劉國(guó)友 ,劉鑫輝 ,龐 博 ,李建高 ,程世軍 ,夏云東 ,桑秀軍 ,祝培旺 ,翟玉恒 ,胡良辰 ,桑 哲
(1.華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司,河南 濟(jì)源 459000;2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司,湖北 武漢 430071)
供熱管道是用于傳輸熱量的重要通道,它將熱源熱量輸送給熱用戶[1],其設(shè)計(jì)選型直接影響到供熱系統(tǒng)初投資成本和后期運(yùn)行費(fèi)用[2]。其中,初投資成本主要由供熱管道等相關(guān)的材料費(fèi)和建筑安裝費(fèi)組成;后期運(yùn)行費(fèi)用主要由循環(huán)水泵電耗和維修費(fèi)等組成。
供熱管道輸送的介質(zhì)一般有較高的壓力和溫度,為保證輸送介質(zhì)不發(fā)生兩相流,供熱管道合理管徑是通過(guò)水力計(jì)算所選擇的[3]。水力計(jì)算的方法是確定一定的流動(dòng)速度,通過(guò)計(jì)算管道的比摩阻來(lái)確定管道的內(nèi)徑,水力計(jì)算是供熱管道設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理的重要科學(xué)依據(jù)。根據(jù)水力計(jì)算選擇的供熱管道管徑通常是一個(gè)范圍值,為進(jìn)一步優(yōu)化供熱管道管徑配置,可以從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度進(jìn)行深入研究和分析。本文以某熱電廠給周邊城市供熱設(shè)計(jì)為例,分析預(yù)制直埋供熱管道優(yōu)化配置。
供暖熱負(fù)荷的計(jì)算公式如下:
式中:Q 為供暖熱負(fù)荷,MW;qd為采暖熱指標(biāo),W/m2;A 為建筑供暖面積,m2。
本節(jié)按照北方某城市供熱測(cè)算,該市采暖面積800hm2,居民采暖指標(biāo)60W/m2,故采暖熱負(fù)荷Q 為480MW。
供暖熱負(fù)荷熱水供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量可按下式計(jì)算,即:
式中:Gh為供暖熱負(fù)荷供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量,t/h;Qh為供暖熱負(fù)荷,GJ/h;c 為水的比熱容,c=4.1868kJ/(kg*℃);ts為供暖室外計(jì)算溫度下的熱力網(wǎng)供水溫度,℃;tr為供暖室外計(jì)算溫度下的熱力網(wǎng)回水溫度,℃。
其中,供回水溫度按照130℃/70℃設(shè)計(jì),則設(shè)計(jì)流量Gh為 5159t/h。
管道內(nèi)徑與管內(nèi)流體流量和密度、流速關(guān)系如下:
表1 不同管徑供熱管道投資成本
表2 不同管徑供熱管道線路端阻力
式中:di為管道內(nèi)徑,mm;G 為熱介質(zhì)質(zhì)量流量,t/h;ν 為管內(nèi)介質(zhì)流速,m/s;ρ 為熱介質(zhì)密度,kg/m3。
其中,熱介質(zhì)密度按平均溫度100℃取值為959kg/m3,按照規(guī)范,管內(nèi)介質(zhì)流速不超過(guò)3m/s,取1m/s 和3m/s分別計(jì)算,則內(nèi)徑分別為796.1mm 和1378.9mm。
根據(jù)已有管道規(guī)格和管道的壓力溫度參數(shù),符合上述內(nèi)徑要求的管道為:φ920*13、φ1020*15、φ1120*16、φ1220*17、φ1420*20。
預(yù)制直埋供熱管道線路端投資成本主要為預(yù)制直埋保溫管,按照熱電廠至市區(qū)17km 計(jì)算,則供回水管道共34km,其投資估算表如表1 所示[4]。
本研究年運(yùn)行費(fèi)用主要考慮循環(huán)水泵電耗,由于不同管徑導(dǎo)致管道阻力增加值所對(duì)應(yīng)的循環(huán)水泵電耗年費(fèi)用。
(1)管道沿程阻力
管道沿程阻力是因摩擦產(chǎn)生的阻力,計(jì)算公式如下:
式中:Rm為平均比摩阻,Pa/m;L 為管道長(zhǎng)度,m;λ 為摩擦阻力系數(shù);Ra為表面粗糙度,mm。
其中,表面粗糙度取值為0.2mm,則可求得不同管徑的沿程阻力,見(jiàn)表2。
(2)管道局部阻力
為了簡(jiǎn)化計(jì)算,引進(jìn)當(dāng)量長(zhǎng)度的概念。計(jì)算局部阻力損失時(shí),把局部阻力損失化成管道長(zhǎng)度損失的形式計(jì)算,計(jì)算公式如下:
式中:Lel為局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度,m;α 為局部阻力與沿程阻力的比值,估算時(shí)使用,本文取為0.2。由此可求得不同管徑的局部阻力,見(jiàn)表2。
(3)管道阻力導(dǎo)致的運(yùn)行費(fèi)用增量
不同的管道線路端阻力會(huì)影響循環(huán)水泵的運(yùn)行功耗,循環(huán)水泵的功耗與阻力的關(guān)系如下:
式中:Nz為水泵軸功率,kW;ρ 為水密度,kg/m3;G 為流量,m3/s;H 為揚(yáng)程,m;η 為泵效率,取為 0.8。由此可知,在熱網(wǎng)熱水流量一定時(shí),即熱網(wǎng)供熱功率一定時(shí),循環(huán)水泵的功耗與揚(yáng)程(阻力)成正比。經(jīng)計(jì)算,將水泵增加功耗與管徑關(guān)系列于表3。
表3 不同管徑供熱管道運(yùn)行費(fèi)用
表4 不同管徑供熱管道年均總費(fèi)用
預(yù)制直埋供熱管道的初投資成本屬于一次性投資,運(yùn)行費(fèi)用是常年發(fā)生的費(fèi)用,兩者直接相加的總額并不能合理反映其經(jīng)濟(jì)性。從財(cái)務(wù)專業(yè)分析的角度考慮,應(yīng)通過(guò)利率將資金與時(shí)間的動(dòng)態(tài)關(guān)系折算出來(lái),如此計(jì)算的總成本具有統(tǒng)一的尺度和可比性。財(cái)務(wù)動(dòng)態(tài)分析中常用的方法是年計(jì)算費(fèi)用法,在整個(gè)項(xiàng)目壽命周期內(nèi),按照規(guī)定的基準(zhǔn)投資收益率,將全部年限所發(fā)生的現(xiàn)金流量折算成現(xiàn)值的方法。其公式如下[5]:
式中:W年值為供熱管道年均投資費(fèi)用,萬(wàn)元;A 為資金回收系數(shù);i 為年利率;n 為計(jì)息年數(shù),萬(wàn)年。
計(jì)息年數(shù)取預(yù)制直埋供熱管道的設(shè)計(jì)使用年限,即30 年,利率取為8%,則可得預(yù)制直埋供熱管道的年均投資費(fèi)用,見(jiàn)表4。此年均投資費(fèi)用與年運(yùn)行費(fèi)用相加,可得供熱管道年均總費(fèi)用。年均總費(fèi)用最小值對(duì)應(yīng)的管徑就是優(yōu)化配置管徑,由表4 知,年均總費(fèi)用最小對(duì)應(yīng)管徑為φ1120*16。
本文詳細(xì)分析了預(yù)制直埋供熱管道優(yōu)化配置的方法,除了現(xiàn)行水力計(jì)算為核心的科學(xué)方法,還應(yīng)輔以財(cái)務(wù)動(dòng)態(tài)分析,確保預(yù)制直埋供熱管道選型既科學(xué)、又經(jīng)濟(jì)。研究得到如下有益結(jié)論:
(1)根據(jù)水力計(jì)算研究,預(yù)制直埋供熱管道選型主要取決于管內(nèi)介質(zhì)流速,通過(guò)安全流速范圍,可以計(jì)算預(yù)制直埋供熱管道的管徑范圍。
(2)預(yù)制直埋供熱管道初投資成本主要是材料和建筑安裝費(fèi)用,受管道選型影響較大,初投資成本隨著管徑的增大而逐步變大;預(yù)制直埋供熱管道年運(yùn)行費(fèi)用主要考慮循環(huán)水泵電耗,其同樣受管道選型影響較大,且年運(yùn)行費(fèi)用隨著管徑的增大而逐步變小。因此,合理的預(yù)制直埋供熱管道選型是保證總費(fèi)用最低。
(3)實(shí)際工程中,不同工程的投資成本和運(yùn)行成本都有一定差異,本文對(duì)某北方城市供熱工程實(shí)例中的預(yù)制直埋供熱管道進(jìn)行優(yōu)化配置,通過(guò)財(cái)務(wù)動(dòng)態(tài)分析,提出年均總費(fèi)用的概念,介紹各個(gè)參數(shù)的計(jì)算方法。結(jié)果表明,利率取8%時(shí),計(jì)算可得年均總費(fèi)用最小對(duì)應(yīng)管徑為φ1120*16。