集中供熱管網(wǎng)改造工程技術(shù)設(shè)計中熱負荷保溫等問題幾點體會

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　　【摘 要】本文針對阜新市集中供熱一期管網(wǎng)改造工程，歸納總結(jié)了設(shè)計中熱負荷、計算參數(shù)、管網(wǎng)敷設(shè)及補償方式、管道保溫和保護層等問題的設(shè)計體會，最后得出了該工程的綜合經(jīng)濟分析結(jié)論。

　　作者：阜新市熱力總公司 裴全義 孔繁麗 楊鶴鳴

　　一、 概況阜新市集中供熱一期工程管網(wǎng)干線敷設(shè)于1981年，熱源為阜新發(fā)電廠，現(xiàn)負擔(dān)著阜新市中心區(qū)域180萬平方米的供熱負荷。管網(wǎng)現(xiàn)運行參數(shù)為供水溫度60℃，回水溫度45℃。原管網(wǎng)采用架空、地溝、直埋的多種敷設(shè)方式，沿線開口支線達54處，沿線閥門為1.0MPa閘閥，補償器為方型補償（兩處）和老式套筒補償器。管道保溫材料為巖棉或珍珠巖瓦塊，外保護層為兩布三油。

　　一期管網(wǎng)設(shè)計使用年限16年，已超期服役8年，管網(wǎng)腐蝕及附件老化問題日益嚴(yán)重，存在著極大的安全隱患，而且該區(qū)域管網(wǎng)現(xiàn)已超負荷運行，更無法滿足阜新市中心區(qū)域供熱負荷不斷增長的需求。故此，對阜新市集中供熱一期管網(wǎng)改造工程，本著改造更新和擴充能力并舉的設(shè)計原則，對設(shè)計熱負荷的確定，設(shè)計計算參數(shù)的選定，管道敷設(shè)及補償方式的選擇，管道保溫、保溫層的計算等問題進行了詳盡的技術(shù)、經(jīng)濟分析，較好地兼顧了經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

　　本文對阜新市集中供熱一期管網(wǎng)改造工程技術(shù)設(shè)計的幾點體會進行歸納、總結(jié)，同時，以該工程為例，得出了綜合經(jīng)濟分析結(jié)論。

　　二、管網(wǎng)熱負荷的確定要具有合理性、全局性和前瞻性

     （1）合理性：

　　對管網(wǎng)熱負荷現(xiàn)狀的調(diào)查要詳盡，周密.重點是考慮現(xiàn)有負荷在采暖、生活熱水等方面有無增減的可能性，調(diào)查民用住宅和工業(yè)、企業(yè)單位的負荷比例，以便結(jié)合實際情況，確定熱指標(biāo)和熱負荷；

　?。?）全局性：

　　確定熱負荷時應(yīng)立足于整個城市熱網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)運行，重點是聯(lián)網(wǎng)區(qū)域管網(wǎng)負荷的調(diào)整問題。在考慮各熱源能力及相應(yīng)熱網(wǎng)負荷的基礎(chǔ)上，不但要滿足本工程管區(qū)域內(nèi)的熱負荷需求，同時要兼顧其他區(qū)域熱負荷的增長和聯(lián)網(wǎng)運行的調(diào)峰功能。

　?。?）前瞻性：

　　大型供熱外網(wǎng)工程的設(shè)計使用壽命要達到15—20年，而要對城市的發(fā)展進行規(guī)劃、預(yù)測是非常困難的。所以，不但要根據(jù)現(xiàn)有的城市總體規(guī)劃和城市熱力規(guī)劃來確定民用采暖與生活熱負荷的逐年增長量，更要結(jié)合城市日新月異的發(fā)展，作出方向性的待發(fā)展負荷遠景分布規(guī)劃，以便設(shè)計時確定負荷及進行管徑計算。

　　對于大型供熱外網(wǎng)工程，建設(shè)規(guī)模大，初投資數(shù)額大，只有從以上三方面出發(fā)，確定的管網(wǎng)熱負荷才最為準(zhǔn)確，才能最大限度地避免管網(wǎng)建成幾年后，熱網(wǎng)的輸出能力就逐漸滯后于城市建設(shè)的問題，從而最大限度地避免熱網(wǎng)的重復(fù)建設(shè)，保證城市發(fā)展。

　　三、確定設(shè)計計算參數(shù)不但要科學(xué)合理，也要靈活可行供熱外網(wǎng)工程設(shè)計中，計算參數(shù)是熱網(wǎng)水力、熱力計算的前提，是熱網(wǎng)設(shè)計的關(guān)鍵問題.在此次阜新市集中供熱一期管網(wǎng)改造工程設(shè)計時，不僅依據(jù)《阜新市集中供熱一期管網(wǎng)改造工程可行性研究報告》中的經(jīng)濟技術(shù)比較結(jié)論，參照熱源（阜新發(fā)電廠）現(xiàn)行供熱參數(shù)及管網(wǎng)現(xiàn)狀，確定了管網(wǎng)的水力計算參數(shù)：供水溫度60℃，回水溫度45℃。而且考慮未來10—20年后，增大熱網(wǎng)輸出能力的要求，將管網(wǎng)的熱力計算參數(shù)確定為：供水溫度70℃，回水溫度50℃。

　　前面提到，大型供熱外網(wǎng)工程的設(shè)計使用壽命要達到15—20年，而城市的發(fā)展日新月異，根本無法預(yù)測、規(guī)劃未來10—15年后城市的熱網(wǎng)負荷.尤其管網(wǎng)改造工程，必須與目前城市熱網(wǎng)現(xiàn)狀協(xié)調(diào)一致，否則既無法與現(xiàn)有熱源匹配，更無法進行全市的聯(lián)網(wǎng)運行調(diào)節(jié)。本工程設(shè)計中采用了以上兩套計算參數(shù)，目前，供水溫度60℃，回水溫度45℃，設(shè)計熱指標(biāo)為65w/m2條件下，管網(wǎng)的供熱面積可達到280萬平方米；當(dāng)電廠首站出口溫度參數(shù)提高到供水溫度70℃，回水溫度50℃時，熱網(wǎng)干線可增帶93萬平方米熱負荷，供熱面積可達到373萬平方米。即可以隨著熱網(wǎng)區(qū)域內(nèi)負荷的增長，提高運行參數(shù)，分階段地調(diào)整熱網(wǎng)的輸送能力。

　　如此，既可保證現(xiàn)階段管網(wǎng)改造后與其它區(qū)域聯(lián)網(wǎng)運行的需求，又預(yù)留了調(diào)整管網(wǎng)輸送能力的空間，對于這種大規(guī)模的管網(wǎng)改造工程是非常靈活，非?？茖W(xué)的。

　　四、管網(wǎng)的敷設(shè)、補償方式要針對管網(wǎng)敷設(shè)路由的具體情況，進行選擇確定熱網(wǎng)的敷設(shè)分為架空、地溝、直埋等幾種敷設(shè)方式，相應(yīng)的管道補償也有自然補償，方脹、波紋管、套筒等補償器補償，以及目前逐漸推廣的無補償直埋等多種方式。進行大型供熱外網(wǎng)工程設(shè)計，要分析各段管網(wǎng)敷設(shè)路由的不同現(xiàn)狀，對于改造工程，首先要盡量利用原有的土建（地溝、支架等）結(jié)構(gòu)，再對各種敷設(shè)方式的保溫、補償器、土建等各方面進行經(jīng)濟技術(shù)分析，針對不同管徑的管段，多樣、靈活地選擇技術(shù)可行、投資經(jīng)濟的敷設(shè)、補償方式。

　　例如，此次阜新市供熱一期管網(wǎng)改造工程的設(shè)計方案，自熱源首站出口的干線部分原來采用架空敷設(shè)，利用方型補償器及管道自然補償。此次改造工程設(shè)計，首先進行了原有高、低支架的校核鑒定。依據(jù)鑒定結(jié)論，盡量利用現(xiàn)有支架，重新設(shè)計固定支墩。對東、西環(huán)支線，則根據(jù)規(guī)劃路由和管道設(shè)計管徑大小，逐段選擇了地溝、直埋等敷設(shè)方式。選擇敷設(shè)方式，不光要注重技術(shù)可行，投資經(jīng)濟，還要兼顧施工對環(huán)境的影響。如東環(huán)支線，經(jīng)過經(jīng)濟技術(shù)比較計算，采用地溝有補償敷設(shè)最為有利?？煽紤]到該段管網(wǎng)沿阜新市中心商業(yè)區(qū)干道（濱河路）敷設(shè)，為盡量減少施工時對其它地下市政設(shè)施（上水、下水等）的破壞，盡量減少施工工期過長對環(huán)境和交通的影響，最終選擇了直埋敷設(shè)，兼顧了社會效益和環(huán)境效益。

　　另外，此次阜新市供熱一期管網(wǎng)改造工程的設(shè)計，對各種管網(wǎng)敷設(shè)方式下，進行了不同的補償方式的經(jīng)濟技術(shù)比較，以2Φ920的500m溝長管道為例：

　　敷設(shè)及補償方式 投資估算（萬元）

　　無補償直埋 210有補償直埋（套筒補償器補償并設(shè)井）290有補償直埋（波紋管補償器直埋） 240地溝敷設(shè)（波紋管補償器補償） 260地溝敷設(shè)（套筒補償器補償） 265對整個管網(wǎng)改造工程，應(yīng)按不同管徑，逐段進行投資經(jīng)濟比較。而最終確定各段具體的補償方式時，不但要盡量采用目前先進的技術(shù)、設(shè)備，還要兼顧本次改造的實際情況。

　　例如，管網(wǎng)的西環(huán)支線，為地溝內(nèi)管線，管道直線敷設(shè)。采用目前先進的柔性套筒補償器進行補償，運行安全可靠，投資低，施工簡便。而管網(wǎng)的東環(huán)支線為直埋管線，沿濱河路敷設(shè)，管道折點較多，支線較多。以近十年來采用波紋管補償器的經(jīng)驗來看，管道轉(zhuǎn)角多時，利用全平衡、半平衡型波紋管補償器可降低配套的土建規(guī)模和造價；管道折點多，支線多時，在管道管徑大，補償量小時，同等計算參數(shù)條件下，采用波紋管補償器也較為經(jīng)濟；而且，安裝波紋管補償器對于施工的管道同心度要求較低，也便于保證施工質(zhì)量。同時，在管網(wǎng)及附件的計算溫度參數(shù)較低（供水70℃，回水50℃），又低參數(shù)運行（供水60℃，回水45℃）的條件下，高質(zhì)量的波紋管補償器在使用壽命和運行安全性上是有保障的?？梢圆捎貌y管補償器進行補償。

　　總之，選擇管網(wǎng)的敷設(shè)、補償方式時要具體情況具體分析，靈活多樣充分利用各種方式的優(yōu)點，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

　　五、保溫及保護層對管道壽命起著決定性作用大型供熱外網(wǎng)工程管道的設(shè)計使用壽命要達到15—20年，涉及管道壽命的關(guān)鍵問題主要包括：①管材壁厚；②管道保溫和保護層③管道實際運行年限。

　?。?）確定管材的設(shè)計取用壁厚，要以理論計算壁厚為基礎(chǔ)，同時著重管道壁厚附加值的計算。

　　1、分析理論計算壁厚公式：

　　δ=PDw/（2［σ］tη+р）mm（按外徑確定）

　　上式中 δ——管道計算壁厚，mmр——設(shè)計壓力，MPa Dw——管道外徑，mm［σ］t——鋼管在設(shè)計溫度t下的許用應(yīng)力，MPaη——許用應(yīng)力修正系數(shù)可見，式中р—設(shè)計壓力對壁厚的取值起到?jīng)Q定性作用。在取相同附加值條件下，不同設(shè)計壓力的壁厚計算結(jié)果見下表：

　　2、管道壁厚附加值分兩部分，即管道壁厚負偏差C1和管道壁厚腐蝕裕度C2：C1的取值范圍0.5—0.8㎜.對于一般汽水管道，C2=0.雖然運行壓力不超過0.8MPa，但考慮大管徑直埋管道施工及埋深產(chǎn)生橢圓化變形以及管材質(zhì)量、設(shè)計壽命等綜合因素，設(shè)計壁厚按公稱壓力1.6MPa選取。

　　通過以上計算過程可見，管道壁厚如果按較大壓力選取，完全可以滿足管道的強度計算和應(yīng)力驗算，而且汽水管道可視為無內(nèi)腐蝕，所以設(shè)計的管材取用壁厚完全可以滿足管道使用壽命的要求。

　?。?）管道保溫和保護層的選取和計算，對管道的壽命起著決定性作用。

　　一些設(shè)計資料指出，一般管道保溫壽命為15—18年，根據(jù)對阜新市集中供熱一期管網(wǎng)現(xiàn)狀的取樣分析，測驗結(jié)果表明：管道外腐蝕主要在發(fā)生在管道保溫接頭處，且?guī)r棉保溫管腐蝕大于聚氨酯保溫管。目前，直埋管道普通選用聚氨酯保溫外罩高密度聚乙烯保護殼。根據(jù)理論計算和目前的工程實踐分為以下兩種規(guī)格：

　　考慮管材保溫質(zhì)量、設(shè)計壽命等因素，保溫按標(biāo)準(zhǔn)型選取。

　　根據(jù)對聚氨酯外罩聚乙烯保護殼的保溫方式的研究，采用發(fā)泡方式生產(chǎn)的預(yù)制保溫管，尤其是施工時對保溫接頭采用套袖式處理后，其保溫壽命可以達到25—30年。

　　前面提到汽水管道無內(nèi)腐蝕，若在工程設(shè)計中重點解決了管道的保溫和保護層問題，盡量減少管道外腐蝕，即可滿足管網(wǎng)使用壽命的要求，甚至大幅度延長管網(wǎng)的實際運行壽命。

　　（3）按照管道的實際運行年限，折算管網(wǎng)運行壽命。

　　阜新市集中供熱一期管網(wǎng)屬于季節(jié)性運行供熱管網(wǎng)，每年運行151天，在管網(wǎng)服役24年時，進行的管道壁厚測驗結(jié)果表明，原Φ1020×12mm，現(xiàn)狀δ=6-8mm，原Φ720×8mm，現(xiàn)狀δ=4-6mm.此次改造設(shè)計，我們提出，對采用標(biāo)準(zhǔn)型的聚氨酯保溫外罩高密度聚乙烯保護殼的直埋管道，依照管道的實際運行年限，對管網(wǎng)運行壽命進行折算。

　　目前，設(shè)計資料給出的管道壽命為15—18年。若考慮季節(jié)性供熱，低參數(shù)運行，選用高質(zhì)量的保溫、保護殼材料，以及完善保溫接頭的施工方法等因素后，管網(wǎng)的運行壽命可折算至25—30年。

　　對以上三個方面的分析可見，對管網(wǎng)最終的運行壽命起決定性作用的是保溫結(jié)構(gòu)，即保溫、保護層材料及厚度。所以，在設(shè)計中不僅要計算各種保溫的經(jīng)濟性，更應(yīng)注重管網(wǎng)運行的安全性。

　　六、綜合經(jīng)濟技術(shù)分析阜新市集中供熱一期管網(wǎng)改造工程的設(shè)計范圍主要包括：

　　1、81年敷設(shè)的一期管網(wǎng)改造（管徑為Φ1220—Φ630系列，管網(wǎng)總長7512m×2=15024m. 2、81年敷設(shè)的一期管網(wǎng)附件（閥門、補償器等），保溫及土建設(shè)施改造3、干線管網(wǎng)熱負荷的調(diào)整及確定4、部分支線改造5、管網(wǎng)調(diào)節(jié)的自動化控制據(jù)《阜新市集中供熱一期管網(wǎng)改造工程可行性研究報告》，本工程熱網(wǎng)部分投資估算為6167萬元。在工程的技術(shù)設(shè)計方案中，通過以下幾方面的優(yōu)化設(shè)計：1、對干線管徑按不同平均比摩阻進行計算，采用最經(jīng)濟的管徑配置。管材及安裝方面可節(jié)約資金150萬元。

　　2、針對不同地段，多種敷設(shè)方式、補償方式結(jié)合運用，補償器、固定支墩等附件可節(jié)約資金180萬元。

　　3、靈活多樣的選擇多種保溫材料，管道保溫可節(jié)約資金120萬元。

　　以上優(yōu)化設(shè)計，總計節(jié)約工程投資450萬元，工程投資額降低7.3%.七、結(jié)語我們總結(jié)了阜新市集中供熱一期管網(wǎng)改造工程技術(shù)設(shè)計中的幾點體會，上述見解，難免錯誤疏漏，希望各位專家不吝指正。