城市集中供熱優(yōu)化設計分析

周鵬

中國市政工程東北設計研究總院有限公司，中國·吉林 長春 130021

1 引言

隨著經濟的發(fā)展以及城市化進程的推進，對于能源的需求愈加突出，能源緊張以及環(huán)境污染給我們日常生活帶來諸多煩惱。尋求高效、合理及環(huán)保的能源結構，減少煤炭等一次能源使用，逐漸取締分散小鍋爐，大力發(fā)展集中供熱事業(yè)是解決目前中國北方地區(qū)能源緊張最有效方法之一。為節(jié)約能源減少污染，需對集中供熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設計分析，從設計角度提高系統(tǒng)的運行效率，達到節(jié)能減排目的[1]。

2 “集中供熱”發(fā)展歷程

集中供熱始于18世紀70年代，紐約建成了世界上第一個區(qū)域鍋爐房向附近的14 家用戶供熱，這是集中供熱的雛形。20世紀80年代以前中國的供熱方式都采用分散式，90年代后期國家開始關注集中供熱事業(yè)。隨著國家對供熱事業(yè)的關注，政府針對供熱行業(yè)頒布了一系列政策，供熱方式也由原來的分散式逐漸變?yōu)榧惺健?/p>

20世紀70年代到90年代迎來了供熱事業(yè)發(fā)展的重要時期，以熱電聯(lián)產為主的城市集中供熱行業(yè)不斷發(fā)展壯大。1986年，中國國務院發(fā)布《關于加強城市集中供熱管理工作的報告》充分肯定了熱電聯(lián)產是節(jié)約能源、減少環(huán)境污染的有效途徑，從政策、資金、環(huán)保等方面給予大力支持，確定了發(fā)展熱電聯(lián)產集中供熱的大方向，為集中供熱在全國范圍推廣奠定基礎。

3 “集中供熱”系統(tǒng)優(yōu)勢分析

集中供熱由集中熱源所產生的蒸汽、熱水，通過管網供給一個城市 （鎮(zhèn)）或部分區(qū)域生產、采暖和生活所需的熱量的方式。集中供熱是現代化城市基礎設施之一，也是城市公用事業(yè)的一項重要設施。集中供熱相比于分散小鍋爐房供熱具有以下優(yōu)勢[2]。

3.1 提高能源利用效率

傳統(tǒng)分散小鍋爐由于人員結構不同、技術水平有限、環(huán)保意識不強導致燃燒不徹底，煤炭沒有完全燃燒，實際熱效率只有50%、大型凝汽式機組的發(fā)電熱效率一般不超過40%、分散的小型燒煤鍋爐熱效率只有50%～60%、而集中供熱熱電聯(lián)產綜合熱效率可達到85%左右。

3.2 提高供熱品質

集中供熱系統(tǒng)引入了智能化監(jiān)管設備，能檢測出管網及換熱站的運行狀況，提前預知設備故障，減少事故發(fā)生率。自動化設備的引進實現了遠程控制，數據實時上傳，根據熱網供回水溫度及時調節(jié)鍋爐燃煤進度，保證溫度控制在合理范圍內。

3.3 減少大氣污染

小型分散鍋爐房雖然也能達到供熱的效果，但由于沒有氣體處理設施，給環(huán)境帶來巨大SO2、NOx等污染氣體排放，破壞生態(tài)環(huán)境。然而集中供熱的實施，安裝了高煙囪和氣體凈化裝置，且排放的煙氣數據達到了實時上傳，確保排放氣體質量在可控范圍之內，減少大氣污染，有力保障了采暖季空氣質量。

3.4 節(jié)約土地資源

集中供熱熱源在城市的郊區(qū)規(guī)劃及布局相對合理，用戶不用建設分散小鍋爐房、煤場等熱源設施。對于企業(yè)來說，可以減少人力、物力、財力的投入，不用專人進行經營管理；對于城市來說，可以改善市容市貌、節(jié)約城市資源以及城市居住環(huán)境。

4 管網優(yōu)化策略

4.1 管網連接方式

在大型集中供熱管網中由于用戶的多樣性，若以某一既定熱媒參數下運行熱網，顯然是行不通的。為了滿足多樣化熱網需求，選擇合理的連接方式是方案能否取得經濟效益、社會效益及環(huán)境效益的重要前提。為了提供連續(xù)不間斷的供熱服務，要采用間接連接方式，具體形式是在小區(qū)設置二次換熱裝置既水—水換熱站與用戶進行連接，這樣每個用戶是相對獨立的，當某個小區(qū)出現故障，檢查和維修起來較為方便，能在短時間內進行修復，保證供熱質量。

4.2 管網敷設方式

熱力管網敷設方式有架空、直埋、地溝三種方式。

4.2.1 架空

架空敷設是通過支墩、墻、柱體等支撐結構將管道安裝在此支撐結構上面的一種敷設方式，架空敷設占地面積大、熱損耗大、保溫層易損壞、影響城市美觀等缺點。

4.2.2 直埋

直埋敷設是將供熱管道直接埋于土壤的敷設方式，通過對比分析發(fā)現直埋敷設方式更適合現代化城市發(fā)展需求，直埋具有占地面積小、熱損失小、施工時間短、不影響城市美觀、使用時間長等優(yōu)點。

4.2.3 地溝

地溝是地下敷設管道的圍護構筑物，地溝敷設需要開挖溝槽后砌磚增加工程量，若地溝出現積水管道長時間浸泡會出現腐蝕減少管道使用壽命[3]。

4.3 管網保溫材料

保溫材料作為供熱管道重要組成部分，不僅能延長管道的使用壽命，而且可以減少管道熱損失。傳統(tǒng)保溫材料以巖棉為主，由于巖棉質地較軟使用過程中管道上部作用力大易發(fā)生沉降，保溫材料和鋼管之間產生縫隙，空氣從縫隙通過與鋼管外壁發(fā)生對流現象，導致熱量損耗。與巖棉相比聚氨酯保溫材料具有硬度大、熱工性能好、防潮防水、耐高溫等特點。經檢測聚氨酯導熱系數為0.021，巖棉的導熱系數為0.05，相同的管道單位時間內巖棉散熱量將是聚氨酯的2 倍以上。同時，實驗證明聚氨酯具有良好的抗腐蝕性和抗?jié)B透能力，可以延長管網的使用壽命。

5 運行優(yōu)化策略

5.1 運行優(yōu)化設計

集中供熱管網在運行過程中存在能源的浪費與消耗，導致實際供熱效率達不到理想值，其主要原因是由于集中供熱管網運行方式落伍造成的。在當代科學技術發(fā)展下，計算機技術已經深入各行各業(yè)，計算機技術與集中供熱相結合是未來智慧供熱發(fā)展的主要方向。在城市集中供熱的運行過程中，熱量的消耗與損失是不可避免的，但物聯(lián)網時代會讓事故發(fā)生率降低，讓搶修時間大大縮短，進而降低熱損耗。計算機技術的應用不但會節(jié)約人力成本，而且數據及時采集上傳，并能對數據進行分析，便于工作人員了解整個熱網的運行情況，分析預判事故，達到智能化控制。

5.2 優(yōu)化供熱管網直徑

集中供熱系統(tǒng)由熱源、熱網、換熱站、熱用戶幾個部分組成，而熱網是連接熱源與熱用戶的橋梁，是影響管網系統(tǒng)能耗、供熱效果、工程投資的關鍵因素。管網設計過程中應秉承科學、合理、節(jié)約的設計理念，運用先進水力計算軟件START 進行模擬分析，降低管道的供熱半徑、控制建設成本。同時，在管網設計時應該盡量減少閥門的數量，降低城市集中供熱管網阻力，避免由于設計不合理而導致管道局部阻力損失過大[4]。

在設計管網布局時，以城市需求為基礎，以城市供熱專項規(guī)劃為設計依據，以熱負荷分布圖為走向，主管網沿熱負荷集中區(qū)域敷設。同時，在實際管網布局規(guī)劃設計時，應在充分把握經濟效益的前提下，做好長遠規(guī)劃，保證供熱管網布局合理性與科學性，滿足未來熱負荷發(fā)展需求。

6 結語

集中供熱是中國現階段最為重要的供暖方式，越來越被廣大居民所接受。集中供熱系統(tǒng)不僅節(jié)約能源、提高管網的運行效率，且供熱質量高。在城市快速發(fā)展的經濟環(huán)境下，對于供暖行業(yè)提出了全方位、多角度的要求，為滿足城市化發(fā)展需求，應不斷對集中供熱系統(tǒng)進行優(yōu)化，促進供暖事業(yè)向節(jié)能、環(huán)保、高效方向發(fā)展。