（环境工程专业论文）区域供热管网设计方案的优选研究.pdf

摘要 集中供热系统是城市的重要基础设施，而供热管网在整个供热系统中又占有 十分重要的位置，其投资所占比例较高，敷设方式多，且发生事故时带来的影响 较大。 本课题研究以天津市空港物流加工区内新建供热管网为研究对象，在满足区 内各类建筑冬季采暖用热需求的前提下，以优化供热管网方式为目的，分析比较 供热管网多种敷设方式的适用条件及其相应投资水平，最终确定最优方案。 本文全面介绍了架空、直埋、地沟和综合管沟等各种敷设方式，并着重以直 埋敷设方式为研究对象，比较了有补偿直埋敷设、无补偿直埋冷安装和无补偿直 埋预热安装的技术特点及造价。针对长直管道，以应力分析方法取代了弹性分析 法，以无补偿直埋冷安装及预热安装取代了有补偿直埋敷设，取消了大部分补偿 器及固定墩的设置，从而降低造价、缩短工期。本文重点研究了无补偿冷安装的 敷设方式，对其技术可行性以及经济效益均进行了详细的分析，对于各种管径规 格的敷设方式进行了比较。同时对于薄弱环节采取合理的保护措施，如弯头、拐 角、三通、阀门等处采取了加大壁厚、加设补偿器及固定墩等。另外，通过对热 网的应力、壁厚、保温厚度的计算及水力计算，合理选择热网的安装方式，确定 管径及热网循环水泵扬程，指导经济运行，为管网在不同工况条件和事故状态下， 提供运行方案的理论依据，同时使工程投资经济合理。 本文通过对项目所处地理和社会环境等实际情况分析。对各种敷设方式的研 究和比较，结合国际和国内的技术发展现状，结合经济因素，找到了适合本项目 的最佳供热管网系统方案。 本项目的成功完成，是对我国热水管网系统设计、制造、安装、运行、管理 等先进技术的一次深入探讨，具有十分积极的现实意义，同时也是为我国供热系 统整体优化做的一次努力。 关键词：供热管网；优化：敷设方式：直埋：无补偿； a b s t r a c t h e a t - s u p p i yn e 咐o r kp i a y sav e r yi m p o r t a l l tr 0 i ei nm o d e mc i t yc e n t r a l i z e d h e a t - s u p p l ys y s t e i t l i tn e e d sh u g ef i n a n c i a li n v e s t m e n ta n dm a n yl a y i n gm e t h o d s i t i m p a c t sh u g ew h 髓a c c i d e n to rf a i l u r eh a p p e l l s t h i sw o r kf o c u s e s0 nt h ed e s i g no fh 翩t - s u p p l yn e t w o r kf o rt i a n j i nf r e i g h t a g e t m s p o n d i s t r i c t 1 1 1 ed e s i g ni sb a s e do n 弛a l y z i n ga i l dc o m p a r i n gd i f 诧r e n tl a y i l l g m e t h o d sw i t hr e s p e c tt ot h e i re i l v i r o 【h n e n t 髓d 丘n a n c i a lr e q u i 阳m e i l t s 锄dh e a t i n g r c q u i r e m 肌t so fb u i l d i n g sd u r i n gw i n t c r t l l i sw o r kf i r s td i s c u s s e so v e r h e a d ，d i r e c t l yb u 咖n g ，仃c h 肌du t i l i t yt l l n n e l m e t l l o d s t h 锄i tf o c u s e so nd i r e c t l yb u d ，i n gm e t h o d ，c o m p a r e si t st e c h i l i c a l s p e c i f i c a t i o i l s 锄dc o s tw i t l lc o m p e n s a t o r yd i r e c t l yb u r i e dm e m o d ，d i r e c t l yb u 仃酣 c o l di n s t a l i a t i o nw i t l l o u te x p a n s i o nj o i n t ，i n s t a l l a t i o nm e t h o do f n o n c o m p e n s a t i n g p r e h e a t i l l g r e g 砌i n gl o n gs 仃a i g h tp i p e s ，t h ed e s i g nr e p l a c e se l a s t i ca n a l y s i sw i t l l s 订e s sa i l a l y s i sa n du s e sd i r e c t l yb u f r e dc o l di n s t a l l a t i o n 锄dp r e h e a t i n gi n s t a u a t i o n w i t l l o u te x p 锄s i o nj o i n tt 0r 印l a c ec o m p e n s a t o 巧d i r 。c t l yb u e dm e m o d 锄dc 锄c e l s m o s tc o m p e n s a t o r sa n da n c h o rb l o c l 菡t d ，洫gt or e d u c ec o n s t m c t i o nc o s ta n dd u r a t i o n t l l i sw o r kf o c u s e s o n 锄a l y z i n gt h em e m o do fd i r c c t l yb u f f e dc o l di n s t a l l a t i o n w i m o u te x p 弛s i o n j o 缸，m a k e sd e t a i l c d 孤a l y s i so ni t st e c l u l i c a lf e a s i b i l i t ) ，阴d e c o n o m i cb e i l e f i t s 趾dc o m p a r e s d i f f e 嘟l tl a y i i l gm e 廿l o d sf o rv 撕o u sp i p ed i 锄e t e 璐 i ta l s 0e i i l p h 嬲泣e st l l ep r o t e c t i o no fw e a kp i p e a r e a s ，e g ，i ti i l c r e a s e sw a l lm i c h e s s 锄da d d sc o m p 饥s a t o r 锄d 粕c h o r b l o c kt oe l b o w ，tj o i n ta n dv a l v e s hc h o o s e s i n s t a l l a t i o nm e t h o d ，p i p ed i 锄e t c r ；p u m pl i r 锄dd e v e l 叩se c o n o m i c a l 叩e r a t i o n p r o c e s sb a s e do nt h ec a l c u l a t i o no fs 仃e s s ，w a l lt l l i c l ( 1 l e s s ，i n s u l a t i o nt l l i c l ( 1 l e s s 锄d h y d r a u l i cc a l c u l a t i o no f t h eh e a t - s u p p l yn e 眦o r k t h i sd e s i 印p r o v i d e st l l e o r e t i c b a c k g r o u n df 0 ro p e r a t i n gt h en e t w o r ki nv a o u sc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gi n c i d e n t s 1 t a l s oh e l p sm a i n t a i n i n gr e a s o n a b l eb u d g e tt ot h ep r i 哂e c t t h i sw o r kd e s i g n sh e a t s u p p l yn e t w o r ks y s t 锄b ya n a l y z i n gg e oa n ds o c i a l e i l v l r 0 】f l i n e n t ，c o m p a r i n g 锄d 锄a l y z i n gd i 仃e r e i l “a y i n gm e t h o d s 锄dc o n s i d e r i n g d o m e s t i ca n di n t e n l a t i o n a lc u n i n g e d g et e c h n o l o g i e s k e y w o r d s ：h e a t - s u p p l yn e 眦o r k ；o p t i m i z a t i o n ：l a y i n gm e t h o d ；d i r e c t l yb u r i e d u n c o m p e n s a t e d ： 第一章概述 1 1 课题研究背景 第一章概述弟一早僦尬 集中供热系统是城市的重要基础设施，近年来以资源性发展为依托的北方城 市集中供热系统得到了前所未有的发展，供热系统优化设计越来越受到人们的重 视。进行集中供热系统优化研究，对节约工程投资、降低供热能耗、改善供热水 平、提高企业效益等都有着重要的意义。供热管网在供热系统中占有十分重要的 位置，其投资所占比例较高，敷设方式多，发生事故时带来的影响较大。供热管 网的设计及施工质量直接影响到整个供热系统的安全稳定运行。 本课题研究以解决天津市空港物流加工区内各类建筑冬季采暖用热需求为 目的，以区内新建供热管网为研究对象，分析比较供热管网多种敷设方式的适用 条件及其相应投资水平，最终确定优化方案。 1 2 项目的建设背景 天津空港物流加工区作为保税区的扩展区，位于天津滨海国际机场东北侧， 距市中心1 3 k m ，距海港保税区及开发区约3 0 k m ，距首都北京约1 1 0 k m ，具有良 好的区位优势和便捷的交通条件，是一个享有国家级保税区和开发区优惠政策， 具有加工制造、保税仓储、物流配送、科技研发、国际贸易等功能，高度开放的 外向型经济区域。 空港物流加工区注重环境开发和保护，具有国际一流的绿化景观和生态环境。 将成为天津最具活力的新经济区，是滨海新区连接城市中心城区的重要经济功能 区，增强天津整体国际竞争力。 区域总用地面积4 2 k m 2 ，按照天津空港物流加工区的总体规划，空港物流加 工区分为仓储物流区、高新技术工业加工区、商务中介管理服务区和商住生活配 套区等功能区。产业结构以空港物流及其相关高新技术加工制造为主，结合海、 空两港的特点，突出发挥空运优势，并利用天津铁路枢纽、天津港和京津塘、津 滨、唐津高速公路等组成的交通网络，构筑国际一流的信息、技术与产品集散基 地。 第一章概述 空港物流加工区分为两期开发建设，以规划津汕高速公路为界，津汕高速公 路以西为一期建设用地，占地2 3 5 l 锄2 ：津汕高速公路以东、津岐公路延长线以 西为二期建设用地，占地1 8 5 k m 2 。本研究将针对一期用地内的热用户采暖负荷 需求，进行管网设计。 空港物流加工区一期用地己经完成了控制性详细规划，依据天津空港物流 加工区控制性详细规划，一期用地内共设置五个功能分区：保税仓储物流加工 区、高新技术工业加工区、商务中介管理服务区、商住生活餐饮配套区、物流加 工发展区。从目前入区企业的性质来看，大致可以分为三类：天津市工业东移企 业，如市纺织集团的棉纺、毛纺、印染企业；区内招商引资项目：政府开发项目， 如河东区政府开发的河东工业园等。 1 3 区域供热现状 空港物流加工区为新建区域，所有企业均为新进驻企业，区内既没有企业自 有小热源供热，也没有原有集中热源供热。加工区除可利用附近热电厂的部分热 量之外，其余热负荷均需由新建热源供给。区内所有管线均由规划部门统一规划， 热力管网按规划给定位置敷设，全部为新敷设管线。 1 4 项目建设目的及必要性 1 4 1 项目建设的有利条件 空港物流加工区具备发展集中供热的有利条件，加工区建设发展较快，未来 进区企业都具有高新尖的技术、先进的经营方式及经济效益较好等特点，有利于 集中供热事业的发展。集中供热还可以解决分散供热占地多、成本高、污染严重 等诸多弊端。集中供热可以降低加工发展成本提高企业的产品竞争力。 1 4 2 项目建设的目的及意义 要实现城市现代化，首先要实现城市基础设施的现代化，集中供热工程是现 代化城市的重要基础设施之一，发展集中供热对节约能源、改善环境质量、提高 人民生活水平等都具有极其重要的意义，且具有良好的社会效益、环境效益和经 济效益。如果区内不尽快实施集中供热则其内部各用热单位只能利用各种小锅 炉分散供暧或采取其他形式供暧，这势必给各用热单位增加了负担，同时也会增 加物流加工区的污染程发，影响其园区内的面貌，对其发展带来极为不利的影响， 第一章概述 甚至可能阻碍其发展。只有尽快实施集中供热，才能有效地减少环境污染，改善 生产环境，以便更好地吸引外资、招商、引商等，促使天津空港物流加工区逐渐 成为具有国际水平的外向型、现代化产业园区。 1 5 国内外研究现状与进展 环型结构可以提高区域集中供热管网的可靠性，使热网在发生事故时用户所 受的影响达到最小。环型热网的管径不仅要满足正常工况的要求，还要满足在事 故工况下具有一定的备用。保证用户的限额供热条件。区域集中供热管网的优化 设计主要包括热网平面布局的优化、热网管径的优化选择和供热参数的优化。 国外尤其是前苏联和北欧地区进行区域集中供热管网优化的研究较早，其理 论也日趋成熟【2 j 。我国的很多研究都是基于这些国家和地区的研究成果而进行的。 1 5 1 国外 6 0 年代，前苏联就开始用计算机研究多环热网的水力计算【3 1 ，如全苏热工研 究所的h m 3 h h r e p 等人，西伯利亚能源研究所的b 丑x a c h j l e b a 等人发表了不少 计算热网水力工况的论文，提出了模拟供热管网回路流量法和节点分析法，其编 制的软件c o c h a 可以对包含几百个管段、多个热源的多环管网进行水力计算， 可以用于优化供热系统的规划、设计和运行调度。 之后，一些国家开始系统地研究供热优化规划与设计的问题。研究的内容主 要包括系统的可靠性、热源的优化选址和组合、机组的优化配置、热网主干线的 定线以及供热参数包括供水温度、最优比摩阻和热化系数的优选。 上个世纪7 0 年代初，欧洲的很多国家就建成热网的水力工况计算模型，开 始采用计算机对其进行系统的分析。特别是北欧一些集中供热系统发展较好的国 家，大型供热系统已经计算机化，其软件能灵活地应用于优化设计、系统分析和 投资计算，形成了较完备的软件系统，如芬兰e k o n o 能源咨询公司的f l o w e r 软件、丹麦的t e r m i s 软件、瑞典的e n o k 软件以及丹麦的r o r n e t 软件等， 这些软件都是他们从本国实际出发，根据资源情况及供热发展状况而编制的1 4 1 。 区域集中供热系统优化设计方面，以前主要研究方向集中在对枝状管网管径 的优化选择上。在工程设计中，通常按照推荐比摩阻法进行管径的选择，这种方 法虽然简单，但是经济性能不是很好【5 1 。s a b a i b a l ( o v ，n m z i g g e r 等人在1 9 8 9 年建立了包括气象参数、水力参数及建筑物的蓄热特性等参数，对供热系统综合 工作状态进行预测的数学模型，并针对该模型开发了计算软件【6 】。h a 锄o t g p h e t t 印l a c e 提出了一个根据热损失、循环水泵能耗率。以投资费用、热损失费 第一章概述 用、水泵能耗之和最小为目标函数来确定管径的方法，其工作仅限于单一管段， 无法反映用户负荷变化和整个管网的情况7 1 。a k r o p e ，j k r o p e 阐述了不可压缩 流体流动的热力管网管径的优化问题，在热网数学模型基础上，得出非线性目标 函数和不等式水力约束条件，使用拉格朗日乘数法进行了模型的求解，采用现值 法进行费用分析，包括了初投资、运行和维护费用等【8 1 。 1 5 2 国内 我国的区域供热输配系统的研究借鉴了前苏联的一些研究成果，但由于我国 的国情和供热的具体方式等方面与前苏联和欧洲的一些国家不同，因此必须研究 适合我国国情的技术。我国在区域供热管网优化设计方面的研究起步较晚，与国 外相比有一定差距，但近年来有了很大发展。 目前，单热源枝状网的优化设计已经比较成熟，而多热源环型管网的优化设 计相对来说不是很完善。清华大学的蔡启林采用破圈法研究热网平面布置优化， 对于含多圈连通管网图去掉权值大的链支，形成最小树【9 】。李定凯教授将一般供 热系统的优化规划归纳为有容量约束的多地点、多设备、多产品的工厂布置问题， 并成功地采用反向跟踪分支定界的方法对这一问题进行了研究取得了一定的经 济效益和社会效益【i 们。哈尔滨建筑大学的马继勇给出了两种枝状热网平面布置的 优化方法，一种是全部树的方法，适用于小型热网的平面布置，另一种是权生成 树方法，适用于设计人员进行手算】。清华大学的段洁仪对多热源环状热网的优 化设计进行了研究，将管网划分为枝状部分、环状部分、水力汇交点部分，管径 按连续变量处理，分别求三部分管段的经济比摩阻，以各部分管段的经济比摩阻 选择管径，然后圆整到标准公称管径，最终得到近似的最优设训1 2 】。石兆玉教授 孓1 5 】分别运用多中位原理和遗传算法对多热源供热系统的优化选址和优化运行 进行了研究，并对系统的节能控制和运行调节作了深入的研究，这些研究也己在 实践中得到应用。秦绪忠根据经济学中的“木桶效应”，提出了一种基于“均匀 性 原则的设计方法，除此之外，他还对热网水力条件作了优化研究【1 6 1 7 】。其主 要是根据串、并联关系实现管网简化，仅适用于枝状管网，对复杂多热源环状管 网则不适用，管径选择时同样需要根据经济比摩阻取整到标准管径，可能偏离最 优解。哈尔滨工业大学李祥立对大型多热源环状热网设计阶段考虑事故工况限额 供热的全局最优化设计进行了研究f 侣。2 0 】。这些成果为推动我国供热事业进步奠定 了坚实的基础。 我国很多城市的区域集中供热管网已经向多热源、环状发展，传统的设计理 论和方法已经滞后于热网的发展，新建多热源环状热网和由枝状管网改扩建为环 状管网优化设计中需要解决的问题。 4 第一章概述 经过2 0 多年的应用和发展，热水管道直埋敷设在设计、制造、安装、验收 等方面皆有了长足进步，成为我国城市热水管网工程的主要敷设方式之一。 近年来，我国直埋保温管应用技术发展很快，直埋保温管计算理论取得较好 的成果并成功用于指导设计和施工。研究开发了国产预制保温管生产设备和产品， 制定了直埋保温管产品标准和工程施工规范。 1 6 课题的主要研究内容与技术路线 1 6 1 主要研究内容 本论文主要针对空港物流加工区的采暖用热需求以及可利用热源情况，拟定 不同的管网设计方案，通过多方面进行技术论证及经济比较，从而得到最优的管 网设计方案。具体研究内容如下： ( 1 ) 调研空港物流加工区的采暖用热需求并依据调研资料，对该区可利 用热源情况进行分析； ( 2 ) 根据不同用户的需求及区内热源分布情况，结合该区城市规划图进行 供热管网定线设计，并拟定不同的供热管网定线方案； ( 3 ) 对各管网定线方案，从管网敷设方式、安装方式等方面进行技术论证 及经济比较，据此选定最优的结果： ( 4 ) 根据优化结果，制定该区供热管网设计方案。 1 6 2 技术路线 本课题研究方法从整个系统进行分析和验算，包括直管道、弯头、三通、阀 门、补偿器以及配套的固定墩和井室的方案设计。 由于城镇直埋供热管道工程技术规程c j j 厂r 8 l 的其适用范围为d n s 5 0 0 m m 的直埋预制保温管，因此本课题在设计过程中参照了欧洲区域供热预制直埋保 温管道系统的设计与安装e n l 3 9 4 l 。进行管道的强度和疲劳分析。 研究技术路线图见图1 1 。 第一章概述 基础资料收集 - _ _ 。1 1 _ 1 1 。_ 一 0 现状分析：用户需求、可利用 热源及分布 。一”了一一 设计小l 叫的1 共热臀嗍足线万莱 一一t 一一一 ；定线方案比较，选定最优结果 l 二二 一 管网优化 1 一 制定区域供热管网 设计方案 图1 1研究技术路线 6 第二章区域供热管网设计方案的拟定 第二章区域供热管网设计方案的拟定 2 1 供热介质及参数确定原则 ( 1 ) 供热介质 根据城镇供热管网设计规范c j j 3 4 _ - 2 0 1 0 ，输送采暖负荷的供热管网应 采用热水作为供热介质，以最大限度的发挥热源厂经济性，减少热损失，节约投 资便于调节，有利于热网的经济运行。 ( 2 ) 供回水温度 热水管网最佳供回水温度的确定原则是：结合工程具体条件，同时考虑热源 形式、管网敷设方式以及用户室内系统等多方面因素，进行综合比较确定。 目前高温热水直埋保温管的耐温一般不超过1 4 8 ( 长时间) ，因此供水温 度不能过高经过技术经济比较，同时参照国内外工程实践，确定高温热水设计 温度为1 3 0 ，回水温度为7 0 ，设计供回水温差6 0 ，在输送相同热量的情 况下，此供热参数与目前国内其它工程常用的供回水温度1 3 0 8 0 、1 2 0 7 0 、 1 1 5 7 0 的供热参数相比，供回水温差大，热网输送的流量相对小，因此热网所 需管径小、阻力损失小所需循环水泵的耗电少，可大量降低热网一次投资及运 行费用。 2 2 有关设计参数 2 2 1 供热量 ( 1 ) 热指标 天津空港物流加工区内所有建筑均为新建，依据国家节约能源政策、民用 建筑节能设计标准、严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准以及天津市的 气象条件，并结合天津市的实际情况，经综合考虑，加工区内各类建筑热指标取 值如下：【2 i 】 居民住宅： 4 5w m 2 公共建筑： 6 0w m 2 工业厂房： 8 0w m 2 根据各类建筑物所占比例计算综合热指标： 7 0w m 2 第二章区域供热管网设计方案的拟定 ( 2 ) 热负荷 根据研究区域内供热建筑物的建筑面积和采暖综合热指标，按下式进行设计 热负荷计算：f 2 l 】 q n = q n a ( 2 - 1 ) 式中q 。供暖设计总热负荷，w ； a 供热建筑物的建筑面积，m 2 ： q 。建筑物采暖热指标。w m 2 。 本期工程设计供热建筑面积1 2 3 9 7 万m 2 ，采暧热负荷8 6 7 8 m w 。 2 2 2 热源供热参数 供回水温度 热网循环水量 热源出口供水压力 回水压力 供回水压差 2 3 方案拟定的原则 1 3 0 7 0 1 2 4 3 7 t 1 l 1 3 5 m p a o 3 m p a 1 0 5 m p a ( 1 ) 按规划局批准的管道敷设路由进行管道的布置和设计。管网布置力求 走向合理，同时便于管理、调节，尽量减少投资和运行费用。 ( 2 ) 积极采用新技术、新工艺、新设备、新材料，做到技术先进、安全可 靠、环保节能、经济实用。 ( 3 ) 供热系统设计实现热网全自动监控，采用微机监控，有线宽带通讯， 监控系统同时具有数据存储，报警功能。 ( 4 ) 管网敷设尽量减少对城市环境、道路交通和城市景观的影响，热水管 网敷设以直埋敷设为主，架空敷设为辅，尽量做到因地制宜，为施工提供方便， 缩短建设周期，降低工程投资。 ( 5 ) 直埋高温热水管道采用聚氨酯保温，高密度聚乙烯做外护，“三位一体” 的预制直埋保温管。安装方式采用无补偿直埋敷设为主，特殊段采用有补偿直埋 敷设辅助。 ( 6 ) 为节约能源，达到分户计量的要求。一、二级热水管网均采用改变流 量的质调节方式，配置变频泵。 第二章区域供热管网设计方案的拟定 2 4 供热管网敷设方式 目前国内供热管网的敷设方式主要有四种：直埋敷设、架空敷设、地沟敷设 以及综合管沟。其中城市综合管沟有利于城市市政建设的发展，适宜地下管线的 扩建，不影响交通，不破坏城市道路。但城市综合管沟对设计、施工以及日后的 维护管理要求较高，设计应具有综合各类专业知识的能力，要具有超前意识和前 瞻性。工程施工周期较长，施工过程中对城市的交通影响很大。城市综合管沟造 价巨大，日常运行、维修管理工作量大，需要懂得各种专业的维护队伍，如果考 虑不当，其效果不佳，在单一建设城市热网工程中极少采用综合管沟。 其他三种敷设方式的优劣及投资分析如下： ( 1 ) 直埋敷设【2 2 】 热力管网采用地下敷设方式时，相关规范规定应首先采用直埋敷设。直埋敷 设具有如下优点： 工程造价低：据相关部门对部分工程进行统计结果表明：直埋供热管道一般 比地沟敷设工程造价低2 5 。 热损失小：由于直埋管道采用聚氨酯硬质泡沫塑料作保温材料，其导热系数 比其他普通保温材料低得多，保温效果可提高4 8 倍。不同保温材料导热系数对 比见表2 。l 。 表2 1不同保温材料导热系数对比表 w m 聚氨酯硬质泡沫吸水率低，一般小于1 0 ，这是其他保温材料不可比拟的， 低导热率和吸水率加上保温层外面覆盖防水性能好的高密度聚乙烯保护壳，大大 减少了供热管道整体损失。 防腐、绝缘性能好：预制直埋保温管的保温层牢固地粘接在钢管外皮上，阻 止了空气和水的渗入，因为它的发泡孔都是单独封闭互不连通的小圆孔，闭孔率 很高，吸水性很低同时高密度聚乙烯具有良好的防腐、绝缘和机械性能，因此 直埋保温管工作寿命可达3 0 年，比地沟敷设提高寿命3 4 倍。【2 3 】 占地少、施工快、有利于环境保护和减少施工扰民：直埋管道不需要砌筑庞 大的地沟，只需开槽因此大大减少了工程占地，减少土方开挖量约5 0 减少 土建砌筑和混凝土量高达8 0 ，减少外运土量5 0 以上，可以大大缩短施工周 期。同时由于减少了砖、水泥、沙石、余土等的外运从而减少了施工过程中汽 9 第二章区域供热管网设计方案的拟定 车尾气排放量、扬尘量、噪声排放量，有效保护了环境。由于缩短工期，减少了 施工对居民的影响，缩小了施工过程对道路交通的影响。 综上所述：直埋敷设与地沟及架空敷设相比，具有使用寿命长施工周期短、 热损失小、维护工作量小、运行经济等优点，对于新规划的开发区来说，景观要 求是很严格的，因此大部分开发区都采用直埋敷设方式，虽然其造价比架空敷设 方式要高，但运行管理方便，维修工作量小，直埋敷设是热水管网的第一首选敷 设方式。 ( 2 ) 架空敷设 架空敷设施工周期短，保温结构比较简单、维护管理方便，由于采用现场保 温形式，管网一次性投资较低，但架空敷设保温性能较差，热损失较高，在道路 两侧架空敷设，影响城市美观，在过路和门口处仍需直埋敷设。架空布置管道适 宜工厂区内的管道敷设，或者不影响美观的地区，在城市热网的建设中已经很少 采用。 ( 3 ) 地沟敷设 管沟敷设方式能满足规划要求，不影响美观，但是影响了横穿地沟方向地下 管网的正常敷设，防腐、保温性较差，热损失比较高，尤其是对于沿海地区，地 下水位较高，地沟容易积水，管网维护量大，运行成本高，施工周期长，影响交 通，工程造价较高。 2 5 各种敷设方式投资比较 三种敷设方式造价对比见表2 2 。 1 0 第二章区域供热管网设计方案的拟定 表2 2管道敷设造价对比表万元k m 通过计算发现，在相同性能效果的前提下，地沟敷设方式中因修建砼沟而增 加了大量的工程量，其工程造价最高，施工周期也是最长。架空敷设方式的工程 造价最低施工周期也是最短，但是其占用地上空间资源，并影响沿途道路景观， 一股城市规划部门从全局考虑禁止该方式实施。直埋敷设方式的工程造价和工期 均居中，其综合优势最为明显。 综合各种敷设方式的特点及工程造价，结合国家相关设计规范，对于热水管 道在条件许可的情况下，应首先选择直埋敷设方式。 2 6 管网布置方案 供热管网结合负荷分布情况进行布置。由热源厂引出d n l 2 0 0 热水主管网向 南敷设至纬七路，沿纬七路向西敷设至经四路，并在经四路预留d n l o o o 二期热 水主管网。一期热水主管网在经四路变径为d n l 0 0 0 ，沿经四路向南敷设至纬八 路，沿纬八路向西敷设至中心大道，继续沿中心大道向西北敷设至中环路，在中 环南路分成东西两路主干线。 东线高温热水管网：d n 6 0 0 主管网沿中环东路继续向北敷设至东二道沿 途供各热用户。 第二章区域供热管网设计方案的拟定 西线高温热水管网：d n 7 0 0 主管网沿中环东路继续向北敷设，与军粮城热 电厂敷设d n 8 0 0 管线相连，向北敷设至东二道，与东线主干网相接，沿途供隔 热用户。 军粮城热源和区域内自建热源供热管网在中环东路形成联网，东西两路主干 线在东二道形成环网，确保用户用热安全可靠。 直埋管槽横断面图见图2 1 ，管槽断面尺寸见表2 3 。 o + o 图2 1 直埋管道横断面图 表2 3 直埋管槽断面尺寸表单位：m m 公称 钢管规格 外套管规格 保温 亩径 外径壁厚 外径壁厚 厚度 a blh 1 5 01 5 94 5 2 5 05 4 0 5 5 0 0 2 5 01 0 5 0 6 5 0 2 0 02 1 96 3 1 55 4 3 5 7 02 5 511 8 5 7 1 5 2 5 02 7 36 3 6 56 4 0 6 2 02 5 51 2 8 5 7 6 5 3 0 03 2 57 4 2 07 4 0 5 6 7 02 5 01 3 9 0 8 2 0 3 5 03 7 7 75 0 08 5 3 5 7 5 02 5 01 5 5 0 9 0 0 4 0 04 2 6 85 5 09 5 3 8 0 02 5 01 6 5 0 9 5 0 4 5 04 7 8 86 0 09 5 2 8 5 02 5 01 7 5 0 1 0 0 0 5 0 05 2 9 96 5 51 0 5 3 9 1 02 5 51 8 6 5 1 0 5 5 6 0 0 6 3 01 07 6 0 1 2 5 3 1 0 1 02 5 02 0 7 0 1 1 6 0 7 0 07 2 91 08 5 01 2 5 3 l 1 0 02 5 02 2 6 0 1 2 5 0 8 0 08 2 01 09 6 01 4 5 3 1 2 5 52 9 52 4 7 0 1 3 6 0 9 0 0 9 2 0l o1 0 5 41 4 5 3 1 3 5 53 0 l 2 6 6 4 1 4 5 4 1 0 0 01 0 2 01 21 1 5 5 1 5 5 2 5 1 4 5 53 0 0 2 8 6 0 1 5 5 5 1 2 0 0 1 2 2 01 41 3 7 01 7 5 8 5 1 7 2 03 5 03 3 9 0 1 7 7 0 热水管网布置图详见图2 2 。 1 3 第j 二章区域供热管网设计方案的拟定 图2 2 热水管网布置图 1 4 第三章供热管网设计方案的计算与分析 第三章供热管网设计方案的计算与分析 3 1 供热管网设计及计算方法 3 1 1 热力网型式选择 集中供热系统是由热源、热网和热用户组成。必须选择与热用户要求相适宜 的供热系统形式及其管网与热用户的连接方式。根据供热管道的不同，可分为单 管制、双管制和多管制的供热系统。热水供热系统主要采用两种型式：闭式系统 和开式系统。其中闭式系统中，循环水仅作为热媒，供给热用户热量。在我国， 由于热水供应热负荷很小，城市供热系统主要是闭式热水供热系统，开式供应系 统没有得到应用。【2 4 】 。 与开式供应系统相比，闭式供应系统具有如下优点： 闭式热水供热系统的网路补水量少。在运行中闭式热水供热系统容易检测网 路系统的严密程度。 在闭式热水供热系统中，网路循环水通过表面式热交换器将城市上水加热， 热水供应用水的水质与城市上水水质相同且稳定。 综上所述，本项目的供热管网以高温热水作为热媒，采用双管闭式循环系统。 3 1 2 热网布置原则及最大供热半径 ( 1 ) 热网布置原则【2 5 矧 1 ) 热网建设应满足城市建设及热负荷发展需要，热力管网的建设应尽量与 规划路、道路的改造以及其它市政管线的建设同步实施； 2 ) 热网走向尽可能靠近热负荷密集区； 3 ) 热网布置力求短直，平行于道路，靠近人行道或慢车道的外侧，尽可能 不跨越或减少跨越城市主干道和繁华地段，不影响城市整体布局； 4 ) 高温热水管道采用无补偿直埋敷设为主。 5 ) 管网设计一次到位，按负荷发展情况有组织、有计划、有重点，分期、 分步实施。主干管网之间尽可能实现连通，条件成熟时考虑与相邻供热区 域的热水网实现联网运行，以提高热网运行的安全可靠性。 ( 2 ) 最大供热半径 第三章供热管网设计方案的计算与分析 本期工程东线高温热水网的最大供热半径为8 4 l ( r r i ，最远供热距离至西四道 为1 1 4 k m 。西线高温水管网的最大供热半径为7 o k m ，最远供热距离至汽车城为 9 4 k m 。 3 1 3 敷设方式 前面已经论述过目前国内四种主要敷设方式：直埋敷设、架空敷设、地沟敷 设以及城市综合管沟的特点，经过技术经济综合比较，本项目热网的敷设采用直 埋敷设为主，有条件地区可以考虑架空敷设。对于特殊节点，进行特殊设计。 对于热水直埋管网，应减少补偿器的设置，以便减少泄漏点、减少地下氯离 子对波纹管补偿器造成的腐蚀，减少事故隐患，同时减少固定墩的数量，节省投 资节省占地和施工周期，有利于城市其它地下管线的敷设。本项目对于高温热 水管网采用无补偿直埋敷设方式为主，配合有补偿直埋敷设方式。 对直埋保温管的要求：热水预制直埋保温管道必须做到“三位一体”的结构 形式，同时热水管道直埋敷设时，四周必须有足够的土壤对管道形成束缚，以防 管道竖向和侧向失稳，对管网造成破坏。特别注意当与热网管道平行敷设的其它 市政管线施工开槽时，必须提醒热力管道主管部门，降压运行，同时对热力网两 侧采取保护措施，以防热力管道侧向失稳，对管网造成破坏。 3 2 计算研究过程及主要结果 通过热网的应力、壁厚、保温厚度及水力计算，合理选择热网的安装方式， 确定管径及热网循环水泵扬程，指导经济运行，为管网在不同工况条件和事故状 态下，提供运行方案的理论依据，同时使工程投资经济合理。 3 2 1 计算参数 设计供回水温度： 热源围墙外l m 供水压力： 回水压力： 静水压力： 3 2 2 水力计算 1 3 0 7 0 ： 1 3 5 m p a ： ( 循环水泵出口压力1 5 m p a ) 0 3 0 m p a ： o 3 0 m p a 热水管道水力计算的主要技术参数如下： 热水管道壁绝对粗糙度：l ( d = o 5 m m 第三章供热管网设计方案的计算与分析 供回水流量按下式计算：【2 7 】 g = 3 6 【q c ( t g t h ) 】1 0 3 ( 3 1 ) 式中： g 一供回水设计流量， t h q _ 设计热负荷， m w c 一水的比热，k j ( k - ) t g 、“一供、回水设计温度， 本项目设计热负荷为8 6 7 8 m w ，代入流量计算公式后，流量为1 2 4 万t i l 。 管网阻力损失计算： p 荫= ( 1 一a ) r l 1 0 - 3 l ( p a- 2 ) 式中：l 卜管道比摩阻，p a m ；主管网沿程阻力损失按经济比摩阻控制 在3 0 7 0 p 如：分支管线根据压头损失确定管径，但供热介质流速不应大于3 5 m s ， 支干线比摩阻控制在3 0 0 p a m 以内。 l 一管道平面长度m ； a 一局部阻力损失与沿程阻力损失比值，干管0 2 o 3 ：分支管0 4 0 5 ： 根据以上条件，以冬季最大热负荷作为设计热负荷，输入程序，进行管网管 径及阻力损失计算。 水力计算结果如下： 东线： 最远供热距离： 管网最大管径： 热网总长： 阻力损失： 西线： 最远供热距离： 管网最大管径： 热网总长： 阻力损失： 1 1 4 k m ： d n 6 0 0 ： 3 2 6 k m ： 3 9 5 p a ： 9 4 k m ： d n 7 0 0 ： 4 0 5 k m ： 4 7 9 p a ； 3 2 3 热网循环水泵参数 根据热网水力计算结果，确定热网循环水泵的流量及扬程。 循环水泵的总流量为管网设计总流量，循环水泵的扬程应为热源厂内的阻力 损失、热网总阻力损失及最不利环路末端热用户阻力损失之和。热源厂阻力损失 ( 包括院内管网) 按0 1 5 m p a 计算，热网及热用户阻力损失之和为1 0 0 m p a 。 第三章供热管网设计方案的计算与分析 热网循环水泵的总流量为1 3 6 8 l t 1 1 ( 考虑l o 裕量) ，扬程为1 2 0 m p a 。要 求热网循环水泵采用变速泵，以满足热网在不同室外温度下的调节流量运行。水 泵吸入口的压力0 3 m p a ，进水温度7 0 。 3 2 4 用户与热网的连接方式 由于本项目供热范围广，供热距离长，管网运行压力高，高达1 5 m p a ，远 大于用户散热器的承压能力，考虑系统运行安全、可靠、方便调节、易于管理， 适宜扩建，因此用户与热网采用间接连接方式。 3 2 5 供热调节方式 根据热源的建设规模以及供热方式，热网的调节方式如下： 一级管网采用量质调为主。根据室外温度以及用户用热需求的变化和最不 利点的压差以及二级网的供回水平均温度，通过调节热网循环水泵的转速来调节 一级管网的循环水流量，通过控制锅炉出水温度来改变一级网供回水温度满足 区域采暖用热需要。 3 2 6 大口径直埋供热管道的结构形式 工作钢管、保温层、外防护层这三部分应为紧密地粘合在一起的整体结构， 即保温管道在承受持续外载、内压和温度应力时，这三者应牢固地结合在一起， 不允许发生保温材料与工作钢管之间的脱层，也不允许聚氨酯与外保护层之间脱 壳，否则以下采用的设计方法将不适用。 大口径预制直埋保温管的保温层和外护管的制造工艺和加工方法与管网运 行参数、敷设方法有着极其重要的联系，尤其是对大口径直埋保温管道无补偿敷 设而言，外护层及保温层应具有承受高轴向拉压应力的强度。本课题将对大口径 高温热水直埋管道的保温结构形式进行重点研究和论证，以确保供热面积 1 2 4 0 万m 2 的超大型热网的安全、可靠运行，避免主管网发生结构性破坏。 3 2 7 直埋供热管道敷设原理 城镇直埋供热管道工程技术规程( c j j t 8 1 ) ( 以下简称“规程”) 中规 定直埋敷设预制直埋保温管的应力验算采用应力分类法。【2 8 】 关于应力的分类在火力发电厂汽水管道应力计算技术规定( s d j 6 ) 有 明确的规定，管道受到的应力分为一次应力、二次应力和峰值应力。【2 9 】 第三章供热管网设计方案的计算与分析 一次应力是由于管道在介质内压、自重、介质重等持续荷载作用下而产生的 虚力，如内压环向应力等。二次应力是指由于管道变形受到约束而产生的应力。 其特点是：它不直接与外力平衡，具有自限性。当管道局部发生屈曲和产生小量 变形时，其应力水平就能降低下来，如温升产生的轴向压应力、温降产生的轴向 拉应力。峰值应力指承受一次应力和二次应力的直管段向结构不连续的管件如三 通、异径管、折角、弯管等处释放变形，在该管件的开口周围产生的应力。 按照应力分类的观点，不同的荷载所产生的应力可导致不同的管件出现不同 的失效方式。应采用不同的分析方法。 对一次应力采用弹性理论，即极限分析：对一次应力和二次应力共同作用下 的应力采用弹塑性理论即安定性分析理论；对一次应力、二次应力、峰值应力共 同作用下的应力进行疲劳分析。 所谓的安定性是指结构不发生循环塑性变形，管道在有限量塑性变形后，在 留有残余应力的状态下，仍能安定在弹性状态。由于管道热胀冷缩变形受约束而 产生的应力属于二次应力，当部分材料超过屈服极限时，产生了小量的塑性变形， 变形协调得到满足、变形就不再继续发展，它具有自限性。因此一般认为若采用 安定性分析，在直埋管道强度设计中，通过控制温度应力，对于运行温度为8 5 1 5 0 的直埋热网，在冷态安装下锚固状态的直管道已满足强度条件，预热和使 用一次性补偿器是没有任何必要的，与传统的设置补偿器相比较，称这种安装方 式为无补偿方式。 多数设计人员往往将对温度应力的安定性分析看成是直埋管道设计中唯一 的强度条件，没有从管道系统失效的角度认识应力分类法的实质。我们应该看到， 温度应力导致的直管破坏并不是管网的主要失效方式，在管网中还存在着多种失 效方式，各种失效方式起因是不同的，产生的部位也是不同的，而疲劳破坏恰恰 是最主要的破坏形式。因此仅仅对温度应力进行安定性分析是远远不够的。管网 的设计要从整个系统进行分析和验算，不能单独从直管道是否采用补偿这单一概 念去理解热网的敷设问题，而要从热网系统的构造、保温管结构形式与产品质量、 施工安装全方面考虑，才能确保热网投资经济和运行安全。 此外对于大口径直埋保温管，如果按照一次应力的极限分析计算管径壁厚 往往不满足局部稳定性分析的要求，需要增大壁厚或采