集中供热管网改造工程技术设计中热负荷保温等问题几点体会

　　【摘 要】本文针对阜新市集中供热一期管网改造工程，归纳总结了设计中热负荷、计算参数、管网敷设及补偿方式、管道保温和保护层等问题的设计体会，最后得出了该工程的综合经济分析结论。
　　作者：阜新市热力总公司 裴全义 孔繁丽 杨鹤鸣
　　一、 概况阜新市集中供热一期工程管网干线敷设于1981年，热源为阜新发电厂，现负担着阜新市中心区域180万平方米的供热负荷。管网现运行参数为供水温度60℃，回水温度45℃。原管网采用架空、地沟、直埋的多种敷设方式，沿线开口支线达54处，沿线阀门为1.0MPa闸阀，补偿器为方型补偿（两处）和老式套筒补偿器。管道保温材料为岩棉或珍珠岩瓦块，外保护层为两布三油。
　　一期管网设计使用年限16年，已超期服役8年，管网腐蚀及附件老化问题日益严重，存在着极大的安全隐患，而且该区域管网现已超负荷运行，更无法满足阜新市中心区域供热负荷不断增长的需求。故此，对阜新市集中供热一期管网改造工程，本着改造更新和扩充能力并举的设计原则，对设计热负荷的确定，设计计算参数的选定，管道敷设及补偿方式的选择，管道保温、保温层的计算等问题进行了详尽的技术、经济分析，较好地兼顾了经济效益、社会效益和环境效益。
　　本文对阜新市集中供热一期管网改造工程技术设计的几点体会进行归纳、总结，同时，以该工程为例，得出了综合经济分析结论。
　　二、管网热负荷的确定要具有合理性、全局性和前瞻性
     （1）合理性：
　　对管网热负荷现状的调查要详尽，周密.重点是考虑现有负荷在采暖、生活热水等方面有无增减的可能性，调查民用住宅和工业、企业单位的负荷比例，以便结合实际情况，确定热指标和热负荷；
　　（2）全局性：
　　确定热负荷时应立足于整个城市热网的联网运行，重点是联网区域管网负荷的调整问题。在考虑各热源能力及相应热网负荷的基础上，不但要满足本工程管区域内的热负荷需求，同时要兼顾其他区域热负荷的增长和联网运行的调峰功能。
　　（3）前瞻性：
　　大型供热外网工程的设计使用寿命要达到15—20年，而要对城市的发展进行规划、预测是非常困难的。所以，不但要根据现有的城市总体规划和城市热力规划来确定民用采暖与生活热负荷的逐年增长量，更要结合城市日新月异的发展，作出方向性的待发展负荷远景分布规划，以便设计时确定负荷及进行管径计算。
　　对于大型供热外网工程，建设规模大，初投资数额大，只有从以上三方面出发，确定的管网热负荷才最为准确，才能最大限度地避免管网建成几年后，热网的输出能力就逐渐滞后于城市建设的问题，从而最大限度地避免热网的重复建设，保证城市发展。
　　三、确定设计计算参数不但要科学合理，也要灵活可行供热外网工程设计中，计算参数是热网水力、热力计算的前提，是热网设计的关键问题.在此次阜新市集中供热一期管网改造工程设计时，不仅依据《阜新市集中供热一期管网改造工程可行性研究报告》中的经济技术比较结论，参照热源（阜新发电厂）现行供热参数及管网现状，确定了管网的水力计算参数：供水温度60℃，回水温度45℃。而且考虑未来10—20年后，增大热网输出能力的要求，将管网的热力计算参数确定为：供水温度70℃，回水温度50℃。
　　前面提到，大型供热外网工程的设计使用寿命要达到15—20年，而城市的发展日新月异，根本无法预测、规划未来10—15年后城市的热网负荷.尤其管网改造工程，必须与目前城市热网现状协调一致，否则既无法与现有热源匹配，更无法进行全市的联网运行调节。本工程设计中采用了以上两套计算参数，目前，供水温度60℃，回水温度45℃，设计热指标为65w/m2条件下，管网的供热面积可达到280万平方米；当电厂首站出口温度参数提高到供水温度70℃，回水温度50℃时，热网干线可增带93万平方米热负荷，供热面积可达到373万平方米。即可以随着热网区域内负荷的增长，提高运行参数，分阶段地调整热网的输送能力。
　　如此，既可保证现阶段管网改造后与其它区域联网运行的需求，又预留了调整管网输送能力的空间，对于这种大规模的管网改造工程是非常灵活，非常科学的。
　　四、管网的敷设、补偿方式要针对管网敷设路由的具体情况，进行选择确定热网的敷设分为架空、地沟、直埋等几种敷设方式，相应的管道补偿也有自然补偿，方胀、波纹管、套筒等补偿器补偿，以及目前逐渐推广的无补偿直埋等多种方式。进行大型供热外网工程设计，要分析各段管网敷设路由的不同现状，对于改造工程，首先要尽量利用原有的土建（地沟、支架等）结构，再对各种敷设方式的保温、补偿器、土建等各方面进行经济技术分析，针对不同管径的管段，多样、灵活地选择技术可行、投资经济的敷设、补偿方式。
　　例如，此次阜新市供热一期管网改造工程的设计方案，自热源首站出口的干线部分原来采用架空敷设，利用方型补偿器及管道自然补偿。此次改造工程设计，首先进行了原有高、低支架的校核鉴定。依据鉴定结论，尽量利用现有支架，重新设计固定支墩。对东、西环支线，则根据规划路由和管道设计管径大小，逐段选择了地沟、直埋等敷设方式。选择敷设方式，不光要注重技术可行，投资经济，还要兼顾施工对环境的影响。如东环支线，经过经济技术比较计算，采用地沟有补偿敷设最为有利。可考虑到该段管网沿阜新市中心商业区干道（滨河路）敷设，为尽量减少施工时对其它地下市政设施（上水、下水等）的破坏，尽量减少施工工期过长对环境和交通的影响，最终选择了直埋敷设，兼顾了社会效益和环境效益。
　　另外，此次阜新市供热一期管网改造工程的设计，对各种管网敷设方式下，进行了不同的补偿方式的经济技术比较，以2Φ920的500m沟长管道为例：
　　敷设及补偿方式 投资估算（万元）
　　无补偿直埋 210有补偿直埋（套筒补偿器补偿并设井）290有补偿直埋（波纹管补偿器直埋） 240地沟敷设（波纹管补偿器补偿） 260地沟敷设（套筒补偿器补偿） 265对整个管网改造工程，应按不同管径，逐段进行投资经济比较。而最终确定各段具体的补偿方式时，不但要尽量采用目前先进的技术、设备，还要兼顾本次改造的实际情况。
　　例如，管网的西环支线，为地沟内管线，管道直线敷设。采用目前先进的柔性套筒补偿器进行补偿，运行安全可靠，投资低，施工简便。而管网的东环支线为直埋管线，沿滨河路敷设，管道折点较多，支线较多。以近十年来采用波纹管补偿器的经验来看，管道转角多时，利用全平衡、半平衡型波纹管补偿器可降低配套的土建规模和造价；管道折点多，支线多时，在管道管径大，补偿量小时，同等计算参数条件下，采用波纹管补偿器也较为经济；而且，安装波纹管补偿器对于施工的管道同心度要求较低，也便于保证施工质量。同时，在管网及附件的计算温度参数较低（供水70℃，回水50℃），又低参数运行（供水60℃，回水45℃）的条件下，高质量的波纹管补偿器在使用寿命和运行安全性上是有保障的。可以采用波纹管补偿器进行补偿。
　　总之，选择管网的敷设、补偿方式时要具体情况具体分析，灵活多样充分利用各种方式的优点，达到优化设计的目的。
　　五、保温及保护层对管道寿命起着决定性作用大型供热外网工程管道的设计使用寿命要达到15—20年，涉及管道寿命的关键问题主要包括：①管材壁厚；②管道保温和保护层③管道实际运行年限。
　　（1）确定管材的设计取用壁厚，要以理论计算壁厚为基础，同时着重管道壁厚附加值的计算。
　　1、分析理论计算壁厚公式：
　　δ=PDw/（2［σ］tη+р）mm（按外径确定）
　　上式中 δ——管道计算壁厚，mmр——设计压力，MPa Dw——管道外径，mm［σ］t——钢管在设计温度t下的许用应力，MPaη——许用应力修正系数可见，式中р—设计压力对壁厚的取值起到决定性作用。在取相同附加值条件下，不同设计压力的壁厚计算结果见下表：
　　2、管道壁厚附加值分两部分，即管道壁厚负偏差C1和管道壁厚腐蚀裕度C2：C1的取值范围0.5—0.8㎜.对于一般汽水管道，C2=0.虽然运行压力不超过0.8MPa，但考虑大管径直埋管道施工及埋深产生椭圆化变形以及管材质量、设计寿命等综合因素，设计壁厚按公称压力1.6MPa选取。
　　通过以上计算过程可见，管道壁厚如果按较大压力选取，完全可以满足管道的强度计算和应力验算，而且汽水管道可视为无内腐蚀，所以设计的管材取用壁厚完全可以满足管道使用寿命的要求。
　　（2）管道保温和保护层的选取和计算，对管道的寿命起着决定性作用。
　　一些设计资料指出，一般管道保温寿命为15—18年，根据对阜新市集中供热一期管网现状的取样分析，测验结果表明：管道外腐蚀主要在发生在管道保温接头处，且岩棉保温管腐蚀大于聚氨酯保温管。目前，直埋管道普通选用聚氨酯保温外罩高密度聚乙烯保护壳。根据理论计算和目前的工程实践分为以下两种规格：
　　考虑管材保温质量、设计寿命等因素，保温按标准型选取。
　　根据对聚氨酯外罩聚乙烯保护壳的保温方式的研究，采用发泡方式生产的预制保温管，尤其是施工时对保温接头采用套袖式处理后，其保温寿命可以达到25—30年。
　　前面提到汽水管道无内腐蚀，若在工程设计中重点解决了管道的保温和保护层问题，尽量减少管道外腐蚀，即可满足管网使用寿命的要求，甚至大幅度延长管网的实际运行寿命。
　　（3）按照管道的实际运行年限，折算管网运行寿命。
　　阜新市集中供热一期管网属于季节性运行供热管网，每年运行151天，在管网服役24年时，进行的管道壁厚测验结果表明，原Φ1020×12mm，现状δ=6-8mm，原Φ720×8mm，现状δ=4-6mm.此次改造设计，我们提出，对采用标准型的聚氨酯保温外罩高密度聚乙烯保护壳的直埋管道，依照管道的实际运行年限，对管网运行寿命进行折算。
　　目前，设计资料给出的管道寿命为15—18年。若考虑季节性供热，低参数运行，选用高质量的保温、保护壳材料，以及完善保温接头的施工方法等因素后，管网的运行寿命可折算至25—30年。
　　对以上三个方面的分析可见，对管网最终的运行寿命起决定性作用的是保温结构，即保温、保护层材料及厚度。所以，在设计中不仅要计算各种保温的经济性，更应注重管网运行的安全性。
　　六、综合经济技术分析阜新市集中供热一期管网改造工程的设计范围主要包括：
　　1、81年敷设的一期管网改造（管径为Φ1220—Φ630系列，管网总长7512m×2=15024m. 2、81年敷设的一期管网附件（阀门、补偿器等），保温及土建设施改造3、干线管网热负荷的调整及确定4、部分支线改造5、管网调节的自动化控制据《阜新市集中供热一期管网改造工程可行性研究报告》，本工程热网部分投资估算为6167万元。在工程的技术设计方案中，通过以下几方面的优化设计：1、对干线管径按不同平均比摩阻进行计算，采用最经济的管径配置。管材及安装方面可节约资金150万元。
　　2、针对不同地段，多种敷设方式、补偿方式结合运用，补偿器、固定支墩等附件可节约资金180万元。
　　3、灵活多样的选择多种保温材料，管道保温可节约资金120万元。
　　以上优化设计，总计节约工程投资450万元，工程投资额降低7.3%.七、结语我们总结了阜新市集中供热一期管网改造工程技术设计中的几点体会，上述见解，难免错误疏漏，希望各位专家不吝指正。