王 方，王全福，趙云鵬，倪 珅

(1.黑龍江建投城市設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150025；2.黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150025)

0 引 言

某城區(qū)供熱企業(yè)下設(shè)四個(gè)熱源廠：總廠、一分廠、城南車間與城北車間，截止2019年底總供熱建筑面積1 268.88×104m2。目前城區(qū)供熱管網(wǎng)包括蒸汽網(wǎng)、高溫?zé)崴W(wǎng)、低溫?zé)崴W(wǎng)三種類型，均為4處大型集中供熱熱源配套管網(wǎng)，未能形成有效地互聯(lián)互通。近兩年，由于熱源設(shè)備故障導(dǎo)致居民供熱不能得到有效保障的問題逐漸顯現(xiàn)出來，這就有必要研究各熱源廠之間互聯(lián)互通管網(wǎng)的建設(shè)工作，以使各熱源廠之間能形成互相備用的關(guān)系，有效保證冬季的供熱安全。在國(guó)外(特別是北歐地區(qū))，供熱系統(tǒng)多熱源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行已有較成熟的經(jīng)驗(yàn)；我國(guó)自20 世紀(jì)70 年代末80 年代初以來，北京、沈陽、牡丹江等市縣也陸續(xù)開始進(jìn)行多熱源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的嘗試，取得了不少可貴的經(jīng)驗(yàn)[1]。本文即對(duì)該城區(qū)城北與城南供熱管網(wǎng)互聯(lián)互通進(jìn)行研究分析。

1 城北與城南供熱現(xiàn)狀

城北車間熱源現(xiàn)狀為：熱水鍋爐2臺(tái)，總?cè)萘?32 MW(2×116 MW)；供熱面積為344.88×104m2；城南車間熱源現(xiàn)狀為：熱水鍋爐2臺(tái)，總?cè)萘?32 MW(2×116 MW)；供熱面積為389.38×104m2。

城南車間配套管網(wǎng)類型為高溫?zé)崴W(wǎng)和低溫?zé)崴W(wǎng)；城北車間配套管網(wǎng)類型為高溫?zé)崴W(wǎng)。其中高溫?zé)崴W(wǎng)的設(shè)計(jì)供回水溫度為120 ℃/70 ℃。

1 城北至城南供熱管網(wǎng)互聯(lián)互通的意義

1.1 實(shí)現(xiàn)城北和城南熱源互為備用

城北車間與城南車間的兩個(gè)熱源目前僅為孤立運(yùn)行，事故狀態(tài)時(shí)尚沒有有效的措施解決臨時(shí)替代熱源問題，城北至城南供熱管網(wǎng)的互聯(lián)互通，可使城北和城南熱源互為備用，獲得安全運(yùn)行保障。

1.2 解決城北和城南熱源之間規(guī)劃發(fā)展負(fù)荷的供熱問題

城北和城南兩個(gè)熱源之間的地域，地方政府正在按計(jì)劃開發(fā)建設(shè)，規(guī)劃將有120×104m2新建建筑需新增供熱，借建設(shè)穿越該區(qū)域聯(lián)通管線的契機(jī)，完成此部分熱負(fù)荷的供熱工作，使聯(lián)通管線的建設(shè)實(shí)現(xiàn)供給新增負(fù)荷的作用，一事多用，提高投資效率。

2 城北至城南供熱管網(wǎng)互聯(lián)互通分析

2.1 互聯(lián)互通管網(wǎng)路由確定

城北與城南互聯(lián)互通供熱管網(wǎng)的建設(shè)路由需要綜合考慮新增供熱負(fù)荷發(fā)展的區(qū)域、管網(wǎng)施工的便利性、工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性、各熱源聯(lián)網(wǎng)備用關(guān)系等因素。

城南車間已實(shí)現(xiàn)與一分廠熱源的聯(lián)通，當(dāng)城南車間鍋爐出現(xiàn)故障時(shí)，城南區(qū)域的供熱面積將切換為2部分轉(zhuǎn)由城北和一分廠兩個(gè)熱源分別進(jìn)行供熱，計(jì)劃事故時(shí)城南區(qū)域內(nèi)切割出180.96×104m2供熱面積給城北車間供熱。同時(shí)，在城北至城南互聯(lián)互通供熱管網(wǎng)區(qū)間內(nèi)，城區(qū)規(guī)劃發(fā)展供熱面積為120×104m2。

綜合考慮以上因素，城北至城南互聯(lián)互通供熱管網(wǎng)路由規(guī)劃如下：擬在北新路與金滌路交匯處DN900城北高溫管網(wǎng)上引出DN700聯(lián)通管道，沿金滌路向南敷設(shè)至金都大街，隨后向東轉(zhuǎn)向繼續(xù)沿金都大街向東敷設(shè)至金泉路，在路口供熱管網(wǎng)轉(zhuǎn)向南沿金泉路繼續(xù)向東敷設(shè)至金水湖大街，此處供熱管網(wǎng)轉(zhuǎn)向東沿金水湖大街繼續(xù)向東敷設(shè)，末端與金水湖大街的城南供熱主管網(wǎng)連接，管網(wǎng)敷設(shè)長(zhǎng)度約為3 008.6 m。

此規(guī)劃路由的合理性體現(xiàn)在：聯(lián)通管網(wǎng)直接由城北供熱主管網(wǎng)引出，沿途穿越120×104m2規(guī)劃發(fā)展供熱面積，終點(diǎn)直接與180.96×104m2城南原有供熱面積的主管網(wǎng)連接，有效實(shí)現(xiàn)區(qū)間熱用戶的合理覆蓋，最大限度實(shí)現(xiàn)兩熱源廠的互備關(guān)系。

2.2 事故工況下供熱量保證率分析

當(dāng)城南車間或城北車間鍋爐出現(xiàn)故障時(shí)，城南區(qū)域內(nèi)切割出的180.96×104m2供熱面積(其余208.42×104m2供熱面積由一分廠承擔(dān))將完全由城北車間或城南車間供熱，再加上城南與城北區(qū)間內(nèi)規(guī)劃發(fā)展的120×104m2供熱面積以及城北區(qū)域現(xiàn)有的344.88×104m2供熱面積，該情況下需負(fù)擔(dān)的總供熱面積將達(dá)到645.84×104m2，城區(qū)供熱綜合熱指標(biāo)為52 W/m2，則此時(shí)總計(jì)算熱負(fù)荷為335.84 MW，而城南車間與城北車間熱源最大供熱能力均為2×116=232 MW(2臺(tái)116 MW熱水爐)，此時(shí)供熱量保證率為69.08%，滿足《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ34-2010)》中關(guān)于事故工況下最低供熱量保證率65%[2]的要求。

也可以認(rèn)為在采暖期室外日平均溫度高于-11.15 ℃時(shí)，645.84×104m2供熱面積完全可由城北車間或城南車間單獨(dú)供熱。

2.3 互聯(lián)互通管網(wǎng)管徑的確定

(1)城南車間鍋爐出現(xiàn)故障情況時(shí)，互聯(lián)互通管網(wǎng)管徑分析

當(dāng)城南車間鍋爐出現(xiàn)故障時(shí)，互聯(lián)互通管網(wǎng)所負(fù)擔(dān)的供熱面積包括：城南區(qū)域內(nèi)180.96×104m2供熱面積以及城南與城北區(qū)間內(nèi)規(guī)劃發(fā)展的120×104m2供熱面積，管網(wǎng)負(fù)擔(dān)的總供熱面積為300.96×104m2，供熱綜合熱指標(biāo)52 W/m2，總計(jì)算熱負(fù)荷為156.50 MW，根據(jù)前面計(jì)算的事故工況下供熱量保證率69.08%，可確定此時(shí)互聯(lián)互通管網(wǎng)需承擔(dān)的熱負(fù)荷為156.50×69.08%=108.11 MW，則互聯(lián)互通管網(wǎng)的熱水流量為1 859.52 t/h，可以看出此時(shí)互聯(lián)互通管網(wǎng)的管徑只需DN600即可滿足要求。

(2)城北車間鍋爐出現(xiàn)故障情況，互聯(lián)互通管網(wǎng)管徑分析

當(dāng)城北車間鍋爐出現(xiàn)故障時(shí)，互聯(lián)互通管網(wǎng)所負(fù)擔(dān)的供熱面積包括：城北區(qū)域344.88×104m2供熱面積以及城南與城北區(qū)間內(nèi)規(guī)劃發(fā)展的120×104m2供熱面積，管網(wǎng)負(fù)擔(dān)的總供熱面積為464.88×104m2，供熱綜合熱指標(biāo)52 W/m2，總計(jì)算熱負(fù)荷為241.74 MW，根據(jù)前面計(jì)算的事故工況下供熱量保證率69.08%，可確定此時(shí)互聯(lián)互通管網(wǎng)需承擔(dān)的熱負(fù)荷為241.74×69.08%=167.00 MW，則互聯(lián)互通管網(wǎng)的熱水流量為2 872.32 t/h，可以看出此時(shí)互聯(lián)互通管網(wǎng)的管徑只需DN700即可滿足要求。

2.4 聯(lián)通管道水力計(jì)算

(1)水力計(jì)算原則

①熱網(wǎng)主干線供回水溫度為120 ℃/70 ℃；局部阻力以當(dāng)量長(zhǎng)度計(jì)取，系數(shù)為0.4；絕對(duì)粗糙度K=0.5 mm；管內(nèi)流體計(jì)算密度958.4 kg/m3。

②熱網(wǎng)主干線推薦比摩阻控制在30～70 Pa/m范圍，按《城市供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ34-2010)推薦值。

③聯(lián)通管道水力計(jì)算應(yīng)按事故狀態(tài)下城北車間和城南車間單獨(dú)向聯(lián)通區(qū)域內(nèi)熱用戶供熱的兩種情況分別進(jìn)行考慮。由以上分析可知，城北車間發(fā)生故障時(shí)，聯(lián)通管道將承擔(dān)464.88×104m2的供熱任務(wù)；城南車間發(fā)生故障時(shí)，聯(lián)通管道將承擔(dān)300.96×104m2的供熱任務(wù)。所以水力計(jì)算應(yīng)按城南供城北這種最不利情況進(jìn)行計(jì)算，按城北供城南情況進(jìn)行校核。

(2)水力計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖1所示。

圖1 城南與城北聯(lián)通管道水力計(jì)算簡(jiǎn)圖

(3)水力計(jì)算

水力計(jì)算公式如下：

R=6.88×10-3K0.25G2/ρd5.25(Pa/m)

(1)

W=3.54×10-1G/ρd2(m/s)

(2)

d=0.388K0.048G0.381/(ρR)0.19(m)

(3)

式中，G為管段的水流量(t/h)；d為管子的內(nèi)徑(m)；p為水的密度(kg/m3)；K為管壁的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度(mm)；W為管內(nèi)流體流速(m/s)。

聯(lián)通管道設(shè)計(jì)水力計(jì)算結(jié)果見表1，聯(lián)通管道校核水力計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 聯(lián)通管道設(shè)計(jì)水力計(jì)算表

表2 聯(lián)通管道校核水力計(jì)算表

3 結(jié)束語

城北與城南供熱管網(wǎng)的互聯(lián)互通可實(shí)現(xiàn)城北與城南兩熱源互為備用，使得北南兩區(qū)域供熱管網(wǎng)運(yùn)行安全性得到保障，提高了城市供熱的質(zhì)量；同時(shí)，有效解決了城北和城南熱源之間規(guī)劃發(fā)展負(fù)荷的供熱問題。

綜合文中兩種故障情況下的分析，可得出如下結(jié)論：①城南車間與城北車間的任何一個(gè)熱源出現(xiàn)故障時(shí)，互聯(lián)互通管網(wǎng)均可實(shí)現(xiàn)事故工況下的最低供熱量保證率滿足規(guī)范要求；②城北至城南供熱管網(wǎng)互聯(lián)互通工程中的聯(lián)通管管徑為DN700較為合理。

當(dāng)項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，需在設(shè)計(jì)階段結(jié)合管網(wǎng)詳細(xì)水力計(jì)算對(duì)北南熱源廠的循環(huán)泵進(jìn)行校核，當(dāng)參數(shù)不滿足需要時(shí)，就要更換循環(huán)水泵并配置變頻器，以適應(yīng)區(qū)域供熱管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的需求。

在區(qū)域內(nèi)熱負(fù)荷持續(xù)發(fā)展階段，可通過在必要的管段設(shè)置手動(dòng)平衡閥或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等方式進(jìn)行水力平衡調(diào)節(jié)；當(dāng)區(qū)域熱負(fù)荷發(fā)展到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，建議考慮采用分布式供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水力平衡調(diào)節(jié)，該技術(shù)屬于有源式的水力平衡調(diào)節(jié)[4]，可帶來明顯的節(jié)電效果。分布式供熱系統(tǒng)完全適用于多熱源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，在大型供熱系統(tǒng)中，分布式供熱的優(yōu)勢(shì)更加明顯[5]。