供熱管網(wǎng)的數(shù)字化建設的探索

摘 要：有關熱網(wǎng)技術、計量設備方面的新技術、新設施的發(fā)展與應用課題。數(shù)字化熱網(wǎng)系統(tǒng)對節(jié)能的影響，數(shù)字化管網(wǎng)仿真運行與現(xiàn)實熱網(wǎng)運行進行比較后，可以幫助熱網(wǎng)管理人員及時了解冷凝水量、流量計故障、預防偷汽、漏汽檢查、保溫效果評價等功能。

關鍵詞：智能熱網(wǎng)；管損控制；熱網(wǎng)節(jié)能；數(shù)字熱網(wǎng)

1 工業(yè)供熱（蒸汽）管網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

目前，我國熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱已經(jīng)成為工民用熱主要熱源，在工業(yè)發(fā)達地區(qū)隨處可見一條條巨龍一樣的供熱管道，其主要特點歸納為以下幾方面：

（1）大口徑遠距離輸送。比如：DN400-DN800管徑輸送距離在8-30km，有的區(qū)域網(wǎng)間管線甚至達到40km輸送管道。（2）分布格局由以前的單熱源樹狀布置發(fā)展為多熱源環(huán)狀布施。（3）運行方式多為遠距離、偏離設計工況的運行方式，比如：低負荷或超負荷運行。（4）商業(yè)結(jié)算表計大部分采用渦街流量傳感器居多，按質(zhì)量流量計量。（5）大多供用熱結(jié)算流量裝置都進行了大小流量處理等措施，對管損進行了適當?shù)膹浹a。（6）管道損失評價指標采用損失量與供量的百分比表示，以便于同行之間比較。影響集中供熱運行經(jīng)濟性分析的主要因素是管道損失，主要包括質(zhì)量損失與熱量損失兩部分，不管質(zhì)量損失還是熱量損失，都是影響經(jīng)濟指標的直接因素，通常我們把供汽量與售汽量之間質(zhì)量差稱為管損，如：跑冒滴漏、散熱形成冷凝水無法計量、計量誤差或超差、偷竊行為、超量程計量等。（7）很多熱電廠都很重視管損管理，普遍遇到的難題，是在實施熱網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，都希望得到準確的管損分析結(jié)果，但是作者通過對多家熱電廠了解后，都沒有達到預期效果，該類系統(tǒng)僅起到遠程監(jiān)測作用，不妨定義為監(jiān)測型熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)應根據(jù)流體、熱力、數(shù)學、網(wǎng)絡等相關知識建立模型，模擬計算出壓力、溫度、流量、干度等與各節(jié)點處采集參數(shù)，分析出工況下相應的結(jié)果或操作，實現(xiàn)結(jié)構與功能相一致，也就是數(shù)字熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，即監(jiān)測型熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。

2 供熱管網(wǎng)數(shù)字化建設的目的與用途

供熱管網(wǎng)數(shù)字化建設的目的是確保管網(wǎng)的安全穩(wěn)定、提高運行的經(jīng)濟性、管理的規(guī)范化，通過數(shù)字化建設，能夠幫助運營管理人員了解各企業(yè)各負荷點用熱參數(shù)需求，從而實現(xiàn)調(diào)度的統(tǒng)一化、掌握各節(jié)點的具體運行參數(shù)。明確損耗分布、各支線負荷仿真分配后各負荷點參數(shù)滿足情況、損耗情況，管損控制主要方法首先確定供熱真實量以及各節(jié)點的管損，然后比較得出管損存在哪里是多少，有目的去解決。

（1）數(shù)字熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)具有在線仿真檢驗計量表計功能：壓力、溫度測量表計現(xiàn)場校驗是比較方便的，而流量傳感器標定要用專用裝置，根據(jù)各管段參數(shù)變化，可以仿真出節(jié)點處流量。減輕了管理人員檢查范圍，有利于分析管損發(fā)生的原因。（2）數(shù)字熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)能隨時檢驗保溫效果，如保溫破壞、老化等情況，能及時檢查、試驗、分析原因。（3）數(shù)字熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)能預防水沖擊事故：據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，當管道通流蒸汽量低于設計流量的30%，蒸汽干度低于85%的情況下蒸汽不能帶走冷凝水而產(chǎn)生積水現(xiàn)象，如管線低負荷長期運行不能及時處理冷凝水，就會產(chǎn)生局部管道滿水，如遇脈沖負荷用戶易造成水沖擊事故。（4）數(shù)字熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)用于管網(wǎng)的啟停與冷卻，保護管道支架延長管道使用壽命。經(jīng)常誤認為管網(wǎng)停汽后應立即全開所有疏放水閥，實踐證明特別冬季這樣操作對管道傷害特別大。（5）數(shù)字熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)能指導管理人員調(diào)整負荷、為管網(wǎng)設計與改造方案提供依據(jù)：某廠開發(fā)區(qū)主線擬供C-H支線時，方案分析擬采用壓力匹配器通過1.5MPa專線增壓與0.98MPa線升溫選用了壓力匹配增壓升溫裝置，同時解決了C-H支線再輸送4km壓力不足與1.5pma專線低負荷冷凝水問題。投入后，雖然用戶參數(shù)問題都得到很好地解決，但因1.5MPa專線采用鍋爐新蒸汽，排擠汽輪機供熱而少發(fā)電，效率了降低了，如采用數(shù)字智能熱網(wǎng)系統(tǒng)，已知末端用戶負荷，供熱母管調(diào)節(jié)出口參數(shù)就可以保證1.5MPa專線不帶水或干度在85%以上。

3 數(shù)字熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)構成

由于計算機技術的迅速發(fā)展和應用，單熱源樹狀布置的蒸汽管網(wǎng)，具有散熱仿真功能的軟件趨于成熟，并且得到廣泛應用（多熱源蒸汽管網(wǎng)正在蓬勃發(fā)展），為數(shù)字化智能型熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了可靠的保證，該系統(tǒng)構成框圖見圖1。

3.1 熱網(wǎng)屬性模型

根據(jù)模擬計算得到的各用戶、節(jié)點處的壓力、溫度、流量、干度、冷凝水量等參數(shù)，形成表示一次供熱管網(wǎng)虛擬運行狀態(tài)的模擬值模型。

（1）管網(wǎng)模型（塊）：按照管網(wǎng)一次系統(tǒng)的管徑、長度、管件等布置結(jié)構的物理參數(shù)（管徑、管件、布置、粗糙度等），建立管網(wǎng)的網(wǎng)絡模型，得到管路屬性：外支管、內(nèi)管、節(jié)點、通路等。按照質(zhì)量平衡、能量平衡關系列方程組，建立模型方程組。（2）水力學模型（塊）：按照流體力學知識，為可壓縮的蒸汽，確定管網(wǎng)物理特性（密度、粘度）與操作參數(shù)（壓力、溫度、流量）的關系，形成管網(wǎng)水力學模型，得到管段壓降與流量的關系，對于蒸汽管道應計算特定散熱功率下蒸汽介質(zhì)特性計算水力特性。（3）傳熱模型（塊）：根據(jù)保溫、傳熱特性與蒸汽熱力性質(zhì)（焓、汽化潛熱、飽和溫度等），可以得到管段末端溫度與冷凝水量。（4）建立方程組求解：通過（1）、（2）、（3）和蒸汽管道設計規(guī)范以及材料實際技術參數(shù)，運用相關數(shù)學等知識確立邊界條件，求解網(wǎng)路模型方程組。（5）工程化處理：管網(wǎng)模擬理論較為成熟，但是在實際驗證中經(jīng)常遇到一些特殊的因素，如保溫老化或質(zhì)變、管道泄漏、管徑物理性變化等，很難準確地量化。實踐證明：某廠采用東南大學建筑設計院設計的熱網(wǎng)，經(jīng)過多次運行試驗，在設計工況點時各節(jié)點或用戶處測得參數(shù)基本與設計一致。由此可見，加入工程化處理后將保證模擬計算結(jié)果的實踐作用。

3.2 狀態(tài)參數(shù)模型

根據(jù)各用戶、節(jié)點處測得壓力、溫度、流量等參數(shù)，形成表示一次供熱管網(wǎng)實際運行狀態(tài)的測量值模型，即實時監(jiān)測系統(tǒng)模型。

3.3 熱網(wǎng)分析模型

熱網(wǎng)屬性模型與狀態(tài)參數(shù)模型得到對應點的參數(shù)比較，如有超過規(guī)定范圍給出報警信息，為熱網(wǎng)管理人員及時分析處理提供信息。

4 數(shù)字熱網(wǎng)的開發(fā)程序，實現(xiàn)工程應用

（1）數(shù)字熱網(wǎng)的核心技術建立蒸汽管網(wǎng)數(shù)學模型，能否開發(fā)成功其關鍵在于建立工程技術試驗研究平臺，進行數(shù)據(jù)采集及其工程化，即“建立熱網(wǎng)大數(shù)據(jù)”。a.實現(xiàn)技術可行性：我們專注于集中供熱的研究，已經(jīng)具備很強的優(yōu)勢條件，蘇夏設計院正趕上了環(huán)保的歷史大環(huán)境，對現(xiàn)存熱網(wǎng)存在問題的研究，通過永恒線30km精準設計成為國內(nèi)分布式熱網(wǎng)設計的佼佼者，新海石化工程又成為長距離超低溫降驅(qū)動汽輪機成功案例。b.實踐試驗必要性：新海石化蒸汽管網(wǎng)工程運行后外壁溫度分布見圖2，說明保溫結(jié)構仍存在不合理性。從保溫外壁溫度分布分析，經(jīng)長期運行與保溫材料重力作用后，上徑向150°范圍內(nèi)溫升應上升，同時在管道伸縮變形產(chǎn)生縫隙會擴大，散熱損失應增大，這些數(shù)據(jù)將會對熱網(wǎng)長期經(jīng)濟運行產(chǎn)生深遠的影響。上述分析告訴我們在現(xiàn)有的管網(wǎng)運行中所存在的問題，需進一步實踐采集數(shù)據(jù)。c.采集數(shù)據(jù)內(nèi)容主要圍繞管網(wǎng)安全與經(jīng)濟運行影響因素進行。如設置并測量分層保溫溫度，計算分層溫度梯度，驗證監(jiān)視保溫性能下降情況；新海石化管道設置了中間測點，二段溫降相近。該管道全長1618米，按照設計計算書核算新海石化30-35噸/時工況時溫降約20℃、壓降約0.5MPa，這些數(shù)據(jù)均準確地驗證了設計的符合性；環(huán)境對管道管損的影響，不同季節(jié)與氣候條件對熱網(wǎng)管損多少、理論管損多少、提高空間多少、管損的真實性、新建管網(wǎng)投資可節(jié)約多少等都有影響，進行分析、改造、試驗后，形成自己核心技術，提高企業(yè)自身的競爭力，當然建立數(shù)據(jù)庫不是一朝一夕就可以完成的，而是一個系統(tǒng)工程。

（2）數(shù)字熱網(wǎng)技術應用建立在供熱管道設計的基礎上，數(shù)字熱網(wǎng)建立最終目的是保證管損與管網(wǎng)的安全運行，贛榆北線管道按照保溫經(jīng)濟性設計，而雙溝老酒廠與新海石化管道按照允許散熱損失設計，在要求單位長度的管道散熱功率的條件下進行水力計算確定管徑，試算保溫傳熱系數(shù)及其保溫結(jié)構，如管托設計按照“等截面直肋傳熱、接觸導熱理論計算最大散熱肋骨高”的方法進行設計計算等，然后匯總進行整體核驗。

（3）數(shù)字熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)工程的實施與普及是一項需要逐步完善的系統(tǒng)工程，具有很強實踐性和可操作性，有利于幫助熱電企業(yè)對蒸汽管網(wǎng)的實時監(jiān)測與仿真模擬，提高操作和管理水平，該工程才起步，需要全員參與進一步在實踐中優(yōu)化，為實現(xiàn)節(jié)能減排而努力，實踐證明數(shù)字化熱網(wǎng)必將成功。

作者簡介：王如春，身份證號碼：32010619731029085X。