兵團農三師博塔伊拉克鎮(zhèn)供熱工程供熱分析

兵團農三師博塔伊拉克鎮(zhèn)供熱工程供熱分析

1熱設計問題的提出2003年至2004年，第一批集體培訓部隊進行了基礎設施基礎設施建設。兵團農三師四十五團博塔伊拉克鎮(zhèn)就是其中之一。本工程為該鎮(zhèn)基礎設施建設內容的一個部分。博塔伊拉克鎮(zhèn)(四十五團團部)地處塔里木盆地西緣,位于麥蓋提縣城東北47km處。鎮(zhèn)區(qū)供暖期室外平均氣溫—2.1℃,室外供暖設計溫度為-10℃,供暖期總時間為117d。鎮(zhèn)區(qū)最大凍土深度為69cm,土壤屬粉砂和亞砂土結構,地下水位在1.5～2m范圍內。在本工程實施前,鎮(zhèn)區(qū)的供熱狀況是:1)鎮(zhèn)區(qū)內各類建筑的總建筑面積約為25萬m2,由原有鍋爐供暖的建筑供暖面積約為8萬m2,鍋爐集中供暖的供暖面積比率較低;2)鎮(zhèn)區(qū)內原有2個鍋爐房,共有4臺鍋爐,分別為4.2MW熱水鍋爐1臺、2.8MW熱水鍋爐2臺、1.4MW熱水鍋爐1臺;3)鎮(zhèn)區(qū)內原有熱力管網為兩個互不相連的系統(tǒng),共約4.6km,最大管徑DN200,最小管徑DN70,小部分管道為地溝敷設,大部分管道為架空敷設,保溫材料為巖棉管殼外裹玻璃絲布刷漆。鎮(zhèn)區(qū)在這種供熱狀況下存在并亟待解決的問題:1)鍋爐容量較小,熱效率低,煙囪分散且低矮,污染較大;2)架空敷設既不美觀,管網熱損耗又大;3)管道保溫層及保護層破損嚴重,保溫效果惡化,增加了管網熱損耗,嚴重影響了供熱效果;4)沒有進行合理的管網水力計算,盡管每個系統(tǒng)并不大,但系統(tǒng)的熱力失調現(xiàn)象非常嚴重,冷、熱不均的情況非常普遍。由上述問題可見,鎮(zhèn)區(qū)的供熱管網必須重新設計,計算全鎮(zhèn)各熱用戶的熱負荷,據(jù)此統(tǒng)一布置鎮(zhèn)區(qū)新的供熱管網,從根本上徹底解決原管網的各種問題。2003年7月,筆者所在設計研究院接受農三師四十五團委托,承擔了該鎮(zhèn)集中供熱熱力管網工程的施工圖設計任務。針對鎮(zhèn)區(qū)的供暖特點,重新合理布置了熱力管線,并依此進行水力計算及圖紙設計,保留了小部分原有管線,更新并重新設計了大部分熱力管線。2004年7月中旬完成設計任務并交付施工,工程在11月中旬完工并投入運行。經過兩個供暖期的運行,供熱效果良好,建設方非常滿意。2設計方案2.1項目的主要困難2.1.1熱用戶的構成博塔伊拉克鎮(zhèn)的鎮(zhèn)區(qū)東西長約1430m,南北寬約1050m。新鍋爐房設在鎮(zhèn)區(qū)正北邊部,最遠的熱用戶為鎮(zhèn)區(qū)西南角處的民兵集訓樓和學生公寓,與鍋爐房之間的供熱管線長度近2km,為新熱網系統(tǒng)的最不利環(huán)路,則最大供熱半徑為2km。鎮(zhèn)區(qū)的熱用戶主要分為樓房和平房兩類,均為居住和公共建筑等民用建筑。其中樓房的數(shù)量不多,且分散于鎮(zhèn)區(qū)的南部,距鍋爐房較遠,離鍋爐房最近的是幾個平房居住小區(qū)。鎮(zhèn)區(qū)熱用戶的分布導致熱負荷較為分散,且較大熱負荷的熱用戶都離熱源較遠,使整個熱網系統(tǒng)的水力平衡相當困難。2.1.2供熱面積規(guī)劃據(jù)統(tǒng)計,現(xiàn)有的平房住宅中將由集中供熱系統(tǒng)供暖的約2.5萬m2,約占總供暖面積(新供熱系統(tǒng)建成后約有13萬m2)的19%;到2008年(近期規(guī)劃)可能增加到4萬m2,約占總供暖面積(近期規(guī)劃約為23萬m2)的17%。這些平房住宅大多分布在鎮(zhèn)區(qū)北部和東北部,距鍋爐房較近。2.1.3空置的原因分析該鎮(zhèn)的地下水位較高,是原熱網管道大多采用架空敷設的主要原因。但此次初步設計方案中確定采用直埋敷設方式,并獲批準。這使本設計既要采用直埋敷設方式,還要適應高地下水位的限制。2.2工程方案的選擇2.2.1管網的局部同程式布置管網為枝狀布置,管道以異程式布置為主、同程式布置為輔。具體布置方案是:1)熱力管網的主干線分為東、西兩條,采用異程式枝狀布置;2)熱力管網的支干線和支線大部分采用異程式枝狀布置,但加工廠住宅區(qū)、沁園小區(qū)、朝陽小區(qū)等3個平房居住小區(qū)和平行列于西主干線兩側的10余棟住宅建筑,無論怎么調換管徑都無法取得平衡,且不平衡率大于50%,故這4處采用了局部同程式布置,以利于管網的平衡。經過詳細計算后設置適當?shù)墓芏巍⒐軓郊伴y件,整個熱力管網基本達到平衡。只有個別節(jié)點處因需預留發(fā)展裕量而導致不平衡率較大,故決定在該節(jié)點處設置調節(jié)閥,消除管網的剩余壓頭,并進行適當?shù)恼{節(jié)使管網達到平衡。2.2.2熱指標及經驗修正計算公式由于無法按鎮(zhèn)區(qū)各建筑物的用途分類統(tǒng)計各種建筑供暖面積,因此只把建筑物分為樓房和平房兩類來統(tǒng)計。針對各地不同的氣候條件,通常以烏魯木齊市的樓房經驗綜合熱指標為基準數(shù)值來修正計算當?shù)氐臉欠烤C合熱指標(該經驗綜合熱指標及經驗修正計算公式為烏魯木齊熱力公司與設計院有關專家多年協(xié)力實測、計算所得)。綜合熱指標Qx經驗修正計算公式為式中為烏魯木齊地區(qū)的供暖經驗綜合熱指標,取75W/m2;tn為室內溫度,取18℃,tw為當?shù)氐氖彝夤┡嬎銣囟?取-11℃:為烏魯木齊地區(qū)的供暖計算溫度,為-22℃。經計算,Qz為54W/m2。因平房與樓房的單位面積耗熱量相差較大,所以平房建筑另選一個綜合熱指標,單獨計算各類用途和結構的平房的熱負荷總量。同時,由于集中供暖的平房中,居民用房占了絕大多數(shù),故選擇了鎮(zhèn)內較典型的一套平房住宅進行耗熱量計算,并求出其單位面積耗熱量,然后以此為依據(jù)確定出當?shù)仄椒拷ㄖ木C合熱指標,設計時取95W/m2。2.2.3熱負荷的預處理在確定管徑時,除了統(tǒng)計現(xiàn)有的建筑供暖面積外,還要根據(jù)該鎮(zhèn)的規(guī)劃及初步設計方案預留一定的裕量。這樣確定的管徑在現(xiàn)有熱負荷下是偏大的,比摩阻較小。但考慮到供熱管道使用的長期性,這樣可以避免將來頻繁地改造和更新管網,是必要的,也是合理的。2.2.4供、回管段壓降本工程熱網由鍋爐房引出后分為東、西2個主環(huán)路,在這2個主環(huán)路上共接出34個支環(huán)路,其中有4個較大的支環(huán)路采用同程式接法,其供、回水接口不在同一點上。因此必須分別計算這幾處供回水管段的壓降,確定其對比壓降時也必須對供、回水管段分別選定節(jié)點統(tǒng)計,計算難度較大,但較易達到平衡,基本不用考慮閥門調節(jié)。相比較而言,采用異程式接法支環(huán)路的壓降計算可以將供、回水管段合在一起,比較快捷,對比壓降的確定較為容易,但不易達到平衡,為了減少調節(jié)閥的使用,常需把一個管段分為兩種管徑,利用不同比摩阻求得一個較理想的不平衡率。這雖然難度不大,卻增大了反復驗算的計算量。2.2.5保溫層的制作本工程熱網管道的保溫材料均采用硬質聚氨酯泡沫塑料,它具有良好的保溫效果,還具有一定的抗壓強度和抗水性。它的技術性能參數(shù)如下:平均孔徑≤0.5mm,閉孔率≥88%,密度為60～80kg/m3,抗壓強度≥0.3MPa,導熱系數(shù)≤0.033W/(m.K)(50℃時),耐溫極限為120℃。熱網管道保溫層的外保護殼采用高密聚乙烯套筒保護殼,其強度高、耐久性好,既具有防水性,又具有抗腐蝕性,能夠適應該鎮(zhèn)特殊的地質條件,具有較長的使用壽命。為了保證保溫層的制作質量,避免厚薄不勻、氣泡空腔等現(xiàn)象,本工程選用的直埋管道均采用預制成品保溫管。由于管道保溫層及其外保護殼具有防水及防腐功能,不需再顧慮當?shù)剌^高的地下水位對管道的侵蝕威脅,解決了在較高地下水位的條件下采用直埋敷設方式這一難題。2.2.6保溫層的利用通過水力計算,原有管網中共有1162mDN80～DN200的管道可以利用。經實地調查,這些管段原為地溝敷設,管溝及管道尚可利用,只是保溫層不能再用,只需重做保溫層。原巖棉管殼保溫層全部拆除,換用復合硅酸鹽涂料。由于這段地溝所處地勢較高,溝中無地下水滲入,故新保溫層外不作特殊的防水處理,只要求把涂料外表面收光即可。3小區(qū)內各支管平衡的情況新的熱網系統(tǒng)于2004年11月投入運行,至今已經歷3個供暖期,運行基本正常,運行效果也基本與設計相符合。筆者在供暖期系統(tǒng)運行期間有針對性地查訪了幾戶較典型的熱用戶,除一戶平房外,其他各戶的供熱情況都較均衡,室內溫度均在18～22℃之間,沒有出現(xiàn)因室溫過高而開窗的現(xiàn)象。筆者詳細調查、研究了這戶平房及其周圍幾戶平房的情況,發(fā)現(xiàn)只有兩戶與這戶情況相似。究其原因,該小區(qū)內既有平房又有樓房,管道采用的是異程布置方式,這幾戶均處于小區(qū)支管的末端,而這條支管為了與鄰近的預留發(fā)展片區(qū)的支管平衡,管徑取得較小,閥門用的也是阻力較大的截止閥,但目前預留發(fā)展片區(qū)內的熱用戶太少,只有該區(qū)規(guī)劃總量的約1/2,故局部的管道實際不平衡率比計算值大得多,盡管已在預留發(fā)展片區(qū)的支管上裝了調節(jié)閥,但調節(jié)效果不理想。經研究、核算,將該支管上原設計的阻力值較大的截止閥換為阻力值較小的閘閥,同時盡量調小了預留發(fā)展片區(qū)支管上的調節(jié)閥,這使那幾戶平房的供熱情況大為改善。據(jù)事后跟蹤了解,這幾戶在正常供暖期中室溫均達到了18℃以上,只有在冬季最冷的幾天里室溫在15～17℃之間。建設方及這幾戶居民對運行效果感到滿意。4結論4.1熱平衡總體經濟性、技術性較好在主干管上布置支干管時,主要按異程系統(tǒng)布置;在支干管上布置支管和入戶管時,則應根據(jù)實際情況,在適當處合理采用同程布置,這樣做增加的管道不長,但熱平衡效果顯著,可省去大量的調節(jié)閥和平衡閥,并可簡化運行管理程序,不必進行大量的閥門調節(jié)操作,減少了閥門的日常維修及更換的工作量及費用,水耗量也明顯減少,故其總體經濟性、技術性較好。4.2通過同程式來實現(xiàn)小區(qū)管網平衡平房小區(qū)的負荷量小且分散,支管線相對較長,入戶管及戶內管線相對較短,如采用異程式系統(tǒng)布置,利用管徑變化來得到小區(qū)管網的平衡幾乎是不可能的,即使用調節(jié)閥,對有些不平衡率很大的用戶節(jié)點,也很難調到理想的平衡狀態(tài);相對于此,同程式系統(tǒng)則可以做到幾乎不用調節(jié)閥就能使小區(qū)管網達到平衡。因此,在小區(qū)支干管增加量不大,總體工程投資額不超出規(guī)定限額的情況下,應采用這種系統(tǒng)。4.3局部同程式布置這種小區(qū)的范圍通常比平房小區(qū)大得多,因此小區(qū)支干管的管線較長。如采用同程式系統(tǒng),工程投資額較高;而采用異程式系統(tǒng),由于各樓內的室內管線較長,可通過調整入戶管徑及戶內主干管管徑使小區(qū)管網基本達到平衡,通常只有個別用戶節(jié)點需加設調節(jié)閥平衡。但對一些特例的熱用戶也可在大的異程式系統(tǒng)中采取局部同程式布置方案,以達到平衡。不過,這種情況的水力計算較為復雜,不平衡率的對比壓降較難確定,設計難度較大。4.4高層建筑社區(qū)的管網通常只使用不同的編程系統(tǒng)高層建筑的室內系統(tǒng)較大且復雜,通過調整管徑較易達到平衡,故可只采用異程式系統(tǒng)。4.5當平房數(shù)量較大時，應通過綜合熱指數(shù)進行計算，并將平房和平房進行估計經測算,平房的單位面積耗熱量通常為樓房的1.6～2.0倍。所以當集中供暖的平房數(shù)量較大時,要對平房建筑另定一個綜合熱指標。4.6建筑結構材料和管道采用新型材料來進行熱網平衡據(jù)實地了解,許多地方的熱網都存在不同程度的熱力失衡情況。由于節(jié)能意識的淡薄,相關的運行管理人員基本不去考慮如何改造熱網以達到熱力平衡,而是一味地加大系統(tǒng)循環(huán)流量和提高供水溫度,以使最不利的熱用戶達到最低供暖需求。在這種情況下,大量的富裕熱量被那些相對有利的熱用戶因房間過熱而白白浪費掉,由此造成的熱損失量巨大卻又無法統(tǒng)計。在國家大力倡導節(jié)能的今天,杜絕這種既浪費能源又污染環(huán)境的現(xiàn)象的最好方法就是對熱網進行平衡設計和改造。因此,熱網熱力平衡的節(jié)能效果并不亞于建筑圍護結構方面應用