城市供热管网优化设计分析研究.pdf

2023.24 科学技术创新城市供热管网优化设计分析研究刘晓琼（四平热力有限公司，吉林 四平）目前，大多数城市的集中供热都是以热、电联合生产为主要方式，少部分地区则是以锅炉房作为辅助方式，以保证城市的供热需要。大部分的供热管网都是单一的枝状延伸，这样可以节省成本，但在管网线路上会存在一些问题。为此，有必要对城市集中供热系统进行合理的规划和优化，以保证城市集中供热系统建设的顺利进行。1管网设计优化研究现状及存在的问题早在 20 世纪 60 年代，诺多等人就已经将系统分析应用于城市供水管道的优化设计中。1969 年,Shakeu 利用非线性模型求解了分支管道的优化设计。1987 年，戈德伯格首先应用遗传算法，建立并解决了管道设计的优化问题。2020 年，wirtz 等人提出了一种全新的基于 LP 的人工优化算法，实现了对双冷网络分布式供能系统的人工优化。但在工程的实际应用中还存在着一定局限性：淤经验性方法局限性。于经典图论法局限性。盂动态规划法局限性。为了改善上述管网设计中存在的问题，笔者在十几年的管网设计工作中，总结了一些管网优化设计的关键节点和解决方法。2室外供热管网设计关键点就目前的采暖方式而言，采用集中供热方式，通过由热力站向居民提供生活用水，以达到对居民生活供热的要求。居住区户外供热网络担负着从热力站向居住区输送热水的重任。为保证热水供应的品质，保证供热的顺利进行，需要对供热网络进行合理的规划，以保证供热网络的安全、高效。2.1热负荷量和管径一次网的供、回水在 130/70 益的温度范围内，通过热量的交换而变成了温度较低的水。居住区二次供热系统是将 55/45 益的供、回水冷热水输送至居住区，以满足居住区的采暖需要（见图 1）。2.2管线布置原则和方法居民区的供热系统比较复杂，在进行供热管道的设计时，既要根据居民区整体布局，又要根据其它管道的方向、埋深等因素来进行。城市加热管网的布局应该在城市规划的指引下，以热负荷分布、热源位置、其他管线及构筑物、园林绿地、水文、地质条件等为基础，通过技术部门的经济对比来决定。尽可能避开与排水系统相交，实在不能避开时，在相交部位使用整体隔热的直管道分段。摘要：城市集中供热是一项关乎人民生活和城市发展的重大课题。供热系统的设计优劣直接影响着供热系统的建设质量和供热效果。本研究先介绍了目前供热管网优化设计的现状及存在的问题。接着明确了室外供热管网设计的关键节点，包括热负荷量和管径的选择和计算、管道敷设方式的选择、室外管网水力平衡设计的原则。此后介绍了管网设计应该优化的内容主要有管道节点设计优化、管径选择优化、供热网网络的和管网平衡的设计优化的内容，最后将这些优化原则运用在某市的热网新建项目中，取得了良好的经济和社会效益。关键词：城镇供热管网；优化设计；水力平衡设计；管网平衡中图分类号院TU995.3文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤24-0173-04作者简介：刘晓琼(1986-），女，本科，工程师，主要从事供热管网的设计工作。图 1居民集中供暖示意173-科学技术创新 2023.242.3敷设方法的选择供热管道铺设是管道工程建设中的一项重要环节，它直接影响着管道工程建设及运行的安全性。供热管道铺设（见表 1）方式有以下几种。表 1供热管道敷设方式及优缺点2.4室外管网水力平衡设计热网水力平衡问题是热网设计中的一个重要问题，它直接影响到热网的质量。为了保证管网的水力平衡，设计者要做好以下几个方面的工作。淤水力平衡设计要点。室外管网主平衡的好坏直接影响到供热质量及用户的供热，所以设计者必须通过分析供热量及能耗来实现管网平衡，从而保证供热质量。于支路均衡。设计者应根据用户要求，计算出主管线与支线的失衡比率，并对平衡阀进行合理的控制，消除支线内残余压力，使管网内水力平衡（见图 2）。盂排水放空的设计要点。设计者在设计过程中，应对泄水阀、检查井等进行合理布置，并安装相应阀门，为以后的水力平衡控制打下基础。图 2水力平衡流量分配原理3城市集中供热管网设计优化3.1管线的节点设计优化在供热管网中，弯头、变径、三通和折角处是疲劳损伤应力最集中的部位，温度变化会使应力集中于管道结构的非连续性处，导致管道疲劳损伤，降低管网寿命。设计时在节点处采取保护措施，防止节点破坏，减少管网的泄漏点，提高管网的质量。设计阀门时，为了提高系统运行的安全性，可采用焊接蝶阀与焊接球阀相结合的方式。3.2管道管径的选择在铺设管线时，除了设置中继泵外，还应注意管线直径的选取。重视管网直径设计，设计中应当将离散型特点进行充分凸显，灵活运用组合方式，综合管网直径、供热质量、供热效率三者的关系1。对管道进行直径的最优化选择还能够确保经济的节约，降低投资使用，提高管道网的经济性和适应性，确保收益的最大化。3.3管网平衡的设计优化在供热系统中，热媒是由封闭的管道输送到各个用户的。要保证设计的合理，就必须在供热系统中按计工况进行操作，使得每个用户都能得到对应的设计流量，这样才能保证供热系统的正常工作。在完成网络均衡时，必须根据规范的水力均衡计算，以保证每个回路的流量满足设计的需求；在室外每一回路及建筑物入口的供热给水管线上都装有一个平衡阀门或其它水力均衡部件（见图 3）。3.4供热网网络的优化在城市供水系统中，管道布置的优选必须以可靠的技术和合理的经济为基础。在技术上，要做到这一点，就是要做到与公路的中线相平行，要尽可能地减少穿越交通干线，要与车辆相距较远，在地面上铺设管线时，要以不妨碍交通和不影响城市的美感为目标。为保证输送管的寿命，在输送过程中，要尽可能避免发生滑坡、土壤松软等不良环境。在经济性上，要对管道中的补偿装置、阀门等部件进行适当的配置；主管道要尽可能沿温度较高的地区运行。4实例应用4.1项目概况该项目基于 2018 年总书记在深入推进东北振兴座谈会上的重要讲话和考察黑龙江的重要指示精神。xxx 有限责任公司二公河工业园区供热管网工程 正式启动，项目建设地点为该市市区。根据热负荷发展需求，新建供热管网引至新增负荷区，并新建换热站；项目共计新建一级供热管网 3 362.08 m，二级供热管网 2 726.3 m，新建换热站 3 座，新建井室 15 座（见表2）。敷设方式 适用区域 优点 直埋敷设 市区及所有无障碍的地区 施工时间更短，施工质量好，安全性高 地沟敷设 不能通过的地下沟渠、半过路的管道 对绝缘层距与管线的间距进要要求严格 地上敷设方法 横跨道路和铁路、跨越河谷、行人或行车及其他障碍物的地区 对周边的交通及厂房造成干扰少 174-2023.24 科学技术创新表 2主要技术指标一览表4.2热指标及设计负荷选择供热区域内建筑面积在类别上包括公共建筑和住宅建筑，在节能效果上分为节能建筑和非节能建筑。划新增建筑热指标，在建及已批待建筑物按 100%采取节能措施建筑物考虑，规划发展建筑按 100%采取节能措施建筑物考虑，根据实际调查，新增建筑采暖面积综合热指标为 55 W/m2。根据采暖通风及空气调节设计规范，XX 市供暖期天数 197 天，计 4 728 h，供暖室外计算温度-33.2 益，供暖期平均温度-12.5 益，供暖室内计算温度18 益。经计算，本工程年供热量为 8.54 MWh（86 517.7GJ）。4.3热媒介的选择及管网布置根据热源厂可提供的供热参数，同时结合现有热网情况，确定一级网采用高温水供热，设计供回水温度采用 130/70 益，二级网设计供回水温度采用 50/40益。热用户室内采暖系统与热源采用间接连接方式，二级网可根据负荷状况设成较为适宜的规模，因而，可以较好解决水力平衡问题；并且，二级网可根据各个站内的负荷范围情况设定需要的压力、水力工况，同时，一级网可不受二级网用户条件的限制，按需要设定及调节运行工况，保证近处及远处不利点用户均可获得满意效果2。4.4水力计算热网主干线供回水温度为 130/70 益；管道阻力计算采用当量长度法，局部阻力当量长度百分比取0.3；绝对粗糙度 K=0.5 mm；管内流体计算密度 92.13kg/m3。热网主干线推荐比摩阻按 城镇供热管网设计标准（CJJ34-2022）推荐值，控制在 3070 Pa/m 范围3。由于兼顾远期供热规划规模，个别管线比摩阻可适当低于 30 Pa/m。热网支干线、支线应按允许压力降确定管径，但供热介质流速不应大于 3.5 m/s，支干线比摩阻不应大于 300 Pa/m。水力计算结果：一级管网主干线长 3 362.08 m，最大管径 DN700，流量 5.56 t/h，主干线单程阻力损失为 7.3 mH2O。二级管网主干线长 2 726.3 m，最大管径 DN300，流量 178.7 t/h，主干线单程阻力损失为14.79 mH2O。4.5本工程意义本工程改造完成后，改善了供热质量，使市区居民享受到集中供热的好处，提高了居民生活水平和生活质量，同时改善净化了城市环境，对建设生态市的目标将产生积极而深远的影响4。本工程的实施，避免图 3管网平衡布置序号 项目名称 单位 主要技术指标 1 设计新增供热面万 15.524 2 年供热量 GJ 86 517.7 3 新建一级网 米 3 362.08 4 新建二级网 米 2 726.3 5 新建换热站 座 3 6 新建井室 座 15 175-科学技术创新 2023.24Study on Optimization Design of UrbanHeating Pipeline NetworkLiu Xiaoqiong(Siping Heating Co.,Ltd.,Siping,China)Abstract:Urban centralized heating is a major issue related to peoples lives and urban development.The design quality of the heating system directly affects the construction quality and heating effect of theheating system.This article first introduces the current situation and existing problems in the optimizationdesign of heating pipeline networks.Subsequently,the key nodes of outdoor heating network design wereclarified,including the selection and calculation of heat load and pipe diameter,the selection of pipelinelaying methods,and the principles of hydraulic balance design for outdoor heating network.Afterwards,it wasintroduced that the optimization of pipeline network design mainly includes pipeline node design optimization,pipe diameter selection optimization,design optimization of heating network and pipeline balance.Finally,these optimization principles were applied to a new heating network project in a certain city,achieving goodeconomic and social benefits.Key words:urban heating pipeline network;optimization design;water balance design;pipeline networkbalance了新增供热区域新建区域锅炉房，消除了新建锅炉房对居民区噪声的影响，还居民一个舒适优雅的居住环境。城市污水排放中,锅炉房采暖污水占有一定比例，停止锅炉污水排放，将使市区河流水质有所改善5。本工程的实施，不但节约了大量燃煤、水、电等能源，而且减少了运煤、运灰车辆，节约大量人力物力。结束语综上所述，在对城市的供热管网的系统进行优化设计时，所要处理的问题并不只是城市化进程的逐步推进，供热面积的增加所带来的问题，还必须要注意对管件、阀门热负荷指标、管网的布置及选择等都要经过慎重的考虑及严密的计算。通过对上述问题的细致分析，能够更好地提高最优设计的品质，从而提高人类的生存品质，并且能够将经济效益最大化。参考文献1王新鲁.城市供热管网的优化设计策略分析J.中国石油和化工标准与质量,2021(11)：69-70.2李哲.关于配套供热基础设施建设项目的探讨以黑龙江省林业局保障性安居工作为例J.林业科技情报,2018（3）：69-72.3张蕊.北方城市大型集中供热系统管网互联互备的研究J.区域供热,2020(5):118-124.4焦秋云.时代公司集中供热扩建项目投资评价研究D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.5梁大文.F 区热电联产供热管网改造方案设计D.长春：吉林大学,2015.176-