浅谈集中供热热网的设计施工及运行
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【摘 要】集中供热系统是城市公用事业的重要环节.为了安全、经济地组织管理好供热系统的运行,向热用户提供符合供热参数要求的热量,在供热管网的运行管理中必须考虑管网的调节,即供热管网的水力调节和热力调节.实质上是通过技术管理,实现供热系统有关规程规定的运行标准。
一、集中供热的分析
人们在生产和生活中都需要大量热能。集中供热是指以热水或蒸汽作为热媒，由一个或多个热源通过热网向城市、镇或其中某些区域热用户供应热能的方式。发展城镇集中供热是节能、环保的重要途径，是现代化城镇的重要基础设施之一，是城镇公共事业的重要组成部分。我国城市集中供热的技术方向，主要采用热电联产及城市区域性的大型集中供热锅炉房供热。利用热媒，将热能从热源输送到热用户必须通过供热管网。因此，供热管网是连接热源和热用户的纽带和桥梁，担负着输送和分配热量的任务，是城市供热的命脉。集中供热管网的投资非常可观，由于许多热网辐射半径很大，其动力消耗也占有很大的比重，因此对它的研究具有非常重要的意义。
二、集中供热热网的形式
集中供热管网形式主要分为枝状管网、环状管网及双管或多管管网。枝状管网形式简单、造价低、运行管理方便，是我国目前供热系统采用较多的布置方式。其缺点是当管网系统局部发生故障时，要影响较多用户的供热。当城市或供热系统由两个以上热源供热时，各热源的热力干线应连通，在技术经济合理时，热网干线宜连接成环状管网。环状管网造价较高但运行安全可靠。当多管管网一般用于供给不间断工业用汽负荷的用户，或热负荷有较多的分期增长以及所需介质参数相差较大的用户。在季节性负荷占总负荷比例较大时，通过技术经济比较，可采用双管或多管队不同的热负荷分别供热。
三、集中供热管网的布置
1、供热管网的布置原则
城市集中供热热网的布置应遵循国家有关规范和标准，按如下原则进行布置：
（1）应在城镇规划的指导下，根据热负荷分布、热源位置、其他管线机构筑物、园林绿地、水文、地质条件等多种因素，经技术经济比较确定；
（2）热网主干线，应敷设在热负荷较集中区，分支管线也应尽量靠近热用户；
（3）城镇道路上的供热管道应平行于道路中心线，并宜敷设在车行道以外，同一条管道应只沿街道的一侧敷设；
（4）穿过厂区的供热管道应敷设在易于检修和维护的位置；
（5）通过非建筑区的供热管道应沿公路敷设；
2、供热管网的敷设方式
供热管网的敷设方式可分为地上敷设和地下敷设，地下敷设可分为管沟敷设和直埋敷设。由于直埋敷设具备以下几个优点：1）工程造价低；2）热损失小、节约能源；3）防腐、绝缘性能好、使用寿命长；4）占地少、施工快、有利环境保护、减少施工扰民。因此与地沟敷设相比，直埋敷设具有显著的社会效益、经济效益、节能效益，具有不可比拟的优越性，成为目前城市热水管网的主要敷设方式。
直埋供热管网的敷设方式又可分为有补偿敷设和无补偿敷设，无补偿敷设按照管道焊接温度又可分为冷安装和预应力安装（预热安装）。
有补偿直埋敷设管道按照传统的管道强度验算方法，对各种载荷产生的应力不分类，均按弹性分析理论或极限分析理论的强度条件控制，利用补偿器吸收热位移来降低直管段的温度应力，设计结果是固定支架和补偿器的数量很多。虽然较好的解决了管网中的二次应力但是补偿器本身也是管网中最易发生事故的薄弱点和破坏点，而且由于需要每年定期维护，使得管网运行管理检修的工作量非常大，据调查，每年补偿器漏水和爆裂约占管网安全运行事故的60%以上。
无补偿直埋敷设管道的强度验算采用先进的应力分类法，对应力进行分类并采用不同的强度条件控制。其中对于一次应力即工作压力在管道中产生的应力（如内压环向应力、轴向应力等）采用极限分析；对一次应力及二次应力（即热胀冷缩受到外力约束时在管道中产生的应力）采用安定性分析；对一次应力、二次应力和峰值应力采用疲劳分析，使直管段能够满足应力分析对应的强度条件，无需设置补偿器来降低直管段温度应力。设计结果是管道上很少或者不设置补偿器和固定支架。
无补偿冷安装方式是指管道焊接和沟槽回填等安装过程都在自然环境温度下进行，管道处于零应力状态。在运行工况下，由于温升较大（约为120℃），锚固段的内力和应力以及过渡段中补偿装置处的位移量都较大，完全由管道及附件本身来承受，增大了直管段向管道附件，包括弯头、折角等释放变形的能力，引起三通、弯头、折角、变径管附件等承受较大峰值应力而加速破坏。由于管道系统大且复杂，加之热网施工、运行中的不确定因素很多，即便材料非常过硬，在复杂多变的情况下，管道及管件仍随时存在着破坏的可能性。因此对于热网的安全运行非常不利。
无补偿预热安装方式是指管道在回填前进行预热，当管道被加热到预热温度时，焊接管线，然后进行回填。在敞沟预热条件下可以在管段中立即产生均匀分布的预应力效果。由于预热安装管道应力的变化幅度约为冷安装的一半，即直管段和弯头的升温轴向力约为冷安装的一半，通过预热将部分应力提前释放，固定墩的推力和弯管、补偿器的补偿量将会大大下降，从而使管道整体和局部的稳定性得以提高。因此对于管道的安全运行起到了至关重要的作用。因此从管道工程的安全稳定、施工质量、施工速度和工程造价看，相比较而言无补偿预热安装是一种最佳的安装方式。
四、集中供热管网的运行调节
供热调节的方法主要有以下几种：改变供热介质温度的质调节；改变供热介质流量的量调节；同时改变温度和流量的质、量综合调节；改变供热时间的间歇调节。一般大型供热系统采用质、量综合调节的方式为最佳方案。质量综合调节方式是采暖初期系统流量维持主热源的设计流量不变，随着室外温度的降低，供水温度逐渐升高。首先供热系统在投入运行之前，为使供热介质流量的分配符合设计工况，采用专用阀门，对各配热干支线的流量进行一次调节。其次在供热系统运行期间，建筑物的采暖和通风等热负荷随室外气温而变化，生产工艺热负荷也常因生产过程中用热情况和工作班制的变更而增减。为保证供热质量，可采用遥测、遥控等自动调节设备（热网控制器），以控制供热介质的流量、压力和温度。
集中供热热网的运行调节是需要各个过程一起来运行调节的，所以对我们来说，主要从以下各个方面来保证其运行调节的顺当。但是对于热网中常用的管道，其公称壁厚要远远大于该压力所需的设计壁厚，内压产生的实际应力也就远远小于管材的屈服应力。相反，由于管道中热胀变形不能完全释放，使管道产生了较大的轴向压力和压应力，其中轴向压应力可能与屈服应力处于同一数量级上。因此，在直埋敷设热力管道中，内压的影响较小，管道产生爆裂的可能性很小，而温度的影响则较大，管道强度设计中应主要考虑温度变化产生的循环塑性变形和疲劳破坏。所以，直埋管道对其调节重要的意义。主要从以下方面来进行考虑： 1、管材的选择。埋地热力管道内压一般都很低，由内压引起的总体一次薄膜应力不足允许值的50％。发生直接爆破破坏的可能性很小，破坏的最大可能是由温度应力引起的塑性疲劳破坏。因此，在选择管材时，应主要从抗疲劳性能来考虑。这就要求选择塑性比较好、易焊接的材质，一般10#、20#钢种较为适宜。轴向温度应力与管壁横截面积的大小无关，增加壁厚并不能降低管壁内的轴向应力。相反，它可能增加对固定墩的推力和过渡段的热伸长量。因此，管壁应尽可能选择较薄的规格。在实际工程中有时由于供货条件的原因，同一直径的管子可能有两种以上的规格。此时，应注意避免不同规格的管子混合使用。 2、管道的布置。直埋供热管道的布置应符合国家现行标准《城市热力网设计规范》的有关规定。直埋供热管道穿越河底的覆土深度应根据水流冲刷条件和管道稳定性条件确定。直埋供热管道上的阀门应能承受管道的轴向荷载，宜采用钢制阀门及焊接连接。直埋供热管道变径处(大小头)或壁厚变化处，应设补偿器或固定墩，固定墩应设在大管径或壁厚较大一侧。直埋供热管道的补偿器，变径管等管件应采用焊接连接。
参考文献：
[1]玉恒,徐寿臣;热电厂装机方案优化决策方法的研究[J];东北电力学院学报;2009
[2]杨婷,王玲玲;热水供热系统的水力平衡与水力稳定性[J];大连大学学报;2010