辛奇云 趙俠

摘要：本文通過對一次網(wǎng)運行流量、溫度的研究，給出了供熱管網(wǎng)耗電量及散熱損失的理論計算方法，并將復(fù)雜的散熱損失計算形成成果，并用excel編制計算程序，便于今后查詢使用。以承德熱力集團(tuán)市區(qū)供熱管網(wǎng)的運行情況為例，給出了大溫差小流量、小溫差大流量兩種運行方式的最佳經(jīng)濟(jì)運行參數(shù)的確定方法。

關(guān)鍵詞：一次網(wǎng) 流量 溫度 耗電量 散熱損失

1 背景及目的

1.1 背景

在供熱管網(wǎng)運行過程中，電、熱是最主要的能耗指標(biāo)。合理匹配運行參數(shù)，降低管網(wǎng)的電耗、熱耗是除管網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)之外，最重要的兩項運行管理工作。與電、熱能耗息息相關(guān)的兩個運行參數(shù)是循環(huán)流量和供回水溫度。根據(jù)這兩個參數(shù)，有兩種運行方式與之匹配，一個是大溫差小流量運行方式，一個是小溫差大流量運行方式。大溫差運行方式可以降低循環(huán)流量，達(dá)到節(jié)電的目的，但大溫差必然要高溫運行，管網(wǎng)高溫運行必然要帶來管網(wǎng)散熱損失的增加。小溫差運行可以通過降低管網(wǎng)運行溫度減少管網(wǎng)散熱損失，但小溫差運行必然會增加循環(huán)流量，循環(huán)流量的增加必然帶來耗電量的增加。只有找到兩者的最佳結(jié)合點，才能實現(xiàn)管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能運行。

1.2 目的

1.2.1 給出一次網(wǎng)運行耗電量、管道散熱損失的理論計算方法。

1.2.2 通過計算，將復(fù)雜的散熱損失計算形成成果，并用excel編制計算程序，便于今后查詢使用。

1.2.3 經(jīng)過理論計算對大溫差小流量和小溫差大流量兩種運行方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對比。

2 一次網(wǎng)運行參數(shù)對運行經(jīng)濟(jì)性的影響

一次網(wǎng)運行參數(shù)主要包括溫度、壓力、流量等。其中一次網(wǎng)運行壓力受地形影響較大，且對管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行影響較小。

因此，在分析一次網(wǎng)運行參數(shù)時暫不考慮壓力因素。

2.1 一次網(wǎng)流量對經(jīng)濟(jì)運行的影響

供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中的耗電設(shè)備主要是各種泵。供熱用水泵均為離心泵，離心泵的流量Q、揚程H、功率P、轉(zhuǎn)速N、頻率F的關(guān)系式如下：

Q/Qm=N/Nm=F/Fm； （1）

H/Hm=（N/Nm）2=（F/Fm）2 （2）

P/Pm=（N/Nm）3=（F/Fm）3 =（Q/Qm）3 （3）

泵的流量與功率增長關(guān)系如下圖1：

由上述關(guān)系式可以看出，泵的功率與流量的三次方成正比。在輸送相同熱量的情況下，流量增加10%，則功率增加33%。

水泵的功率隨流量增加陡增。

2.2 一次網(wǎng)運行溫度對經(jīng)濟(jì)運行的影響

一次網(wǎng)熱損失的大小與兩個因素有關(guān)，一是一次網(wǎng)運行溫度，運行溫度越高，管道熱損失越大，反之，越??；二是一次網(wǎng)管徑，在相同運行溫度下，管徑越大，管道熱損失越大，反之，越小。

針對DN300管道在不同溫度下的熱損失情況，繪制了下圖2：

2.3 分析

經(jīng)過對一次網(wǎng)運行流量、溫度的分析，可以看出，一次網(wǎng)大溫差小流量運行時，管網(wǎng)耗電量減少，管道熱損失增加；一次網(wǎng)小溫差大流量運行時，管網(wǎng)耗電量增加，管道熱損失減少。

因此，不論采用哪種運行方式，對供熱管網(wǎng)的節(jié)能運行影響并不是絕對的，需要根據(jù)不同的運行方式進(jìn)行核算后確定。

3 最佳參數(shù)計算方法

3.1 耗電量計算方法

水泵軸功率與流量、揚程的關(guān)系式為：

P=2.73HQ/η

其中：

H為揚程，單位m；揚程的確定：需對整網(wǎng)通過水力計算確定管網(wǎng)阻力。

Q為流量，單位為m3/h；流量確定：根據(jù)管網(wǎng)熱負(fù)荷及運行參數(shù)進(jìn)行計算。

η為泵的效率，η=0.7。

P為軸功率，單位w。

3.2 散熱損失計算方法

由于一次網(wǎng)管道的供回水溫度及管道的保溫形式對管道的散熱損失影響較大，特針對承德熱力集團(tuán)選用的保溫管的保溫結(jié)構(gòu)和直埋的敷設(shè)方式，對不同管徑和供回水溫度分別進(jìn)行了散熱損失計算。

計算公式如下：

①散熱損失計算公式：

Q=1+β

式中：Rb——保溫?zé)嶙瑁琺℃/w。

Rt——土壤熱阻，m℃/w。

T——蒸汽平均溫度，℃。

Tdb——土壤地表溫度（取-5℃）。

β——附加散熱系數(shù)（取0.15）。

②土壤熱阻計算公式：

Rt=

式中：H——管道折算埋深，m。

Dz——保溫管與土壤接觸的保護(hù)層外徑，m。

λt——土壤導(dǎo)熱系數(shù)（取2w/m℃）。

③保溫層熱阻計算公式：

Rb=

式中：Rb——保溫層熱阻，m℃/w。

Dz——保溫管與土壤接觸的保護(hù)層外徑，m。

Dw——管道外徑，m。

λb——保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，w/m℃。

④管道折算埋深計算公式：

H=h+

式中：H——管道折算埋深，m。

h——從地表面到管中心線的埋設(shè)深度，m。

λt——土壤導(dǎo)熱系數(shù)，取2w/m℃。

αk——土壤放熱系數(shù)，取13w/m℃。

由于采用上述公式進(jìn)行理論計算比較復(fù)雜，為方便大家使用，本論文根據(jù)承德熱力集團(tuán)公司保溫管情況，對不同管徑的保溫管散熱量進(jìn)行逐一核算，并將計算結(jié)果匯總到下表中。計算結(jié)果見下表1：

3.3 一次網(wǎng)最佳運行參數(shù)的核定辦法

3.3.1 擬定管網(wǎng)運行調(diào)節(jié)方式，制定管網(wǎng)運行調(diào)節(jié)曲線圖。（如圖3、4）

3.3.2 根據(jù)不同工況進(jìn)行管網(wǎng)耗電量、散熱損失計算，并根據(jù)計算結(jié)果確定管網(wǎng)最佳運行工況。

4 實例分析

市區(qū)2012-2013運行期的運行工況，對大溫差小流量、小溫差大流量兩種運行工況下的管網(wǎng)熱損失及耗電量進(jìn)行了計算。

4.1 兩種運行調(diào)節(jié)方式的確定

2012-2013年運行期，熱力集團(tuán)市區(qū)供熱面積1060萬平米，一次網(wǎng)平均熱指標(biāo)43w/m2。

根據(jù)大溫差小流量及小溫差大流量兩種運行調(diào)節(jié)方式，分別制定管網(wǎng)運行調(diào)節(jié)表。（見表2、3）

4.2 典型運行工況選取

針對管網(wǎng)運行溫度調(diào)節(jié)曲線表，選取運行期平均氣溫時間較長的-2℃天氣為例，進(jìn)行理論計算。

大溫差小流量運行方式：一次網(wǎng)流量3987m3/h。供水溫度101℃，回水溫度41℃，平均溫度71℃。

小溫差大流量運行方式：一次網(wǎng)流量5103m3/h。供水溫度88℃，回水溫度41℃，平均溫度65℃。

4.3 管網(wǎng)耗電量計算

針對大溫差小流量、小溫差大流量兩種運行方式進(jìn)行管網(wǎng)水力計算，得出管網(wǎng)的實際比摩阻，由循環(huán)流量、比摩阻及管網(wǎng)長度計算出循環(huán)泵揚程、功率、耗電量：

大溫差小流量運行方式：揚程62m；功率956kw；耗電量22952kwh/天；電費1.6萬元/天。

大溫差小流量運行方式：揚程83m；功率1639kw；耗電量39326kwh/天；電費2.7萬元/天。

4.4 管網(wǎng)散熱損失計算

根據(jù)擬定運行工況，對兩種運行方式的散熱損失進(jìn)行理論計算：大溫差小流量運行方式：供水溫度101℃，回水溫度41℃，平均溫度71℃，管網(wǎng)散熱損失356GJ/天，熱損失率3.6%，散熱損失成本1萬元/天。

小溫差大流量運行方式：供水溫度88℃，回水溫度41℃，平均溫度71℃，管網(wǎng)散熱損失334GJ/天，熱損失率2.8%，散熱損失成本0.9萬元/天。

詳見計算表4：

4.5 能耗綜合分析

根據(jù)上述理論計算，兩種運行方式結(jié)果匯總?cè)缦卤?：

4.6 理論分析結(jié)論

經(jīng)過對市區(qū)管網(wǎng)兩種運行工況理論計算，大溫差小流量運行方式一次網(wǎng)電費及散熱損失熱費合計2.6萬元；小溫差大流量運行方式一次網(wǎng)電費及散熱損失熱費合計3.6萬元。

若采用大溫差小流量運行方式每天可節(jié)省1萬元。

因此，采用大溫差小流量運行方式更節(jié)能、更經(jīng)濟(jì)。

5 實際效果分析

在市區(qū)實際運行調(diào)節(jié)中，按照供熱管網(wǎng)溫度調(diào)節(jié)曲線對市區(qū)管網(wǎng)采取了盡量拉大一次網(wǎng)供回水溫差的變流量運行方式，節(jié)電效果顯著，一次網(wǎng)網(wǎng)電單耗降低0.14kwh/m2。

具體數(shù)據(jù)見下表6：

6 結(jié)論與建議

6.1 采用大流量小溫差的管網(wǎng)運行調(diào)節(jié)方式，在市區(qū)集中供熱管網(wǎng)中降低市區(qū)供熱管網(wǎng)電耗效果顯著，建議繼續(xù)推廣使用。

6.2 目前，燃煤鍋爐房的運行方式與市區(qū)運行方式存在較大差異。

6.2.1 燃煤鍋爐房采用燃煤鍋爐房進(jìn)行集中供熱，產(chǎn)熱成本較高，一次網(wǎng)管網(wǎng)散熱損失對管網(wǎng)運行經(jīng)濟(jì)性影響較大。

6.2.2 目前，燃煤鍋爐房管網(wǎng)余量較大，管網(wǎng)阻力較市區(qū)管網(wǎng)而言相對較小，因此一次網(wǎng)循環(huán)水量對耗電量影響相對較小。同時，一次網(wǎng)循環(huán)水量還受鍋爐最低循環(huán)流量限制，不能無限制降低。

建議燃煤鍋爐房根據(jù)上述計算方法及上述因素對管網(wǎng)運行方式進(jìn)行科學(xué)計算，確定最節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的運行方式。

6.3 對于二次網(wǎng)而言，無論采用哪種運行方式，管網(wǎng)運行溫度變化不大。管網(wǎng)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運行關(guān)鍵在于如何降低電耗，建議二次網(wǎng)繼續(xù)推廣小溫差大流量運行方式。

6.4 根據(jù)理論計算對兩種運行方式進(jìn)行對比。實際運行過程中，由于保溫質(zhì)量、施工質(zhì)量、管道周圍土質(zhì)不同等因素，管網(wǎng)的散熱損失與理論計算存在差異，但該課題給出的對比分析結(jié)果可以借鑒、應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀平，孫剛，王飛，吳華新.《供熱工程》（第四版）[M].中國建筑工業(yè)出版社.

[2]呂德齊，蔣有彩.《動力管道設(shè)計手冊》[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]黃輝，王為，任勇.管道及設(shè)備保溫 98R418.中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究所出版.