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【專家解說】：城市集中供熱管網(wǎng)設(shè)計之淺見 [內(nèi)容摘要] 通過分析城市集中供熱管網(wǎng)設(shè)計中問題，對管網(wǎng)布置、直埋敷設(shè)等提出自己粗淺的看法 [主 題 詞] 城市集中供熱管網(wǎng)、布置類型、直埋敷設(shè)、補償器應(yīng)用、水力平衡 隨著經(jīng)濟發(fā)展和居民生活質(zhì)量的提高，城市集中供熱因其易控制、能源利用率高，供熱范圍廣和環(huán)境影響較低等優(yōu)勢得到迅速發(fā)展。但隨著城市集中供熱的推廣和室內(nèi)采暖系統(tǒng)采用熱計量，也產(chǎn)生了一系列的問題。對城市集中供熱管網(wǎng)設(shè)計也提出了更高的要求。本文就供熱管網(wǎng)設(shè)計的幾個技術(shù)問題進行分析。 一、城市集中供熱管網(wǎng)布置類型 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)濟性。城市供熱系統(tǒng)的特點是熱用戶分布區(qū)域廣、分支多。在管網(wǎng)發(fā)生事故時，通常允許有若干小時的停供修復(fù)時間。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)計時就將熱網(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，同時網(wǎng)格狀管網(wǎng)投資非常高。在城市多熱源聯(lián)合供熱時，有些規(guī)劃設(shè)計時將熱網(wǎng)主干線設(shè)計成環(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)濟性的前提下，筆者認為城市熱力管網(wǎng)應(yīng)是多條枝狀管網(wǎng)放射型布置。在規(guī)劃設(shè)計時，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。當城市供熱主干線骨架形成后，適當敷設(shè)連通管，在正常工作時連通管上的閥門關(guān)閉，當主干線某段出事故時，可利用連通管進行供熱。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)相鄰干管時加大其供熱能力就可以解決，以達到供熱管網(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、工程造價低、施工周期短、保溫性能好等特點，在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用。正確認識熱力管道直埋原理，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，此時管道處于錨固狀態(tài)，在熱脹冷縮過程中產(chǎn)生的位移勢能，被儲存在管道壁上，使管道受力復(fù)雜化。管道直埋敷設(shè)方式可分為：無補償直埋敷設(shè)、一次性補償直埋敷設(shè)和有補償直埋敷設(shè)三大類。 熱力管道的敞開預(yù)熱無補償直埋敷設(shè)是一種“冷緊”式直埋。工藝過程是在管道焊接完畢后 ，對一定長度管道進行預(yù)熱，管道受熱產(chǎn)生變形，釋放一部分熱應(yīng)力，同時對管溝進行回填夯實，利用土壤摩擦力將管道嵌固。這種敷設(shè)方式不需要設(shè)補償器和固定支墩，其工程造價最低。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償值，從管材疲勞的角度來看，在實際采用時應(yīng)仔細斟酌。 一次性補償直埋也是一種“冷緊”型直埋。工藝過程是：在管道焊接完畢溝槽回填后，對管道進行預(yù)熱，管道熱伸長被“一次性補償器”吸收，此時立即將“一次性補償器外殼和管道 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的熱應(yīng)力。 有補償直埋是目前應(yīng)用最多的敷設(shè)方式，因其施工方便，所以得到廣泛采用。實際工程中應(yīng)盡量合理布置補償器，使管道的補償器分段長度接近最大安裝長度，(管段由于移動所產(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，這個管段長度即最大安裝長度)同時應(yīng)保證補償器在固定支墩兩側(cè) 對稱布置，以減小固定支墩受力，降低支墩土建費用。另外對直線段“駐點”位置的固定支墩應(yīng)考慮取消，以降低造價。對于小區(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，實際工作溫度較低，熱應(yīng)力較小，因此熱網(wǎng)設(shè)計中可根據(jù)管網(wǎng)柔性考慮非預(yù)熱的無補償直埋敷設(shè)。 直埋敷設(shè)管線最大安裝長度Lmax計算如下： Lmax＝（2.4?[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 ?－－應(yīng)力范圍的減小系數(shù) di－－管道內(nèi)徑 mm p－－設(shè)計壓力 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：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或高于二級地區(qū)，直埋敷設(shè)要采取一定的措施。 三、波紋管補償在熱力管網(wǎng)中的應(yīng)用 在熱力管網(wǎng)敷設(shè)中，補償器是保證管道安全運行的重要部件。波紋管補償以其體積小、重量輕、節(jié)省鋼材、占地面積小、流動阻力小、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)，從而提高了其補償能力和承壓能力，應(yīng)用新技術(shù)制造的波紋管補償為其在熱力管網(wǎng)中的應(yīng)用提供了可靠的保證。 盡管波紋補償器有很多優(yōu)點，但它也有自身的缺點。例如軸向型波紋補償器對主固定支架產(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)計人員對波紋補償器的認識還不夠全面，因此在設(shè)計中存在計算和補償管系選定不合理問題。 波紋管補償器根據(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)點和缺點，所以必須根據(jù)不同的使用條件，恰當?shù)剡x用才能使波紋補償器正常工作，做到波紋補償器設(shè)計選型經(jīng)濟、合理。 軸向補償 直管段上的膨脹節(jié)對沿膨脹節(jié)及管段的軸向方向拉伸與壓縮進行補償。膨脹節(jié)給出的額定補償量包括拉伸、壓縮位移的總和。軸向型補償器。這是應(yīng)用最多的也是最基本的型式。在工作時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。 橫向補償 是在“L”、“Z”、“Ⅱ”型管道中的補償形式。通過成對的波紋管彎曲變形實現(xiàn)直線補償。 角向補償 管路補償需要膨脹節(jié)作彎曲變形，它們往往是兩個或三個角向式膨脹節(jié)組合使用，實現(xiàn)直線補償。 鉸鏈型補償器 在結(jié)構(gòu)上由波紋管、活動鉸鏈、銷軸組成。該補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，但它們對管系的設(shè)計及補償器的使用有重要影響，所以對它們都要有充分的認識。 波紋補償器的補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。補償能力的大小，由設(shè)計者根據(jù)需要確定規(guī)定的額定補償量，即表示在一定條件下具有的最大補償能力。熱力管網(wǎng)兩固定點之間的最大長度是由管道失穩(wěn)條件決定的，它與管徑的大小及補償器的補償能力有關(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簡單的獨立管段，如直管段，L形管段，Z形管段等。波紋管補償器的計算應(yīng)從以下幾方面著手。 （1）熱力管道的熱伸長量通常按下式計算： Δx=α(t1-t2)L 其中：Δx —— 管道的熱伸長量，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 —— 管道安裝時的溫度,℃, L —— 管道計算長度，m。 計算管道熱伸長量，是為了確定補償器的所需補償量，或驗算管道因熱伸長而產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力，所以對于管道的熱伸長量應(yīng)計算其最大值，即取冷態(tài)安裝條件的最低溫度和熱態(tài)運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)當時的氣候條件和施工環(huán)境，確定適當?shù)墓艿腊惭b溫度。 （2）安裝軸向型補償器的管道軸向推力F，按下式計算： Fx=Fp+Fm+Fs N 式中： Fp——內(nèi)壓力產(chǎn)生的推力， N FS——波紋管補償?shù)膹椥苑戳? N Fm——管道活動支架的摩擦力 N 計算固定支架推力時，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)管道推力的合力計算。 （3）管道應(yīng)力驗算 補償器在內(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)為一個或幾個波紋的平面相對于波紋管軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動而傾斜，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)是因為波紋數(shù)太多，波紋管有效長度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，對管道應(yīng)進行應(yīng)力驗算。 管道在工作狀態(tài)下，由內(nèi)壓產(chǎn)生的折算應(yīng)力按下式計算： σeq＝P[0.5do－Y(s－α)]/ s－α ≤[σ]t MPa P－設(shè)計壓力 MPa do－管線外徑 mm s－管線設(shè)計壁厚 mm Y－溫度對計算管線壁厚的修正系數(shù) α－腐蝕裕量 mm [σ]t－設(shè)計溫度下的許用應(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。對于一個設(shè)計合理，并能夠按設(shè)計工況運行的供熱管網(wǎng)，其各用戶應(yīng)均能獲得相應(yīng)的設(shè)計流量，以滿足其負荷要求。但在實際運行當中，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)度計算如下：水力失調(diào)度X=實際流量G’/設(shè)計流量Gsj 當水力失調(diào)度X 遠遠大于1 時，根據(jù)散熱器性能曲線可以看出，此時平均室溫的增長緩慢；當X遠遠小于1時，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”的運行方式。實際上大流量運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，熱源低負荷運行降低了熱源熱效率，管網(wǎng)小溫差運行增加了輸送能耗，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)計中應(yīng)對采暖系統(tǒng)進行水力平衡計算，確保各環(huán)路水量符合設(shè)計要求。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)計要求。 目前市場水力平衡元件主要有手動調(diào)節(jié)閥（平衡閥）和自動調(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)運行方式的不同，分別對待。對于手動調(diào)節(jié)閥來說，流量G=KV ?P，式中K V為手動調(diào)節(jié)閥閥口的流量系數(shù)，?P為手動調(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，是一個雙閥組合，由手動孔板和自動孔板組成一個有機的整體，手動孔板是按設(shè)計流量進行調(diào)控的鎖定機構(gòu)，自動孔板是保證設(shè)計流量恒定的控制機構(gòu)。當流經(jīng)手動孔板流量大于設(shè)計流量時，自動孔板的閥瓣上移，減少自動孔板的斷面，從而減少通過調(diào)節(jié)閥的流量，使其與設(shè)計流量相符。反之亦然。 當系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)為質(zhì)調(diào)節(jié)時，可以采用自力式調(diào)節(jié)閥，因為這種調(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)傳達到每個用戶和設(shè)備。采用自力式流量控制閥，可以吸收網(wǎng)路的壓力波動，維持被控負載的流量恒定。采用自力式壓差控制閥可以吸收網(wǎng)路的壓力波動，以維持施加于被控環(huán)路上的壓差恒定。 當系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)采用集中量調(diào)節(jié)(水泵的變頻調(diào)節(jié)等)時，不能采用自力式調(diào)節(jié)閥。因為這種調(diào)節(jié)是通過改變水量實現(xiàn)的，因而調(diào)節(jié)時改變了系統(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)的不能實現(xiàn)。這時若采用手動調(diào)節(jié)閥(比如平衡閥)，則系統(tǒng)總流量增減時，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)可以傳達至每一個末端裝置。當系統(tǒng)采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)時，雖然每個階段流量不變。但若采用自力式調(diào)節(jié)閥，每個流量階段要對控制流量或控制壓差進行設(shè)定，給運行管理帶來很大不便，所以不宜采用。 五、結(jié)束語 熱力管線工程運行是否正常直接關(guān)系到居民生活質(zhì)量，在設(shè)計過程中應(yīng)遵循技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用的原則，作為一項系統(tǒng)工程，從管網(wǎng)的設(shè)計到管道的 制造、安裝及管網(wǎng)的啟動運行，每個環(huán)節(jié)都直接影響著工程的成敗。而一項好的設(shè)計可以使產(chǎn)品的性能得以充分發(fā)揮，可以最大限度地減少施工中的困難，可以降低工程造價。因此，我們的設(shè)計一定要做到嚴謹合理，為工程的成功提供可靠的前提保證，如若不然，不僅增加工程造價，同時還由于設(shè)計不當而削弱了熱力管線運行的安全性和可靠性。