兵团农三师博塔伊拉克镇供热工程供热分析

兵团农三师博塔伊拉克镇供热工程供热分析

1热设计问题的提出2003年至2004年，第一批集体培训部队进行了基础设施基础设施建设。兵团农三师四十五团博塔伊拉克镇就是其中之一。本工程为该镇基础设施建设内容的一个部分。博塔伊拉克镇(四十五团团部)地处塔里木盆地西缘,位于麦盖提县城东北47km处。镇区供暖期室外平均气温—2.1℃,室外供暖设计温度为-10℃,供暖期总时间为117d。镇区最大冻土深度为69cm,土壤属粉砂和亚砂土结构,地下水位在1.5～2m范围内。在本工程实施前,镇区的供热状况是:1)镇区内各类建筑的总建筑面积约为25万m2,由原有锅炉供暖的建筑供暖面积约为8万m2,锅炉集中供暖的供暖面积比率较低;2)镇区内原有2个锅炉房,共有4台锅炉,分别为4.2MW热水锅炉1台、2.8MW热水锅炉2台、1.4MW热水锅炉1台;3)镇区内原有热力管网为两个互不相连的系统,共约4.6km,最大管径DN200,最小管径DN70,小部分管道为地沟敷设,大部分管道为架空敷设,保温材料为岩棉管壳外裹玻璃丝布刷漆。镇区在这种供热状况下存在并亟待解决的问题:1)锅炉容量较小,热效率低,烟囱分散且低矮,污染较大;2)架空敷设既不美观,管网热损耗又大;3)管道保温层及保护层破损严重,保温效果恶化,增加了管网热损耗,严重影响了供热效果;4)没有进行合理的管网水力计算,尽管每个系统并不大,但系统的热力失调现象非常严重,冷、热不均的情况非常普遍。由上述问题可见,镇区的供热管网必须重新设计,计算全镇各热用户的热负荷,据此统一布置镇区新的供热管网,从根本上彻底解决原管网的各种问题。2003年7月,笔者所在设计研究院接受农三师四十五团委托,承担了该镇集中供热热力管网工程的施工图设计任务。针对镇区的供暖特点,重新合理布置了热力管线,并依此进行水力计算及图纸设计,保留了小部分原有管线,更新并重新设计了大部分热力管线。2004年7月中旬完成设计任务并交付施工,工程在11月中旬完工并投入运行。经过两个供暖期的运行,供热效果良好,建设方非常满意。2设计方案2.1项目的主要困难2.1.1热用户的构成博塔伊拉克镇的镇区东西长约1430m,南北宽约1050m。新锅炉房设在镇区正北边部,最远的热用户为镇区西南角处的民兵集训楼和学生公寓,与锅炉房之间的供热管线长度近2km,为新热网系统的最不利环路,则最大供热半径为2km。镇区的热用户主要分为楼房和平房两类,均为居住和公共建筑等民用建筑。其中楼房的数量不多,且分散于镇区的南部,距锅炉房较远,离锅炉房最近的是几个平房居住小区。镇区热用户的分布导致热负荷较为分散,且较大热负荷的热用户都离热源较远,使整个热网系统的水力平衡相当困难。2.1.2供热面积规划据统计,现有的平房住宅中将由集中供热系统供暖的约2.5万m2,约占总供暖面积(新供热系统建成后约有13万m2)的19%;到2008年(近期规划)可能增加到4万m2,约占总供暖面积(近期规划约为23万m2)的17%。这些平房住宅大多分布在镇区北部和东北部,距锅炉房较近。2.1.3空置的原因分析该镇的地下水位较高,是原热网管道大多采用架空敷设的主要原因。但此次初步设计方案中确定采用直埋敷设方式,并获批准。这使本设计既要采用直埋敷设方式,还要适应高地下水位的限制。2.2工程方案的选择2.2.1管网的局部同程式布置管网为枝状布置,管道以异程式布置为主、同程式布置为辅。具体布置方案是:1)热力管网的主干线分为东、西两条,采用异程式枝状布置;2)热力管网的支干线和支线大部分采用异程式枝状布置,但加工厂住宅区、沁园小区、朝阳小区等3个平房居住小区和平行列于西主干线两侧的10余栋住宅建筑,无论怎么调换管径都无法取得平衡,且不平衡率大于50%,故这4处采用了局部同程式布置,以利于管网的平衡。经过详细计算后设置适当的管段、管径及阀件,整个热力管网基本达到平衡。只有个别节点处因需预留发展裕量而导致不平衡率较大,故决定在该节点处设置调节阀,消除管网的剩余压头,并进行适当的调节使管网达到平衡。2.2.2热指标及经验修正计算公式由于无法按镇区各建筑物的用途分类统计各种建筑供暖面积,因此只把建筑物分为楼房和平房两类来统计。针对各地不同的气候条件,通常以乌鲁木齐市的楼房经验综合热指标为基准数值来修正计算当地的楼房综合热指标(该经验综合热指标及经验修正计算公式为乌鲁木齐热力公司与设计院有关专家多年协力实测、计算所得)。综合热指标Qx经验修正计算公式为式中为乌鲁木齐地区的供暖经验综合热指标,取75W/m2;tn为室内温度,取18℃,tw为当地的室外供暖计算温度,取-11℃:为乌鲁木齐地区的供暖计算温度,为-22℃。经计算,Qz为54W/m2。因平房与楼房的单位面积耗热量相差较大,所以平房建筑另选一个综合热指标,单独计算各类用途和结构的平房的热负荷总量。同时,由于集中供暖的平房中,居民用房占了绝大多数,故选择了镇内较典型的一套平房住宅进行耗热量计算,并求出其单位面积耗热量,然后以此为依据确定出当地平房建筑的综合热指标,设计时取95W/m2。2.2.3热负荷的预处理在确定管径时,除了统计现有的建筑供暖面积外,还要根据该镇的规划及初步设计方案预留一定的裕量。这样确定的管径在现有热负荷下是偏大的,比摩阻较小。但考虑到供热管道使用的长期性,这样可以避免将来频繁地改造和更新管网,是必要的,也是合理的。2.2.4供、回管段压降本工程热网由锅炉房引出后分为东、西2个主环路,在这2个主环路上共接出34个支环路,其中有4个较大的支环路采用同程式接法,其供、回水接口不在同一点上。因此必须分别计算这几处供回水管段的压降,确定其对比压降时也必须对供、回水管段分别选定节点统计,计算难度较大,但较易达到平衡,基本不用考虑阀门调节。相比较而言,采用异程式接法支环路的压降计算可以将供、回水管段合在一起,比较快捷,对比压降的确定较为容易,但不易达到平衡,为了减少调节阀的使用,常需把一个管段分为两种管径,利用不同比摩阻求得一个较理想的不平衡率。这虽然难度不大,却增大了反复验算的计算量。2.2.5保温层的制作本工程热网管道的保温材料均采用硬质聚氨酯泡沫塑料,它具有良好的保温效果,还具有一定的抗压强度和抗水性。它的技术性能参数如下:平均孔径≤0.5mm,闭孔率≥88%,密度为60～80kg/m3,抗压强度≥0.3MPa,导热系数≤0.033W/(m.K)(50℃时),耐温极限为120℃。热网管道保温层的外保护壳采用高密聚乙烯套筒保护壳,其强度高、耐久性好,既具有防水性,又具有抗腐蚀性,能够适应该镇特殊的地质条件,具有较长的使用寿命。为了保证保温层的制作质量,避免厚薄不匀、气泡空腔等现象,本工程选用的直埋管道均采用预制成品保温管。由于管道保温层及其外保护壳具有防水及防腐功能,不需再顾虑当地较高的地下水位对管道的侵蚀威胁,解决了在较高地下水位的条件下采用直埋敷设方式这一难题。2.2.6保温层的利用通过水力计算,原有管网中共有1162mDN80～DN200的管道可以利用。经实地调查,这些管段原为地沟敷设,管沟及管道尚可利用,只是保温层不能再用,只需重做保温层。原岩棉管壳保温层全部拆除,换用复合硅酸盐涂料。由于这段地沟所处地势较高,沟中无地下水渗入,故新保温层外不作特殊的防水处理,只要求把涂料外表面收光即可。3小区内各支管平衡的情况新的热网系统于2004年11月投入运行,至今已经历3个供暖期,运行基本正常,运行效果也基本与设计相符合。笔者在供暖期系统运行期间有针对性地查访了几户较典型的热用户,除一户平房外,其他各户的供热情况都较均衡,室内温度均在18～22℃之间,没有出现因室温过高而开窗的现象。笔者详细调查、研究了这户平房及其周围几户平房的情况,发现只有两户与这户情况相似。究其原因,该小区内既有平房又有楼房,管道采用的是异程布置方式,这几户均处于小区支管的末端,而这条支管为了与邻近的预留发展片区的支管平衡,管径取得较小,阀门用的也是阻力较大的截止阀,但目前预留发展片区内的热用户太少,只有该区规划总量的约1/2,故局部的管道实际不平衡率比计算值大得多,尽管已在预留发展片区的支管上装了调节阀,但调节效果不理想。经研究、核算,将该支管上原设计的阻力值较大的截止阀换为阻力值较小的闸阀,同时尽量调小了预留发展片区支管上的调节阀,这使那几户平房的供热情况大为改善。据事后跟踪了解,这几户在正常供暖期中室温均达到了18℃以上,只有在冬季最冷的几天里室温在15～17℃之间。建设方及这几户居民对运行效果感到满意。4结论4.1热平衡总体经济性、技术性较好在主干管上布置支干管时,主要按异程系统布置;在支干管上布置支管和入户管时,则应根据实际情况,在适当处合理采用同程布置,这样做增加的管道不长,但热平衡效果显著,可省去大量的调节阀和平衡阀,并可简化运行管理程序,不必进行大量的阀门调节操作,减少了阀门的日常维修及更换的工作量及费用,水耗量也明显减少,故其总体经济性、技术性较好。4.2通过同程式来实现小区管网平衡平房小区的负荷量小且分散,支管线相对较长,入户管及户内管线相对较短,如采用异程式系统布置,利用管径变化来得到小区管网的平衡几乎是不可能的,即使用调节阀,对有些不平衡率很大的用户节点,也很难调到理想的平衡状态;相对于此,同程式系统则可以做到几乎不用调节阀就能使小区管网达到平衡。因此,在小区支干管增加量不大,总体工程投资额不超出规定限额的情况下,应采用这种系统。4.3局部同程式布置这种小区的范围通常比平房小区大得多,因此小区支干管的管线较长。如采用同程式系统,工程投资额较高;而采用异程式系统,由于各楼内的室内管线较长,可通过调整入户管径及户内主干管管径使小区管网基本达到平衡,通常只有个别用户节点需加设调节阀平衡。但对一些特例的热用户也可在大的异程式系统中采取局部同程式布置方案,以达到平衡。不过,这种情况的水力计算较为复杂,不平衡率的对比压降较难确定,设计难度较大。4.4高层建筑社区的管网通常只使用不同的编程系统高层建筑的室内系统较大且复杂,通过调整管径较易达到平衡,故可只采用异程式系统。4.5当平房数量较大时，应通过综合热指数进行计算，并将平房和平房进行估计经测算,平房的单位面积耗热量通常为楼房的1.6～2.0倍。所以当集中供暖的平房数量较大时,要对平房建筑另定一个综合热指标。4.6建筑结构材料和管道采用新型材料来进行热网平衡据实地了解,许多地方的热网都存在不同程度的热力失衡情况。由于节能意识的淡薄,相关的运行管理人员基本不去考虑如何改造热网以达到热力平衡,而是一味地加大系统循环流量和提高供水温度,以使最不利的热用户达到最低供暖需求。在这种情况下,大量的富裕热量被那些相对有利的热用户因房间过热而白白浪费掉,由此造成的热损失量巨大却又无法统计。在国家大力倡导节能的今天,杜绝这种既浪费能源又污染环境的现象的最好方法就是对热网进行平衡设计和改造。因此,热网热力平衡的节能效果并不亚于建筑围护结构方面应用