兵團(tuán)農(nóng)三師博塔伊拉克鎮(zhèn)供熱工程供熱分析

兵團(tuán)農(nóng)三師博塔伊拉克鎮(zhèn)供熱工程供熱分析

1熱設(shè)計(jì)問題的提出2003年至2004年，第一批集體培訓(xùn)部隊(duì)進(jìn)行了基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。兵團(tuán)農(nóng)三師四十五團(tuán)博塔伊拉克鎮(zhèn)就是其中之一。本工程為該鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)內(nèi)容的一個(gè)部分。博塔伊拉克鎮(zhèn)(四十五團(tuán)團(tuán)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(shè)計(jì)溫度為-10℃,供暖期總時(shí)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(jié)構(gòu),地下水位在1.5～2m范圍內(nèi)。在本工程實(shí)施前,鎮(zhèn)區(qū)的供熱狀況是:1)鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)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(nèi)原有2個(gè)鍋爐房,共有4臺(tái)鍋爐,分別為4.2MW熱水鍋爐1臺(tái)、2.8MW熱水鍋爐2臺(tái)、1.4MW熱水鍋爐1臺(tái);3)鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)原有熱力管網(wǎng)為兩個(gè)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(shè),大部分管道為架空敷設(shè),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(shè)既不美觀,管網(wǎng)熱損耗又大;3)管道保溫層及保護(hù)層破損嚴(yán)重,保溫效果惡化,增加了管網(wǎng)熱損耗,嚴(yán)重影響了供熱效果;4)沒有進(jìn)行合理的管網(wǎng)水力計(jì)算,盡管每個(gè)系統(tǒng)并不大,但系統(tǒng)的熱力失調(diào)現(xiàn)象非常嚴(yán)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(wǎng)必須重新設(shè)計(jì),計(jì)算全鎮(zhèn)各熱用戶的熱負(fù)荷,據(jù)此統(tǒng)一布置鎮(zhèn)區(qū)新的供熱管網(wǎng),從根本上徹底解決原管網(wǎng)的各種問題。2003年7月,筆者所在設(shè)計(jì)研究院接受農(nóng)三師四十五團(tuán)委托,承擔(dān)了該鎮(zhèn)集中供熱熱力管網(wǎng)工程的施工圖設(shè)計(jì)任務(wù)。針對(duì)鎮(zhèn)區(qū)的供暖特點(diǎn),重新合理布置了熱力管線,并依此進(jìn)行水力計(jì)算及圖紙?jiān)O(shè)計(jì),保留了小部分原有管線,更新并重新設(shè)計(jì)了大部分熱力管線。2004年7月中旬完成設(shè)計(jì)任務(wù)并交付施工,工程在11月中旬完工并投入運(yùn)行。經(jīng)過兩個(gè)供暖期的運(yùn)行,供熱效果良好,建設(shè)方非常滿意。2設(shè)計(jì)方案2.1項(xiàng)目的主要困難2.1.1熱用戶的構(gòu)成博塔伊拉克鎮(zhèn)的鎮(zhèn)區(qū)東西長(zhǎng)約1430m,南北寬約1050m。新鍋爐房設(shè)在鎮(zhèn)區(qū)正北邊部,最遠(yuǎn)的熱用戶為鎮(zhèn)區(qū)西南角處的民兵集訓(xùn)樓和學(xué)生公寓,與鍋爐房之間的供熱管線長(zhǎng)度近2km,為新熱網(wǎng)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?jī)深?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(yuǎn),離鍋爐房最近的是幾個(gè)平房居住小區(qū)。鎮(zhèn)區(qū)熱用戶的分布導(dǎo)致熱負(fù)荷較為分散,且較大熱負(fù)荷的熱用戶都離熱源較遠(yuǎn),使整個(gè)熱網(wǎng)系統(tǒng)的水力平衡相當(dāng)困難。2.1.2供熱面積規(guī)劃據(jù)統(tǒng)計(jì),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(wǎng)管道大多采用架空敷設(shè)的主要原因。但此次初步設(shè)計(jì)方案中確定采用直埋敷設(shè)方式,并獲批準(zhǔn)。這使本設(shè)計(jì)既要采用直埋敷設(shè)方式,還要適應(yīng)高地下水位的限制。2.2工程方案的選擇2.2.1管網(wǎng)的局部同程式布置管網(wǎng)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(wǎng)的主干線分為東、西兩條,采用異程式枝狀布置;2)熱力管網(wǎng)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(gè)平房居住小區(qū)和平行列于西主干線兩側(cè)的10余棟住宅建筑,無論怎么調(diào)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(wǎng)的平衡。經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算后設(shè)置適當(dāng)?shù)墓芏?、管徑及閥件,整個(gè)熱力管網(wǎng)基本達(dá)到平衡。只有個(gè)別節(jié)點(diǎn)處因需預(yù)留發(fā)展裕量而導(dǎo)致不平衡率較大,故決定在該節(jié)點(diǎn)處設(shè)置調(diào)節(jié)閥,消除管網(wǎng)的剩余壓頭,并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)使管網(wǎng)達(dá)到平衡。2.2.2熱指標(biāo)及經(jīng)驗(yàn)修正計(jì)算公式由于無法按鎮(zhèn)區(qū)各建筑物的用途分類統(tǒng)計(jì)各種建筑供暖面積,因此只把建筑物分為樓房和平房?jī)深悂斫y(tǒng)計(jì)。針對(duì)各地不同的氣候條件,通常以烏魯木齊市的樓房經(jīng)驗(yàn)綜合熱指標(biāo)為基準(zhǔn)數(shù)值來修正計(jì)算當(dāng)?shù)氐臉欠烤C合熱指標(biāo)(該經(jīng)驗(yàn)綜合熱指標(biāo)及經(jīng)驗(yàn)修正計(jì)算公式為烏魯木齊熱力公司與設(shè)計(jì)院有關(guān)專家多年協(xié)力實(shí)測(cè)、計(jì)算所得)。綜合熱指標(biāo)Qx經(jīng)驗(yàn)修正計(jì)算公式為式中為烏魯木齊地區(qū)的供暖經(jīng)驗(yàn)綜合熱指標(biāo),取75W/m2;tn為室內(nèi)溫度,取18℃,tw為當(dāng)?shù)氐氖彝夤┡?jì)算溫度,取-11℃:為烏魯木齊地區(qū)的供暖計(jì)算溫度,為-22℃。經(jīng)計(jì)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(gè)綜合熱指標(biāo),單獨(dú)計(jì)算各類用途和結(jié)構(gòu)的平房的熱負(fù)荷總量。同時(shí),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(nèi)較典型的一套平房住宅進(jìn)行耗熱量計(jì)算,并求出其單位面積耗熱量,然后以此為依據(jù)確定出當(dāng)?shù)仄椒拷ㄖ木C合熱指標(biāo),設(shè)計(jì)時(shí)取95W/m2。2.2.3熱負(fù)荷的預(yù)處理在確定管徑時(shí),除了統(tǒng)計(jì)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(shè)計(jì)方案預(yù)留一定的裕量。這樣確定的管徑在現(xiàn)有熱負(fù)荷下是偏大的,比摩阻較小。但考慮到供熱管道使用的長(zhǎng)期性,這樣可以避免將來頻繁地改造和更新管網(wǎng),是必要的,也是合理的。2.2.4供、回管段壓降本工程熱網(wǎng)由鍋爐房引出后分為東、西2個(gè)主環(huán)路,在這2個(gè)主環(huán)路上共接出34個(gè)支環(huán)路,其中有4個(gè)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(diǎn)上。因此必須分別計(jì)算這幾處供回水管段的壓降,確定其對(duì)比壓降時(shí)也必須對(duì)供、回水管段分別選定節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì),計(jì)算難度較大,但較易達(dá)到平衡,基本不用考慮閥門調(diào)節(jié)。相比較而言,采用異程式接法支環(huán)路的壓降計(jì)算可以將供、回水管段合在一起,比較快捷,對(duì)比壓降的確定較為容易,但不易達(dá)到平衡,為了減少調(diào)節(jié)閥的使用,常需把一個(gè)管段分為兩種管徑,利用不同比摩阻求得一個(gè)較理想的不平衡率。這雖然難度不大,卻增大了反復(fù)驗(yàn)算的計(jì)算量。2.2.5保溫層的制作本工程熱網(wǎng)管道的保溫材料均采用硬質(zhì)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(qiáng)度和抗水性。它的技術(shù)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(qiáng)度≥0.3MPa,導(dǎo)熱系數(shù)≤0.033W/(m.K)(50℃時(shí)),耐溫極限為120℃。熱網(wǎng)管道保溫層的外保護(hù)殼采用高密聚乙烯套筒保護(hù)殼,其強(qiáng)度高、耐久性好,既具有防水性,又具有抗腐蝕性,能夠適應(yīng)該鎮(zhèn)特殊的地質(zhì)條件,具有較長(zhǎng)的使用壽命。為了保證保溫層的制作質(zhì)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(yù)制成品保溫管。由于管道保溫層及其外保護(hù)殼具有防水及防腐功能,不需再顧慮當(dāng)?shù)剌^高的地下水位對(duì)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(shè)方式這一難題。2.2.6保溫層的利用通過水力計(jì)算,原有管網(wǎng)中共有1162mDN80～DN200的管道可以利用。經(jīng)實(shí)地調(diào)查,這些管段原為地溝敷設(shè),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(fù)合硅酸鹽涂料。由于這段地溝所處地勢(shì)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(nèi)各支管平衡的情況新的熱網(wǎng)系統(tǒng)于2004年11月投入運(yùn)行,至今已經(jīng)歷3個(gè)供暖期,運(yùn)行基本正常,運(yùn)行效果也基本與設(shè)計(jì)相符合。筆者在供暖期系統(tǒng)運(yùn)行期間有針對(duì)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(nèi)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(xì)調(diào)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(nèi)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(yù)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(yù)留發(fā)展片區(qū)內(nèi)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(shí)際不平衡率比計(jì)算值大得多,盡管已在預(yù)留發(fā)展片區(qū)的支管上裝了調(diào)節(jié)閥,但調(diào)節(jié)效果不理想。經(jīng)研究、核算,將該支管上原設(shè)計(jì)的阻力值較大的截止閥換為阻力值較小的閘閥,同時(shí)盡量調(diào)小了預(yù)留發(fā)展片區(qū)支管上的調(diào)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(dá)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(shè)方及這幾戶居民對(duì)運(yùn)行效果感到滿意。4結(jié)論4.1熱平衡總體經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性較好在主干管上布置支干管時(shí),主要按異程系統(tǒng)布置;在支干管上布置支管和入戶管時(shí),則應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,在適當(dāng)處合理采用同程布置,這樣做增加的管道不長(zhǎng),但熱平衡效果顯著,可省去大量的調(diào)節(jié)閥和平衡閥,并可簡(jiǎn)化運(yùn)行管理程序,不必進(jìn)行大量的閥門調(diào)節(jié)操作,減少了閥門的日常維修及更換的工作量及費(fèi)用,水耗量也明顯減少,故其總體經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性較好。4.2通過同程式來實(shí)現(xiàn)小區(qū)管網(wǎng)平衡平房小區(qū)的負(fù)荷量小且分散,支管線相對(duì)較長(zhǎng),入戶管及戶內(nèi)管線相對(duì)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(wǎng)的平衡幾乎是不可能的,即使用調(diào)節(jié)閥,對(duì)有些不平衡率很大的用戶節(jié)點(diǎn),也很難調(diào)到理想的平衡狀態(tài);相對(duì)于此,同程式系統(tǒng)則可以做到幾乎不用調(diào)節(jié)閥就能使小區(qū)管網(wǎng)達(dá)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(yīng)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(zhǎng)。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(nèi)的室內(nèi)管線較長(zhǎng),可通過調(diào)整入戶管徑及戶內(nèi)主干管管徑使小區(qū)管網(wǎng)基本達(dá)到平衡,通常只有個(gè)別用戶節(jié)點(diǎn)需加設(shè)調(diào)節(jié)閥平衡。但對(duì)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(dá)到平衡。不過,這種情況的水力計(jì)算較為復(fù)雜,不平衡率的對(duì)比壓降較難確定,設(shè)計(jì)難度較大。4.4高層建筑社區(qū)的管網(wǎng)通常只使用不同的編程系統(tǒng)高層建筑的室內(nèi)系統(tǒng)較大且復(fù)雜,通過調(diào)整管徑較易達(dá)到平衡,故可只采用異程式系統(tǒng)。4.5當(dāng)平房數(shù)量較大時(shí)，應(yīng)通過綜合熱指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并將平房和平房進(jìn)行估計(jì)經(jīng)測(cè)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(dāng)集中供暖的平房數(shù)量較大時(shí),要對(duì)平房建筑另定一個(gè)綜合熱指標(biāo)。4.6建筑結(jié)構(gòu)材料和管道采用新型材料來進(jìn)行熱網(wǎng)平衡據(jù)實(shí)地了解,許多地方的熱網(wǎng)都存在不同程度的熱力失衡情況。由于節(jié)能意識(shí)的淡薄,相關(guān)的運(yùn)行管理人員基本不去考慮如何改造熱網(wǎng)以達(dá)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(dá)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(duì)有利的熱用戶因房間過熱而白白浪費(fèi)掉,由此造成的熱損失量巨大卻又無法統(tǒng)計(jì)。在國(guó)家大力倡導(dǎo)節(jié)能的今天,杜絕這種既浪費(fèi)能源又污染環(huán)境的現(xiàn)象的最好方法就是對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)和改造。因此,熱網(wǎng)熱力平衡的節(jié)能效果并不亞于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用