近年來，隨著我國市場經濟的快速發展，工業企業對蒸汽的需求也在不斷攀升。由于能源綜合利用率高以及節能環保等優勢，熱電聯產集中供熱已成為我國區域性供熱的重要發展趨勢，同時長距離管網輸送能力也逐漸成為集中供熱發展道路上的難題。本文通過對某工業園區長距離供熱管網的案例分析和探討，介紹了一系列管道長距離蒸汽輸送工程中實行的節能技術，以及在設計中應采取的必要措施。
熱電聯產集中供熱，可以有效利用發電剩余的蒸汽，向周邊工業企業進行集中供熱，通過電 廠大容量、大壓力、高效率且低排放的鍋爐建設集中熱源供應站(熱效率可達90%以上)取代分散企業低效率高排放的工業小鍋爐(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生且有利于污染物的集中處理。工業用戶可以由此節省下建設小鍋爐以及購買燃料等的成本，同時，余熱供應也為電廠帶來了一部分額外的收益，可謂是一舉兩得。因此，特別是在一些工業集中地區，熱電聯產集中供熱越來越受到人們的關注和普遍應用。
集中供熱系統主要有熱源，供熱管網以及熱用戶3個部分組成。其中，供熱管網承擔著將熱源點的熱量及時配送至各個熱用戶的重任，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較遠，很多地區甚至已超過8km的供熱半徑，而管道沿線必然存在壓力損失和熱損失，電廠蒸汽經過長距離輸送后，往往難以滿足末端用戶較高的用汽參數要求。
在保證管網可供性和可操作性的前提下擴大供熱的范圍，蒸汽的出口參數(如溫度、壓力等)，流量以及管徑等是否滿足要求，必須進行嚴格的計算和分析。此外，本文還探討了在輸送過程中穩定熱負荷，降低沿程壓降和熱損的一系列措施。
案例現狀
隨著某工業園區內多個重大項目的陸續開工和投產，園區內企業對蒸汽的需求量也逐步增加。目前一期管管網總長度約10km，其中主線部分長度為8.9km。主線管道由DN600 管道逐級變徑至DN200管道，其中DN600管道長1200m，DN400管道長2000m， DN250管道長900m，DN200管道長4800m。一期管網涉及用汽企業共約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t。多以穩定的生產工藝熱負荷為主。
此外目前在建二期管線總長度約11.3km，其中DN600管道長度為7.4km，DN500管道長度為3.9km。該管線涉及兩個區域，一是某工業園區二期地塊，其新材料產業園區蒸汽用量預估為70-90t/h，二是臨近的工業區現有主要用熱企業約20家，預估用汽量為80-100t/h。
管道長距離輸送蒸汽的重要條件
在國家現行的供熱相關標準中都規定，蒸汽供熱系統的半徑通常控制在5-8km內。為了保證管網安全、穩定運行，長距離輸送蒸汽必須滿足以下幾點前提：
1、末端熱用戶應有較穩定的熱負荷
無論是從技術可行性或者經濟可行性的角度來看，末端熱用戶都應具備較大的持續且穩定的熱負荷，因為在不穩定工況以及低負荷工況下，管線中容易發生蒸汽凝結，嚴重時甚至產生水擊，因此在設計時需要提前考慮到疏水閥等裝置，及時排除飽和水。在本案例中，二期管網末端就有一個穩定的用熱大戶，雖然輸送距離長達11.3km，但蒸汽能保持一定的穩定流量，保證了管網的可運行性。
2、末端用戶的用熱參數在熱電廠可供的范圍內
進行較遠距離供熱是否合理，末端參數也是關鍵因素。末端用戶的用熱參數必須在熱電廠可供的范圍內。在本案例中，熱電廠的出口參數是1.8±0.2MPa(g)、290℃。二期熱網末端用戶，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。目前運行的一期管網基本能滿足相關要求。二期管線設計DN600管徑用以滿足二期用戶的參數要求。一期及二期管網水力見表1、表2。
表1最大量時管段水力參數
表2最小量時管段水力參數
3、敷設長距離管道的經濟可行性
一般而言，長距離管道的工程造價較高，此外，蒸汽管道正式運行后，還需要考慮到其固定 成本以及變動成本，其中固定成本主要考慮的是供熱管網的固定折舊，人工，維修及保養和建筑公共部分耗熱等，變動成本則直接與末端熱用戶的用熱情況息息相關。當末端用戶的熱負荷較小且不穩定；中間又沒有其他的熱用戶；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；或者今后沒有可發展的熱用戶時，敷設較遠距離供熱管道的投資可能不能回收。因此，管道在建設前必須對其經濟可行性進行研究，只有達到了一定的基礎用熱負荷才能確保管道投資是可回收的。對于本次二期管網進行了充分的調研，以確定在最小用氣量的情況下，管損率控制在10%以下，以達到經濟運行的目的。一期及二期管網熱力見表3、表4。
表3最大量時管段熱力參數
表4最小量時管段熱力參數
節能技術以及必要措施
為了實現管道較遠距離輸送蒸汽，在設計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，滿足末端熱用戶需求是關鍵。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沿程的壓力降，但是同時也會增大散熱面積，因此會造成不必要的管網熱損失。相反地，縮小管徑可以減少管道的熱損失，但由此導致的較高的蒸汽流速會管道加大管道內的壓力降。
有效控制壓降的措施
管道沿程的壓力降與管網結構(如管道走向、長度、補償器等)有著密切的關系。由于管道的走向一般都是由當地規劃局對規劃紅線進行編制和審批，這里就不做詳細的說明，在具體的設計中可利用Gambit，ANSYSFLUENT等軟件，對不同的供熱管網結構進行仿真模擬計算，從而得到一個合理的熱網結構。
管網的壓力損失通常由兩部分組成：即局部阻力所帶來的損失以及沿程阻力造成的損失。其 中，補償器以及彎頭是造成管網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行自然補償，在需要使用補償器補償時，應盡可能選用可長距離補償的補償器，并且盡量減少補償器的數量。
在本案例中，蒸汽運輸管道主要采用低支架地上敷設，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，因此，在地上敷設的管道部分，我們使用旋轉式補償器進行補償,旋轉式補償器通過成雙旋轉筒和“L”形力臂可以形成力偶，使大小相等，方向相反的一對力，由力臂回繞著Z軸中心旋轉，類似杠桿轉動，支點分別在兩側的旋轉補償器上可以吸收兩邊管道所產生的熱伸長量。由于其在管道運行過程中處于無應力狀態的特點，旋轉補償器能有效減少局部阻力。由于沿程阻力所產生的壓力損失，則可以通過增大管徑的方式來降低，但考慮到其可能導致的熱損失增加，因此需要對此進行綜合評估。
有效控制溫降的措施
◆優化的保溫層
保溫材料及保溫結構的選擇對管道長距離輸送蒸汽至關重要，優化的選擇組合對蒸汽管道尤為關鍵。通常情況下，蒸汽管道的保溫結構應是不小于三層的保溫結構。最內層的保溫結構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。外層的保溫材料對溫度的要求相對低一些，但仍需達到要求的傳熱系數。對于長距離供熱管網，其保溫材料的選取既要考慮一次性投資的經濟性，同時也要考慮今后運行過程以及維護與保養方面的成本。對不同的保溫材料、保溫厚度及組合要進行優化計算，在滿足長距離輸送的條件下，經濟地選定各保溫層的厚度。保溫材料有效的防止了對流傳熱，根據傳熱理論，蒸汽管道在運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管道進行纏繞,鋁箔玻纖布反射層不僅可以使保溫材料更穩定地固定在管道上，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雨水進行隔絕，防止雨水進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熱參數以及導熱系數–溫度曲線。一般來說，當輸送蒸汽管道溫度在300℃以下，采用高溫玻璃棉保溫材料，當溫度高于300℃時，則選擇復合硅酸鋁材料來實現保溫，當溫度高于500℃時，則需選擇氣凝膠(納米保溫材料)來實現保溫。本案例中的保溫層采用三層結構。最內層結構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各層間又加入了鋁箔玻纖布反射層。保溫計算中考慮保溫最外層不超過周圍環境溫度5℃，從而保證保溫材料在運行中不失效而能較長時間的使用。
◆采用隔熱管托
隔熱支座作為減少熱網熱損失的一個節能措施已被廣泛應用。隔熱支座的作用是阻擋蒸汽管道上的熱量直接傳導至土建支架上去。長距離輸送蒸汽管道，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，防止了熱橋的產生，減少了支座的熱量損失。據統計該公司全部采用隔熱支座，其散熱損失可減少管網體系總熱損失量的2%。
降低管網投資的幾項措施
在前文中，已介紹了供熱管網的投資可分為一次性的工程造價以及后續運營過程中的供熱成 本(固定成本以及變動成本)，在這一節將會就降低管網投資話題，提出幾點措施建議：
1、優化管道跨度
熱網管道的跨度決定了管道土建支架的數量，長距離供熱管網工程對支架的投入也相對較大。減少支架的數量，不僅能有效降低首次建造成本，也減少了一系列后續維護保養等成本。為了減少支架數量，需合理布置管線路由，同時在保溫材料選用時可適當選用輕質的保溫材料，這樣能有效的減少管道的自重，增加管道的跨距，從而減少支架的數量，節約管道的一次投資成本。
2、優化補償方式
供熱管網的建設中補償方式的選擇直接關系到熱網系統的安全性和經濟性。在管道設計過程 中，應當盡可能充分利用自然地形進行補償，當長距離蒸汽管道布置時，當必須使用補償器時，應盡可能使用無推力旋轉補償器，旋轉補償器相較于其他補償器而言，補償距離長，可減少補償器的數量；旋轉補償器的水平推力小，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；同時旋轉補償器安全性能高，使用壽命長，可節省運行期間的維護維修費用。
3、優化管道支架
對于地上架空敷設管段來說，管道支架是支承管網的最重要的結構件，根據管道的運行性能和布置要求，管道支架一般可分為固定支架和活動支架。其中，活動支架又可以細分為無約束滑動支架，滾動支架以及導向支架。無約束滑動支架允許蒸汽管道各個方向上自由膨脹。導向支架約束了蒸汽管道的側向位移，對蒸汽管道運行時的線性進行了約束。滾動支架的優勢則在于蒸汽管道在運行期間，支架所承受的摩擦力更小。因此在大管徑或長距離輸送的蒸汽管道布置中，常常采用滾動支座替代，以此來減少土建支架的投資，在熱網設計中已取得了初步效果。
一般的導向和滑動支座移動時對土建支架的的水平推力(僅考慮管道重量時)為:Fx=μql，其中：q為管道計算重量；l為支架間距；μ為支座與土建支架之間的摩擦系數。
以案例中的DN600管道為例，由于管道及其附件自重達到310kg/m，平均支架跨度達到17～18m，因此若采用滑動或者導向支架時，支架的水平推力約為1.7t。而當使用滾動支座后，其摩擦系數降至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。
根據實踐證明，使用滾動支座后，減少了管道和每個支架之間的摩擦力，從而允許支架的基 礎和柱子設計得相對較小。這樣不僅外表美觀，而且節約了造價，據可靠統計，使用滾動管托后，土建造價下降約10%。
結語
雖然蒸汽系統的供熱半徑通常控制在5～8km內，但是由本文所分析的實際案例可以得知，管道長距離輸送蒸汽是可行且可推廣的。
長距離供熱管網需要具備大規模，持續且穩定的熱負荷，以保證管線安全、穩定運行；同時，管道的壓降和溫降應控制在一定范圍內，以滿足末端熱用戶的用汽參數要求；此外，要盡可能降低工程造價以及供熱成本，確保管道的投資可回收，為企業在實現節能減排的同時，創造出更多的經濟效益。
作者：朱發強(舟山杭熱熱力有限公司)
