近年來(lái)，隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)企業(yè)對(duì)蒸汽的需求也在不斷攀升。由于能源綜合利用率高以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱已成為我國(guó)區(qū)域性供熱的重要發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)長(zhǎng)距離管網(wǎng)輸送能力也逐漸成為集中供熱發(fā)展道路上的難題。本文通過(guò)對(duì)某工業(yè)園區(qū)長(zhǎng)距離供熱管網(wǎng)的案例分析和探討，介紹了一系列管道長(zhǎng)距離蒸汽輸送工程中實(shí)行的節(jié)能技術(shù)，以及在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的必要措施。
熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱，可以有效利用發(fā)電剩余的蒸汽，向周邊工業(yè)企業(yè)進(jìn)行集中供熱，通過(guò)電 廠大容量、大壓力、高效率且低排放的鍋爐建設(shè)集中熱源供應(yīng)站(熱效率可達(dá)90%以上)取代分散企業(yè)低效率高排放的工業(yè)小鍋爐(熱效率大約60%-70%)，大大地提了高能源綜合利用率；此外，采用大型鍋爐建設(shè)熱源站，可以減少燃料的消耗，從而減少二氧化碳、二氧化硫和煙塵等排放物的產(chǎn)生且有利于污染物的集中處理。工業(yè)用戶可以由此節(jié)省下建設(shè)小鍋爐以及購(gòu)買(mǎi)燃料等的成本，同時(shí)，余熱供應(yīng)也為電廠帶來(lái)了一部分額外的收益，可謂是一舉兩得。因此，特別是在一些工業(yè)集中地區(qū)，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱越來(lái)越受到人們的關(guān)注和普遍應(yīng)用。
集中供熱系統(tǒng)主要有熱源，供熱管網(wǎng)以及熱用戶3個(gè)部分組成。其中，供熱管網(wǎng)承擔(dān)著將熱源點(diǎn)的熱量及時(shí)配送至各個(gè)熱用戶的重任，是連接兩者的橋梁和生命線。由于電廠與末端熱用戶之間的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，很多地區(qū)甚至已超過(guò)8km的供熱半徑，而管道沿線必然存在壓力損失和熱損失，電廠蒸汽經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離輸送后，往往難以滿足末端用戶較高的用汽參數(shù)要求。
在保證管網(wǎng)可供性和可操作性的前提下擴(kuò)大供熱的范圍，蒸汽的出口參數(shù)(如溫度、壓力等)，流量以及管徑等是否滿足要求，必須進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算和分析。此外，本文還探討了在輸送過(guò)程中穩(wěn)定熱負(fù)荷，降低沿程壓降和熱損的一系列措施。
案例現(xiàn)狀
隨著某工業(yè)園區(qū)內(nèi)多個(gè)重大項(xiàng)目的陸續(xù)開(kāi)工和投產(chǎn)，園區(qū)內(nèi)企業(yè)對(duì)蒸汽的需求量也逐步增加。目前一期管管網(wǎng)總長(zhǎng)度約10km，其中主線部分長(zhǎng)度為8.9km。主線管道由DN600 管道逐級(jí)變徑至DN200管道，其中DN600管道長(zhǎng)1200m，DN400管道長(zhǎng)2000m， DN250管道長(zhǎng)900m，DN200管道長(zhǎng)4800m。一期管網(wǎng)涉及用汽企業(yè)共約25家，最大蒸汽流量為50t/h，平均量為20t/h，最小蒸汽流量為5t/h，年總供蒸汽量約為17.5萬(wàn)t。多以穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝熱負(fù)荷為主。
此外目前在建二期管線總長(zhǎng)度約11.3km，其中DN600管道長(zhǎng)度為7.4km，DN500管道長(zhǎng)度為3.9km。該管線涉及兩個(gè)區(qū)域，一是某工業(yè)園區(qū)二期地塊，其新材料產(chǎn)業(yè)園區(qū)蒸汽用量預(yù)估為70-90t/h，二是臨近的工業(yè)區(qū)現(xiàn)有主要用熱企業(yè)約20家，預(yù)估用汽量為80-100t/h。
管道長(zhǎng)距離輸送蒸汽的重要條件
在國(guó)家現(xiàn)行的供熱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定，蒸汽供熱系統(tǒng)的半徑通?？刂圃?-8km內(nèi)。為了保證管網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，長(zhǎng)距離輸送蒸汽必須滿足以下幾點(diǎn)前提：
1、末端熱用戶應(yīng)有較穩(wěn)定的熱負(fù)荷
無(wú)論是從技術(shù)可行性或者經(jīng)濟(jì)可行性的角度來(lái)看，末端熱用戶都應(yīng)具備較大的持續(xù)且穩(wěn)定的熱負(fù)荷，因?yàn)樵诓环€(wěn)定工況以及低負(fù)荷工況下，管線中容易發(fā)生蒸汽凝結(jié)，嚴(yán)重時(shí)甚至產(chǎn)生水擊，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要提前考慮到疏水閥等裝置，及時(shí)排除飽和水。在本案例中，二期管網(wǎng)末端就有一個(gè)穩(wěn)定的用熱大戶，雖然輸送距離長(zhǎng)達(dá)11.3km，但蒸汽能保持一定的穩(wěn)定流量，保證了管網(wǎng)的可運(yùn)行性。
2、末端用戶的用熱參數(shù)在熱電廠可供的范圍內(nèi)
進(jìn)行較遠(yuǎn)距離供熱是否合理，末端參數(shù)也是關(guān)鍵因素。末端用戶的用熱參數(shù)必須在熱電廠可供的范圍內(nèi)。在本案例中，熱電廠的出口參數(shù)是1.8±0.2MPa(g)、290℃。二期熱網(wǎng)末端用戶，其要求是保證1.0MPa(g)的飽和蒸汽壓力。一期各用戶的要求普遍為保證0.7MPa(g)的飽和蒸汽。目前運(yùn)行的一期管網(wǎng)基本能滿足相關(guān)要求。二期管線設(shè)計(jì)DN600管徑用以滿足二期用戶的參數(shù)要求。一期及二期管網(wǎng)水力見(jiàn)表1、表2。
表1最大量時(shí)管段水力參數(shù)
表2最小量時(shí)管段水力參數(shù)
3、敷設(shè)長(zhǎng)距離管道的經(jīng)濟(jì)可行性
一般而言，長(zhǎng)距離管道的工程造價(jià)較高，此外，蒸汽管道正式運(yùn)行后，還需要考慮到其固定 成本以及變動(dòng)成本，其中固定成本主要考慮的是供熱管網(wǎng)的固定折舊，人工，維修及保養(yǎng)和建筑公共部分耗熱等，變動(dòng)成本則直接與末端熱用戶的用熱情況息息相關(guān)。當(dāng)末端用戶的熱負(fù)荷較小且不穩(wěn)定；中間又沒(méi)有其他的熱用戶；管道輸送的流量與管道沿程的疏水流量一樣多；甚至沿程疏水流量大于末端用戶的流量；或者今后沒(méi)有可發(fā)展的熱用戶時(shí)，敷設(shè)較遠(yuǎn)距離供熱管道的投資可能不能回收。因此，管道在建設(shè)前必須對(duì)其經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行研究，只有達(dá)到了一定的基礎(chǔ)用熱負(fù)荷才能確保管道投資是可回收的。對(duì)于本次二期管網(wǎng)進(jìn)行了充分的調(diào)研，以確定在最小用氣量的情況下，管損率控制在10%以下，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。一期及二期管網(wǎng)熱力見(jiàn)表3、表4。
表3最大量時(shí)管段熱力參數(shù)
表4最小量時(shí)管段熱力參數(shù)
節(jié)能技術(shù)以及必要措施
為了實(shí)現(xiàn)管道較遠(yuǎn)距離輸送蒸汽，在設(shè)計(jì)中有效控制管道沿程的壓降、溫降，以保證用戶端 的供汽參數(shù)，滿足末端熱用戶需求是關(guān)鍵。其中，影響管道沿程壓降和溫降的因素眾多，且各因素之間相互影響。單方面增大管徑雖然可以有效降低管網(wǎng)沿程的壓力降，但是同時(shí)也會(huì)增大散熱面積，因此會(huì)造成不必要的管網(wǎng)熱損失。相反地，縮小管徑可以減少管道的熱損失，但由此導(dǎo)致的較高的蒸汽流速會(huì)管道加大管道內(nèi)的壓力降。
有效控制壓降的措施
管道沿程的壓力降與管網(wǎng)結(jié)構(gòu)(如管道走向、長(zhǎng)度、補(bǔ)償器等)有著密切的關(guān)系。由于管道的走向一般都是由當(dāng)?shù)匾?guī)劃局對(duì)規(guī)劃紅線進(jìn)行編制和審批，這里就不做詳細(xì)的說(shuō)明，在具體的設(shè)計(jì)中可利用Gambit，ANSYSFLUENT等軟件，對(duì)不同的供熱管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，從而得到一個(gè)合理的熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
管網(wǎng)的壓力損失通常由兩部分組成：即局部阻力所帶來(lái)的損失以及沿程阻力造成的損失。其 中，補(bǔ)償器以及彎頭是造成管網(wǎng)局部壓力損失的主要原因。因此要盡可能地利用管道走向進(jìn)行自然補(bǔ)償，在需要使用補(bǔ)償器補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)盡可能選用可長(zhǎng)距離補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償器，并且盡量減少補(bǔ)償器的數(shù)量。
在本案例中，蒸汽運(yùn)輸管道主要采用低支架地上敷設(shè)，只有部分靠近用戶端的管段為了不影響交通和美觀而采用直埋敷設(shè)，因此，在地上敷設(shè)的管道部分，我們使用旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償,旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器通過(guò)成雙旋轉(zhuǎn)筒和“L”形力臂可以形成力偶，使大小相等，方向相反的一對(duì)力，由力臂回繞著Z軸中心旋轉(zhuǎn)，類似杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，支點(diǎn)分別在兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器上可以吸收兩邊管道所產(chǎn)生的熱伸長(zhǎng)量。由于其在管道運(yùn)行過(guò)程中處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的特點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器能有效減少局部阻力。由于沿程阻力所產(chǎn)生的壓力損失，則可以通過(guò)增大管徑的方式來(lái)降低，但考慮到其可能導(dǎo)致的熱損失增加，因此需要對(duì)此進(jìn)行綜合評(píng)估。
有效控制溫降的措施
◆優(yōu)化的保溫層
保溫材料及保溫結(jié)構(gòu)的選擇對(duì)管道長(zhǎng)距離輸送蒸汽至關(guān)重要，優(yōu)化的選擇組合對(duì)蒸汽管道尤為關(guān)鍵。通常情況下，蒸汽管道的保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)是不小于三層的保溫結(jié)構(gòu)。最內(nèi)層的保溫結(jié)構(gòu)一般采用耐高溫的保溫材料且需高溫下的抗老化性能較優(yōu)。外層的保溫材料對(duì)溫度的要求相對(duì)低一些，但仍需達(dá)到要求的傳熱系數(shù)。對(duì)于長(zhǎng)距離供熱管網(wǎng)，其保溫材料的選取既要考慮一次性投資的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也要考慮今后運(yùn)行過(guò)程以及維護(hù)與保養(yǎng)方面的成本。對(duì)不同的保溫材料、保溫厚度及組合要進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，在滿足長(zhǎng)距離輸送的條件下，經(jīng)濟(jì)地選定各保溫層的厚度。保溫材料有效的防止了對(duì)流傳熱，根據(jù)傳熱理論，蒸汽管道在運(yùn)行中還存在的輻射散熱，因此需在保溫層之間還加裝阻燃的鋁箔玻纖布反射層對(duì)管道進(jìn)行纏繞,鋁箔玻纖布反射層不僅可以使保溫材料更穩(wěn)定地固定在管道上，而且能有效反射隔絕管道表面的熱輻射，起到很好的隔熱作用，并且最外層的反射層還能對(duì)雨水進(jìn)行隔絕，防止雨水進(jìn)入影響保溫材料的保溫效果。
不同的保溫材料有著不同耐溫和導(dǎo)熱參數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)–溫度曲線。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸送蒸汽管道溫度在300℃以下，采用高溫玻璃棉保溫材料，當(dāng)溫度高于300℃時(shí)，則選擇復(fù)合硅酸鋁材料來(lái)實(shí)現(xiàn)保溫，當(dāng)溫度高于500℃時(shí)，則需選擇氣凝膠(納米保溫材料)來(lái)實(shí)現(xiàn)保溫。本案例中的保溫層采用三層結(jié)構(gòu)。最內(nèi)層結(jié)構(gòu)為憎水硅酸鋁針刺毯，中層和外層都選用了高溫玻璃棉材料同時(shí)各層間又加入了鋁箔玻纖布反射層。保溫計(jì)算中考慮保溫最外層不超過(guò)周?chē)h(huán)境溫度5℃，從而保證保溫材料在運(yùn)行中不失效而能較長(zhǎng)時(shí)間的使用。
◆采用隔熱管托
隔熱支座作為減少熱網(wǎng)熱損失的一個(gè)節(jié)能措施已被廣泛應(yīng)用。隔熱支座的作用是阻擋蒸汽管道上的熱量直接傳導(dǎo)至土建支架上去。長(zhǎng)距離輸送蒸汽管道，由于管道托座引起的熱損失較大，采用高強(qiáng)度的隔熱材料使蒸汽管道上的熱量不能直接傳到支座上，防止了熱橋的產(chǎn)生，減少了支座的熱量損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)該公司全部采用隔熱支座，其散熱損失可減少管網(wǎng)體系總熱損失量的2%。
降低管網(wǎng)投資的幾項(xiàng)措施
在前文中，已介紹了供熱管網(wǎng)的投資可分為一次性的工程造價(jià)以及后續(xù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的供熱成 本(固定成本以及變動(dòng)成本)，在這一節(jié)將會(huì)就降低管網(wǎng)投資話題，提出幾點(diǎn)措施建議：
1、優(yōu)化管道跨度
熱網(wǎng)管道的跨度決定了管道土建支架的數(shù)量，長(zhǎng)距離供熱管網(wǎng)工程對(duì)支架的投入也相對(duì)較大。減少支架的數(shù)量，不僅能有效降低首次建造成本，也減少了一系列后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)等成本。為了減少支架數(shù)量，需合理布置管線路由，同時(shí)在保溫材料選用時(shí)可適當(dāng)選用輕質(zhì)的保溫材料，這樣能有效的減少管道的自重，增加管道的跨距，從而減少支架的數(shù)量，節(jié)約管道的一次投資成本。
2、優(yōu)化補(bǔ)償方式
供熱管網(wǎng)的建設(shè)中補(bǔ)償方式的選擇直接關(guān)系到熱網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在管道設(shè)計(jì)過(guò)程 中，應(yīng)當(dāng)盡可能充分利用自然地形進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)長(zhǎng)距離蒸汽管道布置時(shí)，當(dāng)必須使用補(bǔ)償器時(shí)，應(yīng)盡可能使用無(wú)推力旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器相較于其他補(bǔ)償器而言，補(bǔ)償距離長(zhǎng)，可減少補(bǔ)償器的數(shù)量；旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的水平推力小，較小的水平推力能可以有效降低固定支架受力，減小固定支架的配筋；同時(shí)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器安全性能高，使用壽命長(zhǎng)，可節(jié)省運(yùn)行期間的維護(hù)維修費(fèi)用。
3、優(yōu)化管道支架
對(duì)于地上架空敷設(shè)管段來(lái)說(shuō)，管道支架是支承管網(wǎng)的最重要的結(jié)構(gòu)件，根據(jù)管道的運(yùn)行性能和布置要求，管道支架一般可分為固定支架和活動(dòng)支架。其中，活動(dòng)支架又可以細(xì)分為無(wú)約束滑動(dòng)支架，滾動(dòng)支架以及導(dǎo)向支架。無(wú)約束滑動(dòng)支架允許蒸汽管道各個(gè)方向上自由膨脹。導(dǎo)向支架約束了蒸汽管道的側(cè)向位移，對(duì)蒸汽管道運(yùn)行時(shí)的線性進(jìn)行了約束。滾動(dòng)支架的優(yōu)勢(shì)則在于蒸汽管道在運(yùn)行期間，支架所承受的摩擦力更小。因此在大管徑或長(zhǎng)距離輸送的蒸汽管道布置中，常常采用滾動(dòng)支座替代，以此來(lái)減少土建支架的投資，在熱網(wǎng)設(shè)計(jì)中已取得了初步效果。
一般的導(dǎo)向和滑動(dòng)支座移動(dòng)時(shí)對(duì)土建支架的的水平推力(僅考慮管道重量時(shí))為:Fx=μql，其中：q為管道計(jì)算重量；l為支架間距；μ為支座與土建支架之間的摩擦系數(shù)。
以案例中的DN600管道為例，由于管道及其附件自重達(dá)到310kg/m，平均支架跨度達(dá)到17～18m，因此若采用滑動(dòng)或者導(dǎo)向支架時(shí)，支架的水平推力約為1.7t。而當(dāng)使用滾動(dòng)支座后，其摩擦系數(shù)降至0.1以下，土建支架的水平推力將減小為0.5t。受力的下降，能有效減小土建支架的成本。
根據(jù)實(shí)踐證明，使用滾動(dòng)支座后，減少了管道和每個(gè)支架之間的摩擦力，從而允許支架的基 礎(chǔ)和柱子設(shè)計(jì)得相對(duì)較小。這樣不僅外表美觀，而且節(jié)約了造價(jià)，據(jù)可靠統(tǒng)計(jì)，使用滾動(dòng)管托后，土建造價(jià)下降約10%。
結(jié)語(yǔ)
雖然蒸汽系統(tǒng)的供熱半徑通常控制在5～8km內(nèi)，但是由本文所分析的實(shí)際案例可以得知，管道長(zhǎng)距離輸送蒸汽是可行且可推廣的。
長(zhǎng)距離供熱管網(wǎng)需要具備大規(guī)模，持續(xù)且穩(wěn)定的熱負(fù)荷，以保證管線安全、穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，管道的壓降和溫降應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，以滿足末端熱用戶的用汽參數(shù)要求；此外，要盡可能降低工程造價(jià)以及供熱成本，確保管道的投資可回收，為企業(yè)在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的同時(shí)，創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益。
作者：朱發(fā)強(qiáng)(舟山杭熱熱力有限公司)
