周俊飛 王敏華 華東理工大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司

前言

供熱管網(wǎng)是連接熱源點(diǎn)和熱用戶的橋梁和生命線。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，集中供熱范圍不斷的擴(kuò)大，不少區(qū)域已超過8 km的供熱半徑范圍。因此集中供熱面臨二種選擇：一是多布局熱源點(diǎn)，保持傳統(tǒng)的供熱半徑范圍。二是擴(kuò)大供熱半徑范圍，少布局熱源點(diǎn)。

第一種選擇的優(yōu)點(diǎn)是熱源點(diǎn)供熱距離比較短，管道沿線的壓力損失和熱能損失比較小，容易滿足末端用戶的需求。缺點(diǎn)是供熱范圍小，熱負(fù)荷相應(yīng)也小，而熱負(fù)荷是集中供熱的基礎(chǔ)，它涉及到熱電廠的規(guī)模和熱效率。熱負(fù)荷小則規(guī)模小、熱效率相對(duì)較低，反之則規(guī)模大、熱效率高。同時(shí)每一個(gè)熱源點(diǎn)都是環(huán)境污染源。熱源點(diǎn)布局越多，則污染源也越多。

第二種選擇的優(yōu)點(diǎn)是供熱范圍大，熱負(fù)荷相應(yīng)也大，從而能提高熱電廠的熱效率，降低能耗。同時(shí)熱源點(diǎn)布局少，則污染源也少。缺點(diǎn)是，熱源點(diǎn)供熱距離比較長(zhǎng)，管道沿線的壓力損失和熱能損失比較大，如末端用戶有較高的用汽參數(shù)要求則難以滿足。

從節(jié)能減排的角度分析，顯然第二種選擇要優(yōu)于第一種選擇，但問題是在確保管網(wǎng)可供性和可運(yùn)行性的前提下，蒸汽管道到底能送多長(zhǎng)距離；在輸送過程中如何降低管道沿程的壓力損失和熱能損失以滿足末端用戶的需求。

1 案例現(xiàn)狀

現(xiàn)以某熱網(wǎng)為例。該供熱管網(wǎng)供熱范圍約350 km2，其供熱半徑為直線距離12.5 km，分東、南、西、北四條熱網(wǎng)管線。其中：東線熱網(wǎng)的末端用戶與電廠的實(shí)際管線長(zhǎng)度為17.4 km，南線熱網(wǎng)的末端用戶與電廠的實(shí)際管線長(zhǎng)度為13.1 km，北線熱網(wǎng)的末端用戶與電廠的實(shí)際管線長(zhǎng)度為19 km，西線熱網(wǎng)已建了一部分，準(zhǔn)備繼續(xù)建設(shè)向西延伸，其末端用戶與電廠的實(shí)際管線長(zhǎng)度約為10 km以上。

目前四條熱網(wǎng)主管線87 km，包括主要支線后的總長(zhǎng)度約為100 km以上。熱用戶共149個(gè)，其中東線熱負(fù)荷月平均為32 t/h（為設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的30%）；北線熱負(fù)荷月平均為45 t/h（為設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的55%）；南線的西支線熱負(fù)荷月平均為61 t/h，已趨飽和，東支線隨著熱負(fù)荷的增加還要擴(kuò)建管道；西線的熱負(fù)荷較小，但發(fā)展前途看好。

2 長(zhǎng)距離輸送蒸汽的重要條件

由于蒸汽的特性較為復(fù)雜，所以在以往的有關(guān)規(guī)范中都規(guī)定，供熱半徑一般在5～8 km內(nèi)。因此超過這距離要處理好蒸汽輸送過程中的一些問題，才能保證蒸汽安全、穩(wěn)定地到達(dá)用汽點(diǎn)。

（1）末端用戶應(yīng)是有較穩(wěn)定的熱負(fù)荷

在一般的情況下，末端均有一個(gè)用熱大戶，且其熱負(fù)荷較穩(wěn)定。如東線和北線熱網(wǎng)末端用戶是二個(gè)大用戶，雖然輸送距離長(zhǎng)達(dá)19 km，但管道內(nèi)有一定的穩(wěn)定流量，保證了管網(wǎng)的可運(yùn)行性。

（2）末端用戶的用熱參數(shù)在熱電廠可供的范圍內(nèi)

末端用戶的用熱參數(shù)也是長(zhǎng)距離蒸汽輸送的關(guān)鍵問題。末端用戶的用熱參數(shù)必須在熱電廠可供的范圍內(nèi)。該熱電廠的出口參數(shù)是0.92 MPa、295℃。東線熱網(wǎng)末端用戶，其要求是最大流量時(shí)保證0.5 MPa的飽和蒸汽壓力。而目前管道內(nèi)的流量?jī)H為設(shè)計(jì)流量的30%，因此到達(dá)末端用戶為0.8 MPa的壓力。

（3）敷設(shè)的長(zhǎng)距離管道投資是可回收的

長(zhǎng)距離管道的投資比較大。當(dāng)末端用戶的流量不是很大；中間又沒有其他熱用戶；管道輸送的流量與管道的沿程疏水流量一樣多；甚至沿程疏水流量大于末端用戶的流量；如今后又沒有可發(fā)展的熱用戶時(shí)，敷設(shè)這根管道的投資可能不能回收。因此管道建設(shè)前必須做可行性研究，要有一定的流量來確保管道投資的回收。

3 控制管道沿程的壓力降和溫度降

管道長(zhǎng)距離輸送蒸汽實(shí)際上是采用一系列節(jié)能技術(shù)和措施來實(shí)現(xiàn)的,控制管道沿程的壓力降和溫度降是關(guān)鍵。影響管道沿程的壓力降和溫度降的因素有很多，并且相互之間都有關(guān)聯(lián)，如增大管徑可降低管網(wǎng)沿程的壓力降，但會(huì)使飽和蒸汽段的長(zhǎng)度增加，產(chǎn)生過多的凝結(jié)水量，增加管網(wǎng)熱損失?？s小管徑則可以減少管道的熱損失，但會(huì)加大管網(wǎng)沿程的壓力降。因此需在管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、補(bǔ)償器、保溫層、管托、疏水點(diǎn)等方面采取有效的節(jié)能措施。

（1）合理的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)

作為進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送蒸汽的管網(wǎng)，其熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)（包括管段走向、長(zhǎng)度、補(bǔ)償器、管徑和保溫）要保證流量分配的合理性。避免有些管段流速過大，從而產(chǎn)生過大的壓降；有些管段流速太小，從而產(chǎn)生較大的溫降。在設(shè)計(jì)中通過先進(jìn)的水力熱力計(jì)算軟件，對(duì)不同的熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，從而得到一個(gè)符合實(shí)際的熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)。即要盡可能的減少管網(wǎng)中的飽和蒸汽段長(zhǎng)度（見圖1）。

（2） 合適的補(bǔ)償器

管網(wǎng)中的補(bǔ)償器也是造成管網(wǎng)壓力損失的一個(gè)因素。因此要盡可能的利用管道的走向進(jìn)行自然補(bǔ)償，在需要使用補(bǔ)償器補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)盡可能選擇可長(zhǎng)距離補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償器（如旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器），減少補(bǔ)償器的數(shù)量（見圖2）。

圖2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器示意圖

（3）優(yōu)化的保溫層

圖1 熱網(wǎng)水力熱力計(jì)算流程圖

管道保溫結(jié)構(gòu)對(duì)管道長(zhǎng)距離輸送蒸汽尤為重要。管道的保溫是管網(wǎng)降低熱損失的重要因素。采用雙層以上的保溫結(jié)構(gòu)很有必要。內(nèi)層采用耐高溫的保溫材料，在高溫下的抗老化性能較優(yōu)。外層保溫材料對(duì)溫度的要求相對(duì)低一些。對(duì)于長(zhǎng)距離輸送蒸汽的管網(wǎng)，其保溫材料的選取不能單從一次性投資的經(jīng)濟(jì)性來考慮，還要考慮到今后運(yùn)行的成本和維護(hù)的成本。對(duì)不同的保溫材料、保溫厚度及組合要進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，在滿足長(zhǎng)距離輸送的條件下，經(jīng)濟(jì)地選定各保溫層的厚度。為了進(jìn)一步減少散熱損失，在保溫結(jié)構(gòu)中加入玻璃布鋁箔反射層,不僅使保溫材料更穩(wěn)定地固定在管道上，而且能起到很好的隔熱作用。

案例中的保溫層采用雙層結(jié)構(gòu)。內(nèi)層是價(jià)格較高的耐高溫的硅酸鋁材料，外層是價(jià)格較便宜的耐溫200℃以下的巖棉材料，再加入玻璃布鋁箔反射層。保溫計(jì)算中考慮硅酸鋁和巖棉接觸處的最高溫度不超過150℃，從而保證保溫材料在運(yùn)行中不失效而能較長(zhǎng)時(shí)間的使用（見圖3）。

圖3 保溫結(jié)構(gòu)示意圖

（4）采用隔熱管托

普通管托是熱損失的一個(gè)主要因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)管網(wǎng)中普通管托的熱損失約占總熱損失量的2%左右。

隔熱管托作為減少熱網(wǎng)熱損失的一個(gè)節(jié)能措施近年來已被廣泛應(yīng)用。隔熱管托的作用是阻擋蒸汽管道上的熱量通過管托直接傳導(dǎo)至大氣和土建支架上去。采用高強(qiáng)度的隔熱材料使蒸汽管道的熱量不能直接傳到管托上，防止熱橋的產(chǎn)生，減少管網(wǎng)的熱損失（見圖4）。

圖4 滾動(dòng)隔熱管托示意圖

（5）合理的疏水點(diǎn)

為了保證熱網(wǎng)運(yùn)行不發(fā)生水沖擊現(xiàn)象，熱網(wǎng)管道內(nèi)的凝結(jié)水必須及時(shí)排除，使熱網(wǎng)安全、可靠地運(yùn)行，因此在熱網(wǎng)中必須設(shè)置疏水點(diǎn)。但由于集水管和疏水管的存在，產(chǎn)生了散熱損失，增加了凝結(jié)水量。當(dāng)蒸汽管段處于過熱蒸汽的運(yùn)行狀態(tài)，理論上是沒有凝結(jié)水產(chǎn)生，但由于有疏水閥組的存在（在啟停蒸汽管道時(shí)和當(dāng)管道內(nèi)流量較小時(shí)必須要使用疏水器）也會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)水。根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，在電廠出口處的過熱蒸汽管道上設(shè)置的一組疏水閥組（采用進(jìn)口疏水閥）正常工作時(shí)約有20 kg/h的疏水量。因此不管疏水閥組是否正常工作，每個(gè)疏水閥組都是一個(gè)熱量損失點(diǎn)。正常工作的疏水閥熱量損失少一些，若疏水閥不能正常工作產(chǎn)生泄漏，使蒸汽隨凝結(jié)水一起排出，那熱量損失就大了。疏水裝置示意圖見圖5。

圖5 輸水裝置示意圖

因此，一要選擇合適的優(yōu)質(zhì)疏水裝置，二要盡量減少疏水點(diǎn)設(shè)置,尤其是在過熱段。在管道運(yùn)行期間可視情況關(guān)閉一些過熱蒸汽管段的疏水閥,這是一個(gè)節(jié)能好措施。

4 降低管網(wǎng)投資的技術(shù)措施

（1）合理的管道跨度

熱網(wǎng)管道的跨度取決于熱網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)和管道的材料。而長(zhǎng)距離輸送管道的土建支架投資較大。減少支架的數(shù)量，不僅減少投資，同時(shí)也減少了工程實(shí)施中的很多麻煩。這就對(duì)管網(wǎng)設(shè)計(jì)提出了較高的要求，需對(duì)管道支架的跨度進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，既要使管道在許用應(yīng)力的使用范圍內(nèi)安全的運(yùn)行，又要把支架之間的跨度放到最大，以減少支架的數(shù)量，降低投資。

（2）自然補(bǔ)償與補(bǔ)償器有機(jī)地結(jié)合

在長(zhǎng)距離的管道中，會(huì)碰到很多由于地形的關(guān)系，要求管道拐彎、翻高或翻下等布置。管網(wǎng)設(shè)計(jì)要充分利用這一有利的自然補(bǔ)償方式，并與各類補(bǔ)償器有機(jī)地相結(jié)合。對(duì)于大跨度、轉(zhuǎn)彎處、翻高或翻下處的布置：如利用翻高或翻下時(shí)采用大拉桿補(bǔ)償器與自然補(bǔ)償相結(jié)合；利用L型自然轉(zhuǎn)彎采用角向型補(bǔ)償器；利用Z型自然彎采用旋轉(zhuǎn)型補(bǔ)償器；利用路口自然轉(zhuǎn)彎翻高作為一個(gè)較大的自然補(bǔ)償段等等。這樣均能作很長(zhǎng)距離的補(bǔ)償。所有這些補(bǔ)償形式均需精心設(shè)計(jì)、反復(fù)計(jì)算，直至得到最佳可實(shí)施的方案。由于管道輸送的距離長(zhǎng)，節(jié)省的投資金額很可觀。

（3）采用滾動(dòng)支座

采用滾動(dòng)支座（參見圖4）可減少土建支架的投資，在熱網(wǎng)設(shè)計(jì)中已初見成效。

一般的導(dǎo)向和滑動(dòng)支座移動(dòng)時(shí)對(duì)土建支架的的水平推力（僅考慮管道重量時(shí)）為:

式中： q為管道計(jì)算重量；

l為二個(gè)支架間的距離；

μ為支座與土建支架的摩擦系數(shù)。

當(dāng)普通的支座與支架以鋼對(duì)鋼滑動(dòng)的方式相對(duì)移動(dòng)時(shí)，μ按0.3計(jì)。管道管徑較大時(shí)（一般長(zhǎng)距離輸送的管道管徑都較大），每個(gè)導(dǎo)向和滑動(dòng)支架對(duì)土建支架的水平推力較大。如案例中的DN700的管道，每個(gè)導(dǎo)向和滑動(dòng)支座對(duì)土建支架的水平推力約2.8 t。但是采用滾動(dòng)支座后，摩擦系數(shù)降至0.1（實(shí)際還要小很多），因此每個(gè)導(dǎo)向和滑動(dòng)支座對(duì)土建支架的水平推力起碼下降2/3，即不到1t。同時(shí)對(duì)支架基礎(chǔ)的力矩也減少了2/3。

對(duì)于一般固定支架的水平推力為：

式中： ∑μql為補(bǔ)償器與固定支架間的摩擦力之和；

Fc為補(bǔ)償器的彈性反力；

Fm為軸向補(bǔ)償器（如采用該類型的補(bǔ)償器時(shí)）的盲板力。

由于盲板力很大，導(dǎo)致固定支架承受很大的水平推力，并對(duì)支架基礎(chǔ)產(chǎn)生很大的力矩。軸向補(bǔ)償器補(bǔ)償量較小，故一般不采用軸向補(bǔ)償器。

采用滾動(dòng)支座后，由于管道對(duì)每個(gè)支架的摩擦力都減少了，這樣支架的基礎(chǔ)和柱子就可以設(shè)計(jì)的很小了。不僅外觀美麗，又節(jié)約了投資，更主要的是實(shí)施時(shí)減少了很多的困難。

以往在熱網(wǎng)工程中，土建支架的投資占總投資的20%左右，采用了滾動(dòng)支座后，土建支架的投資占總投資一般在10%左右。

5 結(jié)論

綜上所述和實(shí)際的案例證明，管道長(zhǎng)距離輸送蒸汽主要把握好熱負(fù)荷、壓力降與溫度降、投資這三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

熱負(fù)荷要足夠大，這是保證管道安全運(yùn)行的重要條件；

壓力降和溫度降要控制在可使用的范圍內(nèi)，這是管道設(shè)計(jì)的必要條件；

管道的投資是可回收的，這是管道建設(shè)的先決條件。

只要滿足以上三條，管道長(zhǎng)距離輸送蒸汽就是可行的。