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城市集中供熱管網設計

發表日期:2010-12-25 | 發布人:不詳 | 閱讀次數:12862

    

城市集中供熱管網設計

一、城市集中供熱管網布置類型

城市集中供熱管網布置與熱媒種類、熱源與熱用戶相互位置有一定的關系,其布置應考慮系統的安全性和經濟性。城市供熱系統的特點是熱用戶分布區域廣、分支多。在管網發生事故時,通常允許有若干小時的停供修復時間。有些熱網為提高供熱可靠性和應付供熱發展的不確定性,在規劃設計時就將熱網象市政給水管網一樣成網格狀布置,但這樣存在一定的問題,熱網水力工況和控制的十分復雜,同時網格狀管網投資非常高。在城市多熱源聯合供熱時,有些規劃設計時將熱網主干線設計成環管網環狀布置,用戶管網是從大環網上接出的枝狀管網,這種布置方式具有供熱的后備性能,運行安全可靠,但熱網水力工況和控制的也比較復雜,投資很高。

在充分考慮系統的安全性和經濟性的前提下,筆者認為城市熱力管網應是多條枝狀管網放射型布置。在規劃設計時,根據城市規模、熱用戶分布及熱源位置布置幾條輸配主干線,在實施過程中根據供熱能力和熱用戶情況,逐步完善不同的主干線。當城市供熱主干線骨架形成后,適當敷設連通管,在正常工作時連通管上的閥門關閉,當主干線某段出事故時,可利用連通管進行供熱。這種熱網布置形式保證了枝狀管網適應不確定熱用戶的發展,如果一條干管供熱能力不夠,敷設相鄰干管時加大其供熱能力就可以解決,以達到供熱管網輸配能力最優化,不必象環狀管網那樣先埋入較大管道去等負荷確定的熱用戶。

 

二、熱力管道直埋敷設

供熱管網直埋敷設由于占地面積小、工程造價低、施工周期短、保溫性能好等特點,在實際工程中得到了廣泛應用。正確認識熱力管道直埋原理,合理選擇敷設方式是很關鍵的。熱水管道直埋與架空或管溝敷設主要不同之處在于直埋敷設的供熱管道保溫結構與周圍土壤直接接觸,管道熱脹冷縮的過程受到土壤摩擦力約束,此時管道處于錨固狀態,在熱脹冷縮過程中產生的位移勢能,被儲存在管道壁上,使管道受力復雜化。管道直埋敷設方式可分為:無補償直埋敷設、一次性補償直埋敷設和有補償直埋敷設三大類。

熱力管道的敞開預熱無補償直埋敷設是一種“冷緊”式直埋。工藝過程是在管道焊接完畢后 ,對一定長度管道進行預熱,管道受熱產生變形,釋放一部分熱應力,同時對管溝進行回填夯實,利用土壤摩擦力將管道嵌固。這種敷設方式不需要設補償器和固定支墩,其工程造價最低。但這種方法不僅施工復雜,而且管線預熱只能改變管線的熱態應力水平,而不能改變它的全補償值,從管材疲勞的角度來看,在實際采用時應仔細斟酌。

一次性補償直埋也是一種“冷緊”型直埋。工藝過程是:在管道焊接完畢溝槽回填后,對管道進行預熱,管道熱伸長被“一次性補償器”吸收,此時立即將“一次性補償器外殼和管道 焊死,使其不能再次伸縮,這樣預熱結束后,管道由于溫降產生的熱應力在管道中表現為拉應力,用以克服管道再次受熱時的熱應力。

有補償直埋是目前應用最多的敷設方式,因其施工方便,所以得到廣泛采用。實際工程中應盡量合理布置補償器,使管道的補償器分段長度接近最大安裝長度,(管段由于移動所產生的土壤摩擦力在管道截面上產生的應力和材料許用應力相等,這個管段長度即最大安裝長度)同時應保證補償器在固定支墩兩側 對稱布置,以減小固定支墩受力,降低支墩土建費用。另外對直線段“駐點”位置的固定支墩應考慮取消,以降低造價。對于小區二次熱網,如果僅是為集中空調或地板輻射采暖服務,熱媒溫度65以下,實際工作溫度較低,熱應力較小,因此熱網設計中可根據管網柔性考慮非預熱的無補償直埋敷設。

直埋敷設管線最大安裝長度Lmax計算如下:

Lmax=(2.4ƒ[δ]20-di/4sA/(πDoFf)        m

式中:A--管道橫截面積  mm2

      Ff--管道外表面摩擦力   N/ m2

      ƒ--應力范圍的減小系數

      di--管道內徑   mm

      p--設計壓力  MPa

      [δ]20--鋼材許用應力   MPa

      Do--保溫管直徑    m

      s--管道壁厚       mm

供熱管網直埋敷設應注意下列有關事項:直埋管道盡可能直線敷設,管道自然彎曲應限制在以內;從主干線引出的分支干線處,應設“L”、”Z”型彎管;水平彎管處應力集中,受力較大,應增加彎頭壁厚、加大彎頭的曲率半徑;在土壤下沉性屬于二級或高于二級地區,直埋敷設要采取一定的措施。

 

三、波紋管補償在熱力管網中的應用

在熱力管網敷設中,補償器是保證管道安全運行的重要部件。波紋管補償以其體積小、重量輕、節省鋼材、占地面積小、流動阻力小、不易滲漏,已開始占有舉足輕重的地位,而且很有發展前景。目前波紋管制造突破了傳統的材料和工藝,采用高彈性金屬管經滾壓一次成型,并采用多層金屬結構,從而提高了其補償能力和承壓能力,應用新技術制造的波紋管補償為其在熱力管網中的應用提供了可靠的保證。

盡管波紋補償器有很多優點,但它也有自身的缺點。例如軸向型波紋補償器對主固定支架產生壓力推力,管壁較薄不能承受扭力,設備投資高等。許多設計人員對波紋補償器的認識還不夠全面,因此在設計中存在計算和補償管系選定不合理問題。

波紋管補償器根據位移形式可基本分為軸向、橫向、角向三類,每一類都有各自的優點和缺點,所以必須根據不同的使用條件,恰當地選用才能使波紋補償器正常工作,做到波紋補償器設計選型經濟、合理。

軸向補償  直管段上的膨脹節對沿膨脹節及管段的軸向方向拉伸與壓縮進行補償。膨脹節給出的額定補償量包括拉伸、壓縮位移的總和。軸向型補償器。這是應用最多的也是最基本的型式。在工作時主要是利用其波紋部分的軸向變形來吸收管道的軸向位移。

橫向補償  是在“L、“Z、“Ⅱ”型管道中的補償形式。通過成對的波紋管彎曲變形實現直線補償。

角向補償  管路補償需要膨脹節作彎曲變形,它們往往是兩個或三個角向式膨脹節組合使用,實現直線補償。

鉸鏈型補償器  在結構上由波紋管、活動鉸鏈、銷軸組成。該補償器可在同一平面內作角向偏轉,因此可吸收管道在同一平面內的角位移。

萬向鉸鏈型補償器  在結構上由波紋管、鉸鏈和萬向鉸鏈組成。它可以在任意平面內作角向偏轉,從而可吸收管道的任意平面內的角位移(空間角位移)。

波紋管的產品性能有兩大類:其中一種是為滿足使用必須保證的性能,如耐壓、耐溫、耐疲勞和彈性補償等;另一類,如剛度、有效面積、材質等,它們不是使用所需要的,但它們對管系的設計及補償器的使用有重要影響,所以對它們都要有充分的認識。

  波紋補償器的補償能力源于波紋管的彈性變形,有拉伸、壓縮、彎曲及它們的組合變形。補償能力的大小,由設計者根據需要確定規定的額定補償量,即表示在一定條件下具有的最大補償能力。熱力管網兩固定點之間的最大長度是由管道失穩條件決定的,它與管徑的大小及補償器的補償能力有關,一條管線無論如何復雜都可以通過設置固定支座將其分割成若干形狀相對簡單的獨立管段,如直管段,L形管段,Z形管段等。波紋管補償器的計算應從以下幾方面著手。

1)熱力管道的熱伸長量通常按下式計算:
     
Δx=α(t1-t2)L
其中:Δx —— 管道的熱伸長量,mm;
     
α —— 鋼管的線膨脹系數,mm/(m ),     

   t1 —— 管內介質溫度,℃,管內介質指蒸汽、熱水、過熱水等;
      t2
—— 管道安裝時的溫度,,

   L —— 管道計算長度,m。
   
計算管道熱伸長量,是為了確定補償器的所需補償量,或驗算管道因熱伸長而產生的壓縮應力,所以對于管道的熱伸長量應計算其最大值,即取冷態安裝條件的最低溫度和熱態運行條件的最高溫度之間的最大溫差。由于管網安裝的氣候條件差異很大,因此t2不應有統一的取值,應根據當時的氣候條件和施工環境,確定適當的管道安裝溫度。
      2)安裝軸向型補償器的管道軸向推力F,按下式計算:

          Fx=Fp+Fm+Fs                                      N

  式中: Fp——內壓力產生的推力,          N

         FS——波紋管補償的彈性反力      N

Fm——管道活動支架的摩擦力      N

         計算固定支架推力時,應按管道的具體敷設方式,參考上述公式按支架兩側管道推力的合力計算。

3)管道應力驗算

補償器在內壓作用下的失穩包括兩種情況,即平面失穩和軸向柱狀失穩。

A、平面失穩  表現為一個或幾個波紋的平面相對于波紋管軸線發生轉動而傾斜,但其波平面的圓心基本在波紋管的軸線上。這是由于內壓產生的子午向彎曲應力和周向薄膜應力的合力超過材料屈服強度,局部出現塑性變形所致。

B、柱失穩  波紋管的波紋連續地橫向偏移,使波紋管偏移后的實際軸線成弧形或S形(在多波情況下呈S形)。這種情況多數是因為波紋數太多,波紋管有效長度L跟內徑d之比(L/d)太大造成的。為避免失穩情況發生,對管道應進行應力驗算。

   管道在工作狀態下,由內壓產生的折算應力按下式計算:

σeqP[0.5doY(s-α)]/ s-α  [σ]t     MPa

    P-設計壓力         MPa

    do-管線外徑        mm

    s-管線設計壁厚     mm

    Y-溫度對計算管線壁厚的修正系數

    α-腐蝕裕量       mm

    [σ]t-設計溫度下的許用應力 Mpa

 

四、推廣使用水力平衡元件,提高水輸送系數

在供熱系統中,熱媒介質由閉式管路系統輸送至各用戶。對于一個設計合理,并能夠按設計工況運行的供熱管網,其各用戶應均能獲得相應的設計流量,以滿足其負荷要求。但在實際運行當中,由于缺乏消除環路剩余壓頭的水力平衡元件,大部分管網系統近段環路的剩余壓頭只能靠管線管徑的變化來消除,而且目前管網上控制閥門既無調節功能,又沒有流量顯示,使得部分環路及末端用戶的流量,并不按設計要求輸配。水力失調直接導致熱力失調,供熱系統存在的冷熱不均現象,主要原因就是系統的水力失調亦即流量分配不均所致。

水力失調度計算如下:水力失調度X=實際流量G’/設計流量Gsj

當水力失調度X 遠遠大于1 時,根據散熱器性能曲線可以看出,此時平均室溫的增長緩慢;當X遠遠小于1時,平均室溫的減少幅度明顯增加。熱力工況失調形成了“大流量,小溫差”的運行方式。實際上大流量運行方式并沒有從根本上消除系統的水力失調,反而帶來了能耗的增加。即大流量要求大水泵,增加了電耗;大流量形成了大熱源,熱源低負荷運行降低了熱源熱效率,管網小溫差運行增加了輸送能耗,還影響了散熱器的散熱效率。除此之此,大流量還降低了系統的可調性,即系統流量過大,近端多余的流量無法調劑到末端,甚至出現回水溫度過高的假象。結果增加了整個供熱系統的熱耗,降低了輸水系統的熱效率。

規范中規定“設計中應對采暖系統進行水力平衡計算,確保各環路水量符合設計要求。在室外各環路及建筑物入口處采暖供水管(或回水管)路上應安裝平衡閥或其它水力平衡元件,并進行水力平衡調試”。為搞好管網的初調節,在一、二次管網的各個分支處和各熱力入口處裝置調節性能好的平衡調節閥,以保證各環路水量符合設計要求。

目前市場水力平衡元件主要有手動調節閥(平衡閥)和自動調節閥(自力式調節閥)兩大類,其具體選用應結合系統運行方式的不同,分別對待。對于手動調節閥來說,流量G=KV ∆P,式中K V為手動調節閥閥口的流量系數,∆P為手動調節閥閥口兩側的壓差。K V的大小取決于開度,開度固定,K V即為常數,那么只要∆P 不變,則流量G不變,安裝后可替代原有管網控制閥門。而自力式調節閥從結構上說,是一個雙閥組合,由手動孔板和自動孔板組成一個有機的整體,手動孔板是按設計流量進行調控的鎖定機構,自動孔板是保證設計流量恒定的控制機構。當流經手動孔板流量大于設計流量時,自動孔板的閥瓣上移,減少自動孔板的斷面,從而減少通過調節閥的流量,使其與設計流量相符。反之亦然。

當系統的運行調節為質調節時,可以采用自力式調節閥,因為這種調節方式只改變供水溫度,而與系統的水力工況無關,即在不改變系統的水力工況的情況下,把調節傳達到每個用戶和設備。采用自力式流量控制閥,可以吸收網路的壓力波動,維持被控負載的流量恒定。采用自力式壓差控制閥可以吸收網路的壓力波動,以維持施加于被控環路上的壓差恒定。

當系統的運行調節采用集中量調節(水泵的變頻調節等)時,不能采用自力式調節閥。因為這種調節是通過改變水量實現的,因而調節時改變了系統的水力工況,所以若采用自力式調節閥,勢必造成出現流量分配的混亂。顯然,由于自力式調節閥的存在而造成了系統集中調節的不能實現。這時若采用手動調節閥(比如平衡閥),則系統總流量增減時,各支路、各用戶的流量可以同比例增減,即系統的集中調節可以傳達至每一個末端裝置。當系統采用分階段改變流量的質調節時,雖然每個階段流量不變。但若采用自力式調節閥,每個流量階段要對控制流量或控制壓差進行設定,給運行管理帶來很大不便,所以不宜采用。

 

    熱力管線工程運行是否正常直接關系到居民生活質量,在設計過程中應遵循技術先進、經濟合理、安全適用的原則,作為一項系統工程,從管網的設計到管道的 制造、安裝及管網的啟動運行,每個環節都直接影響著工程的成敗。而一項好的設計可以使產品的性能得以充分發揮,可以最大限度地減少施工中的困難,可以降低工程造價。因此,我們的設計一定要做到嚴謹合理,為工程的成功提供可靠的前提保證,如若不然,不僅增加工程造價,同時還由于設計不當而削弱了熱力管線運行的安全性和可靠性。

  

 

 
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