基于環(huán)境影響的熱力管道比摩阻優(yōu)化

劉雪麗

摘要：集中供熱相比分散式供熱的能源利用效率要高，在我國主要有熱電聯(lián)產(chǎn)和區(qū)域鍋爐房集中供熱兩種形式，其主要由熱源、熱力管網(wǎng)和熱用戶組成，其中用于連接熱源和熱用戶的熱力管網(wǎng)在整個(gè)熱力系統(tǒng)中投資最大，施工也較為繁瑣.在熱力管網(wǎng)的計(jì)算過程中，用于確定管徑的比摩阻的選取是一個(gè)很重要的問題。

關(guān)鍵詞：集中供熱;熱力管道;比摩阻

引言

集中供熱作為一種能源服務(wù)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。供熱系統(tǒng)可以通過優(yōu)化減少其對環(huán)境的負(fù)面影響，集中供熱系統(tǒng)的年環(huán)境影響主要受供熱管網(wǎng)的影響。比摩阻在供熱管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中有著非常重要的作用，當(dāng)比摩阻增大時(shí)，管道直徑和管網(wǎng)的熱損失逐漸減小，而水泵會消耗更多電力。相反，比摩阻的減小會導(dǎo)致管道直徑和管網(wǎng)的熱損失的增大，而水泵所需消耗的電力會減小。因此，熱力管道的比摩阻存在一個(gè)最優(yōu)值，此時(shí)供熱管網(wǎng)對環(huán)境的影響會得到最大化降低。

1概述

選取合適的經(jīng)濟(jì)比摩阻，有利于控制供熱管網(wǎng)使用壽命周期內(nèi)的成本，比摩阻的取值影響管網(wǎng)的初投資與運(yùn)行費(fèi)用.本文針對熱水管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)比摩阻進(jìn)行計(jì)算分析，以壽命周期內(nèi)費(fèi)用年值最小為優(yōu)化目標(biāo)，研究了經(jīng)濟(jì)比摩阻的確定方法.

2基于環(huán)境影響的比摩阻

集中供熱不僅能給城市提供穩(wěn)定、可靠的高品位熱源，改善人民生活，而且能節(jié)約能源，減少城市污染，有效地利用城市有效空間。所以，集中供熱具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。然而，目前的集中供熱系統(tǒng)主要以化石燃料為主要燃料，其燃燒的排放物會對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。2017年，北方城鎮(zhèn)供暖的碳排放總量為5.41億t，因供熱所造成的NOx排放總量為42 萬t，SO2的排放量為64 萬t，粉塵為44 萬t。集中供熱系統(tǒng)可以通過優(yōu)化減少其對環(huán)境的負(fù)面影響。集中供熱系統(tǒng)的年環(huán)境影響包括熱源的年環(huán)境影響和管網(wǎng)的年環(huán)境影響。當(dāng)集中供熱系統(tǒng)的年供熱負(fù)荷確定后，即可確定供熱系統(tǒng)熱源的年環(huán)境影響。因此，供熱管網(wǎng)的設(shè)計(jì)主要影響集中供熱系統(tǒng)的年環(huán)境影響。當(dāng)設(shè)計(jì)供熱外網(wǎng)時(shí)，確定管路各管段的管徑和壓力損失，是供熱外網(wǎng)水力計(jì)算最重要的一步。為了確定各管段的管徑，必須知道各管段上平均比摩阻的大小。通常情況下，管段的壓降值是未知的，這就要求在計(jì)算時(shí)預(yù)先選定一個(gè)比摩阻。為了降低集中供熱系統(tǒng)對環(huán)境的不利影響，選擇一個(gè)合理的比摩阻值是至關(guān)重要的。

3優(yōu)化方案的提出

對于集中供熱管網(wǎng)，當(dāng)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷和設(shè)計(jì)供、回水溫度后，即可獲得每個(gè)管段的設(shè)計(jì)質(zhì)量流量。集中供熱外網(wǎng)的年總環(huán)境影響主要由管道的年環(huán)境影響、管網(wǎng)的年熱損失環(huán)境影響和水泵的年輸配環(huán)境影響組成。當(dāng)比摩阻增大時(shí)，泵的輸配環(huán)境影響增加，而管道和熱損失的環(huán)境影響減少。相反，比摩阻的減小會導(dǎo)致泵的輸配環(huán)境影響減小，而管道和熱損失的環(huán)境影響增大。為了更清晰地顯示比摩阻的變化對供熱管網(wǎng)環(huán)境影響的情況存在一個(gè)最佳的比摩阻值可以使供熱管網(wǎng)的年總環(huán)境影響最小。因此，以年總環(huán)境影響最小為目標(biāo)函數(shù)，基于管道的年環(huán)境影響、管網(wǎng)的年熱損失環(huán)境影響和水泵的年輸配環(huán)境影響建立數(shù)學(xué)模型。最后通過數(shù)學(xué)求解或者借助計(jì)算機(jī)數(shù)值求解得到基于環(huán)境影響的熱力管道比摩阻最優(yōu)值。

4我國供熱管網(wǎng)存在的主要問題

4.1水力失調(diào)

水力失調(diào)主要是管網(wǎng)在運(yùn)行過程中，由于設(shè)計(jì)、阻塞等原因造成的運(yùn)行不平衡現(xiàn)象，如水流變小，供熱功能下降。水力失調(diào)是管網(wǎng)常見的問題之一。管網(wǎng)供熱水力失調(diào)的原因中，設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵因素。在設(shè)計(jì)過程中，管道的直徑、流量等設(shè)計(jì)沒有按照規(guī)定進(jìn)行，都會影響管網(wǎng)水流的正常運(yùn)行，出現(xiàn)水力失調(diào)。另外，用戶具有差異性，每個(gè)用戶的數(shù)值并非固定的。

4.2熱網(wǎng)失水

熱網(wǎng)失水屬于技術(shù)上的問題，一般在管網(wǎng)施工中，沒有按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，是出現(xiàn)這一問題的原因。首先，技術(shù)精度不夠，在管道安裝、焊接上存在施工缺陷，這是管道運(yùn)行后出現(xiàn)漏水的主要原因;其次，制度管理不善，換熱站未經(jīng)供熱管網(wǎng)總管理中心的同意，私自進(jìn)行放水，造成未經(jīng)檢測的供熱管網(wǎng)失水，致使漏損系數(shù)增大，嚴(yán)重影響供熱效率，也為維修帶來極大的困難，即使通過二次網(wǎng)的補(bǔ)水流程也很難解決這一問題;最后，管網(wǎng)安全運(yùn)行及維護(hù)，管網(wǎng)運(yùn)行復(fù)雜，需要注意其運(yùn)行安全，在管理和檢查過程中，要隨時(shí)關(guān)注其存在的漏水、老化現(xiàn)象并及時(shí)維修。

5供熱管網(wǎng)節(jié)能改造的相關(guān)措施

5.1優(yōu)化管徑設(shè)計(jì)

通過優(yōu)化管徑設(shè)計(jì)，可以有效降低水力失調(diào)問題的發(fā)生概率，從而提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在具體應(yīng)用過程中，首先，需要對外網(wǎng)的水力情況進(jìn)行計(jì)算，確定最佳的水力參數(shù)，通常情況下，可以借助CDG軟件對相關(guān)參數(shù)信息進(jìn)行計(jì)算，在完成數(shù)據(jù)計(jì)算之后，還需要借助人工調(diào)整的方式，從而實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)部水流動態(tài)調(diào)整，加強(qiáng)近端用戶阻力的作用。其次，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，對于管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的具體位置進(jìn)行標(biāo)注，可以在各個(gè)管道節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行編號，同時(shí)還需要結(jié)合計(jì)算結(jié)果標(biāo)注管道的受壓載荷情況，為后續(xù)管徑調(diào)整提供科學(xué)性的數(shù)據(jù)參考。最后，做好相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作，結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對目前管道的回水溫度進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，將該溫度作為基準(zhǔn)數(shù)值，以該標(biāo)準(zhǔn)來完成管網(wǎng)運(yùn)輸過程中的管理工作。

5.2管網(wǎng)系統(tǒng)的平衡設(shè)計(jì)

通過完成管網(wǎng)系統(tǒng)的平衡設(shè)計(jì)，可以提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能性，提高資源的利用效率。目前供熱管網(wǎng)的主要熱量來源是煤炭燃燒產(chǎn)生的熱量，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭的存儲量也在快速減少，為了更好地滿足供熱需求。需要做好相應(yīng)地平衡設(shè)計(jì)工作，在具體操作過程中：①考慮到原有供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中，節(jié)流孔板和閘閥的可控性相對較低，對此在平衡設(shè)計(jì)過程中，需要對節(jié)流孔板進(jìn)行調(diào)整，平衡其運(yùn)行功能，從而有效改善供熱官網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況;②可以利用平衡閥來取代以往的閘閥或截止閥，相較于原有結(jié)構(gòu)，平衡閥會與智能測壓設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)，監(jiān)督閥門前后的壓差情況，根據(jù)壓差情況進(jìn)行閥門運(yùn)行情況的調(diào)整，從而提高系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)定性。需要注意的是，為了確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，需要做好安全管理工作，不允許他人隨意調(diào)整閥門，提高結(jié)構(gòu)運(yùn)行的可靠性。

5.3平衡閥閥門開度設(shè)計(jì)

通過合理調(diào)整平衡閥閥門開度，可以穩(wěn)定整個(gè)供熱管網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低運(yùn)行失調(diào)問題的發(fā)生概率。在具體操作過程中，平衡閥的型號選擇應(yīng)滿足既定的使用要求，在選擇過程中，主要考慮的因素在于閥門直徑、通過流量、壓差等內(nèi)容，綜合考慮各類因素之后，選擇最合適比例的平衡閥閥門。

5.4管網(wǎng)敷設(shè)方式改造

通過加強(qiáng)管網(wǎng)敷設(shè)方式改造，可以提高管網(wǎng)使用壽命，減少維護(hù)成本的經(jīng)濟(jì)支出。在具體應(yīng)用過程中：①在保溫材料選擇方面，應(yīng)結(jié)合具體應(yīng)用環(huán)境情況來進(jìn)行選擇，如在潮濕環(huán)境中，應(yīng)選擇防水性能與保溫性較強(qiáng)的材料作為主施工材料，從而降低供熱成本;②結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況來選擇合理的管道敷設(shè)方式，并且需要積極引進(jìn)新型材料，如泡沫保溫材料、鋼管結(jié)構(gòu)等，從而提升系統(tǒng)運(yùn)行過程所帶來的企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與基礎(chǔ)社會效益。

結(jié)語

隨著環(huán)境污染的日益加劇，基于環(huán)境影響確定熱力管道的最優(yōu)比摩阻在供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有著重要的作用。采用最優(yōu)的比摩阻可使供熱管網(wǎng)的年環(huán)境影響最小，進(jìn)而可以減少集中供熱系統(tǒng)的年環(huán)境影響。

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