diào)節(jié)閥來說，流量G=KV ∆P，式中K V為手動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥口的流量系數(shù)，∆P為手動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥口兩側(cè)的壓差。K V的大小取決于開度，開度固定，K V即為常數(shù)，那么只要∆P 不變，則流量G不變，安裝后可替代原有管網(wǎng)控制閥門。而自力式調(diào)節(jié)閥從結(jié)構(gòu)上說，是一個(gè)雙閥組合，由手動(dòng)孔板和自動(dòng)孔板組成一個(gè)有機(jī)的整體，手動(dòng)孔板是按設(shè)計(jì)流量進(jìn)行調(diào)控的鎖定機(jī)構(gòu)，自動(dòng)孔板是保證設(shè)計(jì)流量恒定的控制機(jī)構(gòu)。當(dāng)流經(jīng)手動(dòng)孔板流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí)，自動(dòng)孔板的閥瓣上移，減少自動(dòng)孔板的斷面，從而減少通過調(diào)節(jié)閥的流量，使其與設(shè)計(jì)流量相符。反之亦然。

         當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)為質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)，可以采用自力式調(diào)節(jié)閥，因?yàn)檫@種調(diào)節(jié)方式只改變供水溫度，而與系統(tǒng)的水力工況無關(guān)，即在不改變系統(tǒng)的水力工況的情況下，把調(diào)節(jié)傳達(dá)到每個(gè)用戶和設(shè)備。采用自力式流量控制閥，可以吸收網(wǎng)路的壓力波動(dòng)，維持被控負(fù)載的流量恒定。采用自力式壓差控制閥可以吸收網(wǎng)路的壓力波動(dòng)，以維持施加于被控環(huán)路上的壓差恒定。

        當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)采用集中量調(diào)節(jié)(水泵的變頻調(diào)節(jié)等)時(shí)，不能采用自力式調(diào)節(jié)閥。因?yàn)檫@種調(diào)節(jié)是通過改變水量實(shí)現(xiàn)的，因而調(diào)節(jié)時(shí)改變了系統(tǒng)的水力工況，所以若采用自力式調(diào)節(jié)閥，勢(shì)必造成出現(xiàn)流量分配的混亂。顯然，由于自力式調(diào)節(jié)閥的存在而造成了系統(tǒng)集中調(diào)節(jié)的不能實(shí)現(xiàn)。這時(shí)若采用手動(dòng)調(diào)節(jié)閥(比如平衡閥)，則系統(tǒng)總流量增減時(shí)，各支路、各用戶的流量可以同比例增減，即系統(tǒng)的集中調(diào)節(jié)可以傳達(dá)至每一個(gè)末端裝置。

     當(dāng)系統(tǒng)采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)，雖然每個(gè)階段流量不變。但若采用自力式調(diào)節(jié)閥，每個(gè)流量階段要對(duì)控制流量或控制壓差進(jìn)行設(shè)定，給運(yùn)行管理帶來很大不便，所以不宜采用。

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